路边停车检测物联网系统网关部署与调度算法研究

作     者：郭小红 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张足生

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0838[工学-公安技术] 

主      题：智能交通 物联网 停车检测 网关部署 网关调度 

摘      要：随着城市化进程的加速,车辆保有量逐年攀升,停车难问题变得越来越严重。基于物联网的智慧路边停车管理系统可实时监控停车位的状态及停车时长,可用于停车诱导、停车计费、反向寻车及违规停车检测等,是缓解停车难问题的重要途径之一。路边停车检测物联网依靠网关实现传感器节点和远程服务器的双向连接,网关的合理部署与调度是保证网络连通性的关键。然而,网关的部署和调度研究还存在以下问题:1)在路边停车检测物联网中,网关部署位置受限(通常部署在路边灯柱上),另外网关覆盖对象——传感器节点沿道路呈线状分布且位置已知,已有部署算法大都没有考虑这类特征,不能较好地适用于路边停车场景,导致网关部署的覆盖冗余过多。2)在路边停车检测物联网中,停车位状态的变化会影响传感器节点和网关之间的通信链路。由于网关和传感器节点之间的通信链路容易受车辆(车辆可看成是大型的金属物体)干扰,当停车位从空闲变为占用时,传感器节点可通信的网关数量会减少,而当停车位从占用变为空闲时,传感器节点可通信的网关数量会增加。现有的网关调度算法没有考虑这一特征,导致传感器节点可通信的网关数量减少时无法保证所有的传感器节点被网关连接,以及传感器节点可通信的网关数量增加时网关的能耗较高,负载过重。本文针对上述问题开展研究工作:(1)研究路边停车检测物联网系统网关部署算法。针对路边停车检测物联网网关部署中传感器节点呈线状分布且地理位置已知、网关部署位置受限(通常部署在路边灯柱上)的特性,首先将该网关部署问题建模为集合覆盖问题,然后,提出了一种线状部署算法,将路网中的传感器节点和网关候选点转换成线性序列,采用按序迭代搜索策略,减少覆盖冗余,保证传感器节点全覆盖的同时寻求最小网关集合,以降低部署成本。最后,与多个已有算法进行对比实验,结果表明线状部署算法在不同规模传感器下比其他算法平均降低部署成本7.05%,降低覆盖冗余3.95%,时间复杂度平均降低99.3%。(2)研究路边停车检测物联网系统网关调度算法。针对路边停车检测物联网网关调度中停车位状态变化对传感器节点可通信的网关数量的影响,提出了一种遗传调度算法,通过改进的遗传算法优化网关能耗和平衡网关负载,动态调度网关与传感器节点的连接关系。具体的改进:a)采用了启发式算法来初始化种群,以确保每个个体都满足传感器节点全部连接到网关的要求;b)对于不满足全连接的个体,进行修补操作,以使它们达到全连接的要求。这样可以减少种群中不合格的个体数量,从而提高算法的性能和搜索效率。最后,与已有算法进行对比实验,结果表明遗传调度算法能有效地降低5.6%的网关能耗,均衡网络负载,提高29.3%的网关生存周期。(3)设计一个基于地理信息系统GIS(Geographic Information System)的网关部署和调度系统,该系统利用实际采集的网关和传感器节点信息,基于上述两个研究内容提出的网关部署和调度算法,实现了实际场景下可用的网关部署和调度系统。