文 / 苟胜难 乐山师范学院计算机科学学院，四川 乐山 614004)
摘 要：研究水下作业监控及救援问题。针对传统的水下作业监测系统中的终端节点不便携带，网络部署和维护成本高，难以自适应采集监控区域内各种水下作业数据和实时预警并实施水下救援等问题，分布式多传感异步网络提出了一种实时水下作业监测及应急救援的物联网技术。以监测分簇为单位构建异步通信网络，部署不同类型的传感器终端节点如温度、湿度、噪声传感器等，基于分布式传输技术针对不同性质的水下作业采集各种类型的水下作业环境和人员定位数据，同时根据监测数据对水下作业人员建立危险预警机制。仿真结果和分析表明，物联网技术对各种类型水下作业实施监测及实现远程数据判读，具有高可靠性的实时预警，并有效地增强了监控网络的生存周期。
关键字：物联网; 水下作业; 分布式传感器网络; 应急救援
随着水下传感器节点技术［1］，无线通信技术和水下分布式传感网技术［2］的发展，水下通信的重要性越来越大而且应用广泛［3］，成为国内外研究热点之一，并已取得一定的研究成果如基于 RFEC 的水声传感网技术［4］，水下无线混合传感网技术［5］，基于移动 Beacons 的水下传感网定位技术［6］，水下传感网节点终端设计方案［7］，水声传感网移动定位方案［8］等。
但是以上研究成果仍然存在一些不足。当簇头节点失效后如何避免监控盲区的出现问题在文献［4］和［5］中未作深入分析，文献［6 － 8］忽略了代理节点重构网络拓扑时的最佳路径选择问题。因此本文基于物联网技术，结合文献［7］的水下传感器节点模块构成和文献［8］的定位技术，提出了一种自适应实时可靠地水下作业监控及救援系统。该系统，基于分布式技术部署传感器节点，采用自组织方式构建网络拓扑，形成异步多传感网络，基于二维基准表进行移动代理节点最佳路径选择和移动管理，同时根据障碍函数法进行应急预警。分析结果表明该系统不仅提高了数据转发和汇聚效率而且有效降低了网络和移动代理节点能耗，延长了监控网络生命周期，增强了监控系统的鲁棒性。
本文水下监测的主要难点问题在于监测的准确性以及如何降低成本，本文采用了基于物联网技术加以研究，实验通过对物联网的吞吐量以及能量开销以及路由开销来衡量水下监测的精度优化，网络吞吐量越高，系统的能耗越高，这样水下监测的难度越大，造成开销大，实验结果证明了，具有高可靠性的实时预警且有效增强了监控网络的生存周期。
研究结合水下作业监控、作业人员定位跟踪和应急预警机制的物联网技术，可以降低节传统搜救方式成本、及时搜寻救助水下作业遇险人员和减少财产损失，挽救生命，因此具有重要意义。水下作业监控及其预警救援，一般而言需要解决如下问题: ①水下无线传感器终端通信距离与水深之间的关系可能会造成信号屏蔽。②传感器节点终端物理特性受到监控环境干扰，延迟大且通信性能不稳定。③传感器节点终端电池能量受限与水声通信需要较大通信发射功率的矛盾。④终端节点需要排除水下环境干扰，对作业人员准确定位并采集精准信息及时反馈给控制中心进行预警判读操作。
综上，采用物联网技术，在水下作业监测区域内给予分布式管理部署一定数量的多传感器，并在水面部署 GPS 基站，各分簇采用自组织方式形成网络拓扑; 然后采用移动代理节点根据梯度投影法选择最优路径，重构网络拓扑，为保证数据传输提供有效的实时性和可靠性。
基于物联网的水下作业监控模型，主要由四部分组成:用于采集各种类型的数据的水下传感器节点终端，水下簇头节点终端，水下移动代理节点，水上 GPS 基站和物联网控制中心。
各种可以采集水文信息，空气质量数据，光照强度信息，温度和湿度相关数据的传感器节点终端采用分布式部署在水下，基于自组织方式构成异步监控平台。此外，分簇区域内的多传感器节点终端采集到各种类型的水下作业监测数据后，转发给簇头节点终端［9］，或者可以转发给检测到的移动代理节点终端。此后簇头节点终端或移动代理节点终端对于收集到的数据汇聚、初步判读后转发至物联网控制中心。
传感器节点功能组成如图 1 所示，其中数据采集模块根据水下监控需求设定通信距离门限值，将数据转发给簇头节点，并具有不同等级的初步应急预警判读模块，及时将判读数据反馈给控制中心; 如果应急等级较高则优先发送给终端节点，这样就可以为水下作业人员提供高优先级的应急预警和控制中心实时救援预案。监测传感器节点终端。
水下作业监测及预警传感器节点终端根据控制中心监控及预警需求自适应调整节点功能模块、采用分布式部署和异步通信方式，工作流程描述如下:
1) 根据监控及预警需求启动相应类型数据采集模块并设定预警等级。
2) 收到簇头节点的警告信息后启动移动代理节点终端监测功能，并根据移动代理节点广播的最优路径重构网络拓扑，并将二位基准表发送给移动代理节点。
3) 当有数据发送时启动无线发射模块向簇头节点发送监控和预警判读数据，发送完毕则该模块进入睡眠状态，以节省节点终端能量;
4) 根据控制中心反馈的应急预警信息等级，向水下作业人员发送应急消息和预警方案否则转 2) 。
图 2 给出了基于物联网技术的水下作业监控及预警救援网络分布式部署情况。可以看出，监控区域由水下若干个分簇区域［7］和水上控制中心和 GPS 基站组成。簇头节点终端和移动代理节点终端与基站和控制中心同时建立无线连接。使用基于二维基准表的移动管理方案可以有效解决监测区域盲点的问题，避免因监控失效而带来的损失。
2.2 基于梯度投影法选择最优路径
在分簇内传感器节点终端与簇头节点终端通信距离保持一跳范围，一段时间后簇头节点终端缓存和转发大量数据，节点能量消耗很大，为了避免簇头节点终端失效造成的高成本维护和缩短监控网络寿命，当簇头节点剩余能量小于门限值则发起簇头节点竞选或采用移动代理节点，作为备用簇头节点进行数据接收和转发操作，因此选择一个最佳路由节约能耗和重构分簇网络拓扑是关键问题。
假设分簇内传感器节点终端根据自身剩余能量和单位时间内能耗实时建立二维基准表，然后基于梯度投影法［10］
选择最优路由，并据此构建移动管理方案，保持移动代理节点能及时替换待死亡的簇头节点并能够根据最优路径重构网络拓扑。根据梯度投影法中的罚函数结合乘子法根据最优性条件实现选择最优路径的梯度投影机制，工作流程描述如下:
步骤 1: 根据实际观测值建立初始化可行点向量 x( 0) ，允许门限误差 ε 大于 0 且 k = 0。
基于第 2 节的水下作业环境监测原理，本节根据梯度投影法中的障碍函数进行判读做出应急预警。
根据采集到的监控数据，计算 ak，满足如式( 1) 和( 2) 所示条件。同时结合 2. 2 节中的步骤 3 计算结果实现应急预警。
综合第 2 节和上述预警机制建立一种基于物联网的水下作业监测及预警系统，并给出其中的关键技术。该系统主要组成部分包括:
1) 根据监测区域内若干个无线分簇传感网之间根据簇头节点终端构建网络拓扑实现无线通信，要求簇头节点具有汇聚数据和初步数据解析处理等功能;
2) 每个传感器节点终端具备图 1 所示功能模块，包括采集模块，无线发射模块，定位监控模块，移动代理节点探测模块，路由竞选模块等组成。
3) 分簇内节点终端周期性向簇头节点发送二维基准表，根据梯度投影法结合时域和空域进行二维定位判读，并实时更新反馈给控制中心。
4) 控制中心的主要工作包括接收数据，二次判读采集信息和根据障碍函数法进行应急预警，并将各类重要信息和判读结果反馈给各簇头节点。此外，根据实际情况发起移动代理节点竞选簇头和重头网络拓扑操作。
采用 MATLAB 仿真实现如图 1 所示的水下作业监控及救援传感器节点终端模块的相应功能，针对图 2 所示的拓扑模型，根据步骤 1 至 5 进行最佳路由选择，结合式( 1) 和( 2)实现应急预警，对本文所提出的水下作业监控及救援系统( 记为 UMER_IOT) 在网络吞吐率、网络能效、路由开销、分组成功递交率和移动代理节点能效等方面进行性能分析。
水下监测区域范围设定为 1000 米* 1000 米，随机部署100 个传感器节点终端，一个分簇包括 20 个传感器节点终端，簇头节点终端通过竞争产生，水面设置 5 个 GPS 基站，1个控制中心，此外增加 10 个移动代理节点终端备用，共进行1000 秒实验。假设生水下监测传感器节点终端、簇头节点终端和移动代理节点终端使用相同的发射功率和有效无线通信距离。
传感器节点终端的数据无线发射模块中，链路带宽为1Mbps，无线广播时延是 2μs，网络负载为 1540 比特，所有确认和控制信息设为 400 比特且固定不变。
图 3 给出了该系统 1000 秒实验分析过程中的实验统计值与 EMUR_IOT 分析值在网络吞吐率上对比结果。发现，网络吞吐率随着通信量的增加在逐步增大，在 600 秒时出现下降，因为某些簇头节点剩余能量低于门限值失效停止转发数据出现监控盲区，而此时 EMUR_IOT 因为控制中心发起移动代理管理机制，由移动代理节点代理该簇头节点继续转发数据。
图4 为相应的网络能效分析对比情况。可以看出，在600 秒后某些簇头节点失效，不仅使得分簇内传感器节点终端难以传输数据，致使网络吞吐率下降( 如图 3 所示) ，而且使得此时能量使用效率急剧下降，这是因为此时这些簇头节点和分簇内传感器节点仍然试图发送和转发数据，但数据难以到达控制中心。然而 EMUR_IOT 通过移动代理管理机制有效地解决这个问题，仍然保持移动代理节点较高能效( 如图 5 所示) 和高可靠性( 如图 6 所示) 。
对于 EMUR_IOT 中所采用的基于梯度投影法五步骤的最佳路径选择算法的路由开销情况如图 7 所示。实验统计与 EMUR_IOT 的路由开销变化趋势基本相同，但是 EMUR_IOT 始终高于实验统计结果，这是因为在梯度投影法中设置了最优性条件避免了传感器节点终端有限无线资源的浪费。
本文提出了一种基于分布式多传感异步网络技术在水下和水面部署通信终端，并采用分簇技术的基于物联网技术的水下作业监控及救援预警系统。该系统可以根据水下监控区域的环境特征和水面通信情况通过若干个分簇构建网络拓扑，簇内节点终端和簇头间采用自组织方式实现信息共享和数据传输，每个水下传感器节点终端可以根据控制中心需要采集各种类型水下作业及人员信息; 此外加入若干移动代理节点终端采用基于二位基准表的能量感知的移动管理方案，可通过由控制中心发起地根据实时二维基准表采用梯度投影法的五步骤实现最优路径选择重构网络拓扑，为无线通信提供较高的鲁棒性。仿真结果和数学分析表明，该技术可以满足不同监控需求具有一定的应急预警和救援功能，可以提高高能效、高吞吐率和高可靠性。
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