無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)跟蹤技術(shù)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其自組織性、魯棒性及節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大的特點(diǎn)，非常適合于目標(biāo)跟蹤。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤大體分為單目標(biāo)跟蹤與面目標(biāo)跟蹤。單目標(biāo)跟蹤主要采用雙元檢測協(xié)作跟蹤、信息驅(qū)動(dòng)協(xié)作跟蹤、傳送樹跟蹤算法等方法。面目標(biāo)跟蹤采用對偶空間轉(zhuǎn)換算法等方法。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤中，跟蹤精度、跟蹤能量消耗和跟蹤可靠性是需要考慮的主要問題。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)跟蹤；自組織

Abstract:TheWirelessSensorNetwork (WSN), because of its self-organizing characteristic, robustness and huge quantity of nodes, is perfectly suitable for target tracking. Now, there are two main aspects of target tracking in the WSN—single-target tracking and multi-target tracking. Cooperative tracking with binary-detection, information-driven dynamic collaboration, and dynamic convey tree-based collaboration are designed for single-target tracking. Dual-space approach is for multi-target tracking. Tracking precision, reliability and energy consumption are the most important issues in the WSN tracking requiring thorough consideration.

Keywords:wirelesssensornetworks; target tracking; self-organizing

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多實(shí)際應(yīng)用中，跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是一項(xiàng)基本功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積小、價(jià)格低廉、采用無線通信方式，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)部署隨機(jī)，具有自組織性、魯棒性和隱藏性等特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合于移動(dòng)目標(biāo)的定位和跟蹤[1]。例如在戰(zhàn)場上及時(shí)跟蹤敵方的車輛的行進(jìn)路線和兵力的調(diào)動(dòng)情況，將獲取的戰(zhàn)場信息及時(shí)發(fā)送回我方指揮中心。

按照跟蹤對象的數(shù)量不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤可以分為單目標(biāo)跟蹤和多目標(biāo)跟蹤。單目標(biāo)跟蹤是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)或全部節(jié)點(diǎn)協(xié)作跟蹤同一個(gè)目標(biāo)。傳感器節(jié)點(diǎn)交換偵測數(shù)據(jù)，確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向，并通過一定的喚醒機(jī)制使得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向上的節(jié)點(diǎn)及時(shí)加入跟蹤過程。單目標(biāo)跟蹤是多目標(biāo)跟蹤的基礎(chǔ)，目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤研究主要集中于單目標(biāo)跟蹤。

1  單目標(biāo)跟蹤

1.1雙元檢測協(xié)作跟蹤

雙元檢測目標(biāo)跟蹤[2]中傳感器只有兩種偵測狀態(tài)：目標(biāo)處在傳感器偵測距離之內(nèi)或目標(biāo)處在傳感器偵測距離之外。圖1給出了這種雙元傳感器的模型，其中實(shí)心點(diǎn)表示傳感器節(jié)點(diǎn)。對于節(jié)點(diǎn)的偵測距離R，當(dāng)目標(biāo)傳感器節(jié)點(diǎn)的距離在(R－e)之內(nèi)時(shí)總會(huì)被檢測到，當(dāng)目標(biāo)距節(jié)點(diǎn)距離在(R＋e)之外時(shí)不會(huì)被檢測到，當(dāng)目標(biāo)距節(jié)點(diǎn)距離在(R－e)和(R＋e)之間時(shí)以一定的概率被檢測到。通常情況下e＝0.1R 。

雙元檢測傳感器不能檢測到目標(biāo)的距離，只能判斷目標(biāo)是否在偵測范圍內(nèi)。因此檢測到目標(biāo)的節(jié)點(diǎn)只能確定包含目標(biāo)的圓形區(qū)域，需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作才能確定目標(biāo)的位置信息。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入偵測區(qū)域后，在節(jié)點(diǎn)足夠密集的情況下，任何時(shí)刻都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)偵測到目標(biāo)的位置區(qū)域。這些節(jié)點(diǎn)偵測范圍的重疊區(qū)域是一個(gè)相對較小的區(qū)域，目標(biāo)就處于這個(gè)重疊區(qū)域內(nèi)，這樣，就能相對精確的確定目標(biāo)位置。

基于雙元檢測的協(xié)作跟蹤適用于簡單低廉的傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過大量密集部署節(jié)點(diǎn)保證跟蹤精度�；�于雙元檢測的協(xié)作跟蹤需要節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步，并要求節(jié)點(diǎn)知道自身的位置信息。

1.2信息驅(qū)動(dòng)協(xié)作跟蹤

對移動(dòng)目標(biāo)的偵測、分類、跟蹤通常需要傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作。對節(jié)點(diǎn)跟蹤數(shù)據(jù)的融合能夠有效的提高跟蹤精度。通過選擇合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作能降低節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信量，從而節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量和通信帶寬。

信息驅(qū)動(dòng)協(xié)作跟蹤[3]的核心思想就是傳感器節(jié)點(diǎn)利用自己偵測到的信息和接收到的其他節(jié)點(diǎn)的偵測信息判斷目標(biāo)可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，喚醒合適的傳感器節(jié)點(diǎn)在下一時(shí)刻參與跟蹤活動(dòng)。由于使用了合適的預(yù)測機(jī)制，信息驅(qū)動(dòng)的協(xié)作跟蹤能夠有效地減少節(jié)點(diǎn)間的通信量，從而節(jié)省節(jié)點(diǎn)有限的能量資源和通信資源。

圖2表示了一個(gè)信息驅(qū)動(dòng)的協(xié)作跟蹤實(shí)例。網(wǎng)絡(luò)中包含兩類傳感器節(jié)點(diǎn)，分別裝有角度傳感器和距離傳感器。圖2中的粗箭頭表示目標(biāo)穿過傳感器網(wǎng)絡(luò)的軌跡，圓形區(qū)域?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的偵測范圍，用戶通過匯聚節(jié)點(diǎn)(如圖2中節(jié)點(diǎn)Q)查詢目標(biāo)跟蹤信息，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)每隔一段時(shí)間報(bào)告一次位置。傳感器網(wǎng)絡(luò)中任何時(shí)刻至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，負(fù)責(zé)存放當(dāng)前目標(biāo)跟蹤狀態(tài)信息，這個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為跟蹤節(jié)點(diǎn)。

隨著目標(biāo)移動(dòng)，當(dāng)前跟蹤節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)喚醒并將現(xiàn)有的跟蹤信息傳遞給下一個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)。目標(biāo)進(jìn)入傳感器區(qū)域時(shí)，離目標(biāo)最近的節(jié)點(diǎn)a獲得目標(biāo)位置的初始估計(jì)值，并計(jì)算出下一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)b進(jìn)行跟蹤能夠保證偵測數(shù)據(jù)的精度，使自己到節(jié)點(diǎn)b的通信代價(jià)在規(guī)定的范圍內(nèi)，則將獲得的目標(biāo)位置估算值傳給節(jié)點(diǎn)b。b使用相同的標(biāo)準(zhǔn)選擇下一個(gè)跟蹤節(jié)點(diǎn)c，這個(gè)過程不斷重復(fù)直到目標(biāo)離開傳感器網(wǎng)絡(luò)偵測區(qū)域。每隔一段時(shí)間節(jié)點(diǎn)就將目標(biāo)位置信息返回給匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.3傳送樹跟蹤算法

目前大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤算法都是集中式的，跟蹤信息需傳送到數(shù)據(jù)中心去進(jìn)行綜合處理�；�于傳送樹的跟蹤算法是一種分布式算法，節(jié)點(diǎn)只在本地收集數(shù)據(jù)并通過局部節(jié)點(diǎn)交換信息以完成目標(biāo)跟蹤。

傳送樹是一種由移動(dòng)目標(biāo)附近的節(jié)點(diǎn)組成的動(dòng)態(tài)樹型結(jié)構(gòu)[4]，并且會(huì)隨著目標(biāo)的移動(dòng)動(dòng)態(tài)地添加或者刪除一些節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)目標(biāo)附近的節(jié)點(diǎn)通過傳送樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)作跟蹤，在保證對目標(biāo)進(jìn)行高效跟蹤的同時(shí)減少節(jié)點(diǎn)間的通信開銷。

圖3表示通過傳送樹進(jìn)行目標(biāo)跟蹤的過程。如圖3(a)所示，目標(biāo)進(jìn)入偵測區(qū)域時(shí)，在探測到目標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)中選舉一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，并構(gòu)造出初始傳送樹，如圖3(a)中藍(lán)色實(shí)線圈中的節(jié)點(diǎn)。傳送樹上每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)出偵測信息，并傳送到根節(jié)點(diǎn)。根節(jié)點(diǎn)收集傳送樹上所有節(jié)點(diǎn)的偵測報(bào)告，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并將處理結(jié)果發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。隨著目標(biāo)的移動(dòng)，傳送樹刪除那些距離目標(biāo)越來越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，如圖3(b)中紅色實(shí)線圈外虛線圈內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，并且喚醒目標(biāo)移動(dòng)方向上的節(jié)點(diǎn)將其加入傳送樹。當(dāng)目標(biāo)與根節(jié)點(diǎn)的距離超過一定閾值時(shí)，需要重新選舉根節(jié)點(diǎn)并重新構(gòu)造傳送樹，如圖3(b)中紅色實(shí)線圈中節(jié)點(diǎn)。

為了節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，傳感器網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)格狀的分簇結(jié)構(gòu)，如圖4所示。簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)周期性地?fù)?dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)沒有偵測事件發(fā)生時(shí)，只有簇頭節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)，普通節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)。當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入網(wǎng)格時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)喚醒單元格中的其他節(jié)點(diǎn)。

2  面目標(biāo)跟蹤算法——對偶空間轉(zhuǎn)換跟蹤算法

傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤中，很多情況下需要跟蹤面積較大的目標(biāo)，例如森林火災(zāi)中火災(zāi)邊緣的推進(jìn)軌跡，臺(tái)風(fēng)的行進(jìn)路線等。僅通過局部節(jié)點(diǎn)的協(xié)作無法偵測到完整的目標(biāo)移動(dòng)軌跡，為此有些學(xué)者提出使用對偶空間轉(zhuǎn)換方法決定由哪些節(jié)點(diǎn)參與跟蹤，以保證對目標(biāo)移動(dòng)軌跡的完整偵測。

初始二維空間的直線y＝αx＋β ，它由α和β兩個(gè)參數(shù)唯一確定，其中α表示斜率，β表示截距。定義這條直線的兩個(gè)參數(shù)在初始空間的對偶空間中用點(diǎn)(－α，β)表示。同樣地，初始空間中的點(diǎn)(a，b)定義了對偶空間中的一條直線Φ＝a θ＋b 。這是一個(gè)一一映射關(guān)系，如圖5所示。

假設(shè)將面積較大的目標(biāo)看成一個(gè)半平面，則它的邊界就是一條直線L：y＝αx＋β。對偶空間變換就是將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)P1、P2、P3、P4映射為對偶空間中的一條直線p1、p2、p3、p4，將目標(biāo)的邊界映射為對偶空間中的一個(gè)點(diǎn)l(-α, β)。這樣，在初始空間中無規(guī)律分布的傳感器節(jié)點(diǎn)在對偶空間中便成為許多相交的直線，并將對偶空間劃分為眾多子區(qū)域，而跟蹤目標(biāo)的邊界映射到對偶空間中是一個(gè)點(diǎn)，并處于某個(gè)子區(qū)域中，如圖6所示。這個(gè)子區(qū)域?qū)��?yīng)的幾條相交直線就是離目標(biāo)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)，再通過到初始空間的逆變換確定此時(shí)需要的跟蹤節(jié)點(diǎn)。

通過對偶跟蹤的方法，跟蹤問題轉(zhuǎn)換為在對偶空間中尋找包括目標(biāo)邊界映射點(diǎn)的子區(qū)域。當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，映射點(diǎn)會(huì)進(jìn)入其他子區(qū)域，這時(shí)需要喚醒新區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，而讓原有區(qū)域中不再屬于新區(qū)域的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

3  跟蹤目標(biāo)需要考慮的問題

當(dāng)前的目標(biāo)跟蹤算法主要是針對不同環(huán)境下的單個(gè)目標(biāo)跟蹤，如何以最低的能量代價(jià)高效地融合有效的信息是各種算法的核心問題。

3.1跟蹤精度

在目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤常見算法中，目標(biāo)的計(jì)算位置與實(shí)際位置間不可避免地存在誤差。提高跟蹤的精確度更有利于實(shí)際的應(yīng)用以及實(shí)際的需要，但是并不意味著精度越高就越好。若要提高目標(biāo)跟蹤精確度，必然需要融合較多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這就會(huì)帶來較高的能量開銷。實(shí)際中需根據(jù)對結(jié)果精確度的要求和能量消耗等各方面進(jìn)行綜合考慮。

3.2跟蹤能量消耗

由于用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跟蹤目標(biāo)大都應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境，節(jié)點(diǎn)的能量消耗是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。因而要求傳感器節(jié)點(diǎn)不但能儲(chǔ)備能量(電池)，還要根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場蓄能(太陽能)。跟蹤過程中選擇合適的節(jié)點(diǎn)參與跟蹤需要考慮該節(jié)點(diǎn)的通信能量消耗、感測能量消耗和計(jì)算能量消耗，其中通信能量消耗是最主要的部分[5]。在設(shè)計(jì)考慮跟蹤算法時(shí)要綜合平衡考慮這幾種能量消耗，找到合適的比重，以滿足較低的能量消耗，從而延長節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的壽命。

3.3跟蹤的可靠性

網(wǎng)絡(luò)可靠性差對跟蹤目標(biāo)有很大影響，當(dāng)前應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤方法主要有集中式和分布式。集中式方法要求所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在探測到目標(biāo)后都要向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)回探測結(jié)果，不但引入的通信開銷大，而且計(jì)算開銷也增加很多，這樣網(wǎng)絡(luò)的可靠性下降很快。分布式方法是一種較好的選擇，但是也要充分考慮跟蹤方法的魯棒性，能適應(yīng)環(huán)境的變化，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

4  結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其靈活性、成本低、易于布置等特性，在目標(biāo)探測跟蹤領(lǐng)域會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤涉及目標(biāo)檢測、定位、運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測、預(yù)警等重要問題。在研究過程中需綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)的自治性、低存儲(chǔ)和計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳送的魯棒性、通信延遲、可靠性等特點(diǎn)深入思考，并要在節(jié)省能耗、增大測量精度、延長生存期等性能指標(biāo)的提高上進(jìn)行更深入的研究。

5  參考文獻(xiàn)

[1]LiuJ,Cheung P, Zhao F, Guibas L. A dual-space approach to tracking and sensor management in wireless sensor networks. Palo Alto Research Center Technical Report P2002-10077, March, 2002. Also in: Proc 1st ACM Int’1 Workshop on Wireless Sensor Network and Applications, Atlanta, GA. 2003. 131-139.

[2]MechitovK,Sundresh S, Kwon Y, Agha G. Cooperative tracking with binary-detection sensor networks. In: Proc 1st Int’1 Conf on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys’03), Los Angeles, CA, November 5-7, 2003.

[3]ZhaoF,Shin J, Reich J. Information-driven dynamic sensor collaboration for tracking applications. IEEE Signal Processing Magazine, March 2002.

[4]ZhangWS, Cao G H. DCTC: Dynamic convey tree-based collaboration for target tracking in sensor networks. IEEE Transactions on Wireless Communication, 2004, 3(5).

[5]PattemS,Poduri S, Krishnamachari B. Energy-quality tradeoffs for target tracking in wireless sensor networks. In: Proc 2nd Workshop on Information Processing in Sensor Networks (IPSN 2003), April 2003.

作者簡介：

劉博，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院在讀碩士研究生，本科畢業(yè)于南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。