一种WSN逻辑型感知需求的验证方法与流程

本发明涉及一种验证方法，特别指一种wsn逻辑型感知需求的验证方法。

背景技术：

wsn是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。wsn是以数据为中心的网络，因此，wsn对环境对象的感知能力，是衡量其优劣的重要指标。

目前，对wsn环境感知能力的研究，主要从覆盖范围的角度展开，即wsn能够采集信息的物理区域。从传感器的部署方式和感知模型的角度，研究人员对多种类型的覆盖问题进行了研究，寻求最优的部署方式，即以尽量少的传感器和能耗，可靠地感知尽量大的物理区域。然而存在有如下问题：wsn对环境对象的感知能力，同样受到传感器调度策略的影响，覆盖范围并不能反映出环境对象之间的被感知顺序。在传感器调度策略的影响下，满足覆盖范围要求的wsn，未必能够采集到满足逻辑约束的环境数据。

出于能效比方面的考虑，传感器通常不会、也不必一直处于活动状态，wsn调整传感器状态，间歇或周期性地对环境数据进行采集和传输的策略就是传感器的调度策略。由于调度策略的影响，即使多个wsn的传感器数量、规格和部署方式都完全一致，在感知能力上也会存在差异。当传感器及被感知的环境对象的数量较多，且两者之间的感知关系较为复杂时，就需要一套系统、精确的方法来进行分析与验证。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种wsn逻辑型感知需求的验证方法，通过该验证方法来验证wsn的传感器调度策略，能否满足wsn的逻辑型感知需求。

本发明是这样实现的：一种wsn逻辑型感知需求的验证方法，所述方法包括如下步骤：

步骤s10、将wsn的传感器调度策略描述为感知格局变迁系统；

步骤s20、将逻辑型感知需求描述为感知时态逻辑公式；

步骤s30、将感知格局变迁系统转化为uppaal的系统建模语言，将感知时态逻辑公式转化为uppaal的性质描述语言，并使用uppaal自动验证传感器调度策略是否满足感知需求。

进一步地，所述步骤s10中，所述感知格局变迁系统具体为：

定义感知格局变迁系统spts＝(n,v,r,s,l,d)，其中spts为一个六元数组，n表示传感器元集合，v表示环境元集合，r表示感知关系，s表示感知格局集合，l表示变迁标号集合，d表示变迁集合；

n＝{ni|ni∈{active,inactive},0≤i＜k}，其中ni表示第i个传感器元，i为整数，k为正整数；active表示传感器元处于工作状态，inactive表示传感器元处于休眠状态；

v＝{vj|0≤j＜m}，其中vj表示第j个环境元，j为整数，m为正整数；

r＝{＜ni,vj＞|ni∈n,vj∈v}，其中＜ni,vj＞表示传感器元对环境元的感知情况；

s＝{＜n0,n1,…,ni＞|ni∈n}，其中＜n0,n1,…,ni＞表示对所有传感器元当前工作状态的描述；

l＝{{ni←x|ni∈n,x∈{active,inactive}}}，其中ni←x表示传感器元工作状态的变化；

其中符号×表示集合的笛卡尔积；s表示感知格局，s'表示变迁后的感知格局，s,s'∈s；l表示变迁标号，l∈l；s(n)表示传感器元n在感知格局s中的取值，s'(n)表示传感器元n在变迁发送后在感知格局s'中的取值。

进一步地，所述步骤s20中，所述感知时态逻辑公式具体为：

定义感知谓词sense(vj)，其中vj∈v，表示环境元vj是否被感知；感知谓词是感知时态逻辑的原子公式；感知谓词的真值与感知格局有关。在感知格局s中，vj＞∈r:s(ni)＝active；

感知时态逻辑的合式公式定义如下：

(1)感知谓词是合式公式。

(2)若f1和f2是合式公式，则f1∨f2、f1∧f2、f1→f2、也是合式公式。

(3)若f是合式公式，则□f、◇f也是合式公式。

(4)若f是合式公式，则af、ef也是合式公式。

(5)当且仅当有限次地使用(1)～(4)所形成的符号串是合式公式；

若感知时态逻辑公式f在感知格局s下的真值为true，则记为：s|＝f，否则记为：s|≠f；

含连接词的合式公式，其真值只与感知格局有关：

(1)

(2)s|＝f1∨f2iffs|＝f1∨s＝f2，

(3)s|＝f1∧f2iffs|＝f1∧s＝f2，

(4)s|＝f1→f2iffs|＝f1→s＝f2，

(5)

其中，符号∨、∧，→，为感知时态逻辑的连接词，表示非，∨表示或，∧表示与，→表示蕴含，表示等价；符号□、◇为感知时态逻辑的时态算子，□表示所有格局，◇表示某个格局；符号a、e为感知时态逻辑的路径量词，a表示所有路径，e表示某个路径；

包含时态算子的感知时态逻辑公式，其真值与感知变迁路径有关；

定义感知变迁路径p＝＜s0,l0,s1,l1,s2,…,li,si＞,si∈s,li∈l，感知变迁路径是感知格局和变迁标号交替出现的序列；

对于感知变迁路径p＝＜s0,l0,s1,l1,s2,…,li,si＞：

(1)

(2)

含有路径量词的合式公式，其真值与多条感知变迁路径有关。对于感知变迁路径集合p：

(1)

(2)

进一步地，所述步骤s30中，所述将感知格局变迁系统转化为uppaal的系统建模语言具体为：

步骤s31、计算环境元感知真值表，具体为：从感知格局中找到所有值为active的传感器元n，若存在＜ni,vj＞∈r，则对应的环境元vj的感知情况记为true，其余的环境元的感知情况记为false，用符号tab(si,vj)表示感知格局si中，环境元vj的被感知情况；

步骤s32、为每个感知格局创建一个时间自动机状态，确定初始感知格局对应的时间自动机状态为初始状态，初始感知格局记为s0，时间自动机的初始状态记为q0，时间自动机为uppaal的一个模块；

步骤s33、为每个环境元定义一个布尔型的环境元变量，即对于环境元集合v＝{vj|0≤j＜m}，定义布尔型的环境元变量数组envent[m]，初值为环境元感知真值表中，初始格局对应的列，即

表示初始感知格局中，环境元被感知的话，环境元变量取值为true，否则取值为false；

步骤s34、利用变迁集合创建时间自动机状态之间的迁移，即对每一个＜si,l,si'＞∈d，创建一个q到q'的迁移，其中q为si对应的状态，q'为si'对应的状态；

步骤s35、为每一个变迁标号定义一个由赋值语句构成的变迁函数label，用于修改环境元变量的值，具体为：对于l以及＜si,l,si'＞，若tab(si,vj)≠tab(si',vj)，则在l对应的变迁函数中，将envent[j]的值修改为tab(si',vj)对应的值。

进一步地，所述步骤s30中，所述将感知时态逻辑公式转化为uppaal的性质描述语言具体为：

在uppaal的性质描述语言中，将感知谓词sense(vj)转化为envent[i]＝true。

本发明的优点在于：

1、将wsn的传感器调度策略描述为感知格局变迁系统，更好地描述传感器传感器元的调度策略以及传感器元对环境元的感知情况，更好地表达环境元被感知的顺序以及相互之间的关系，较为全面地反应出传感器调度策略的内涵以及外延。

2、对感知时态逻辑公式中的感知谓词进行设计，提出了“环境元被感知”的逻辑定义，使得wsn的逻辑型感知需求能够用时态逻辑公式表达。

3、将感知格局变迁系统和感知时态逻辑公式转化为uppaal的建模语言，使得逻辑型感知需求可以通过uppaal进行验证，提高了验证的自动化程度，降低了技术应用的门槛。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是本发明的实施例中轮询式调度策略的示意图。

图2是本发明的实施例中感知格局变迁系统的示意图。

图3是本发明中uppaal的工作原理的示意图。

图4是本发明中uppaal的系统建模语言的示意图。

图5是本发明的实施例中的感知格局变迁系统的状态示意图。

图6是本发明的实施例中的感知格局变迁系统的状态迁移示意图。

图7是本发明的实施例中的感知格局变迁系统用uppaal的建模语言进行完整描述的示意图。

图8是本发明的实施例中的验证结果图。

具体实施方式

请参照图1至图8所示，本发明一种wsn逻辑型感知需求的验证方法的较佳实施例，包括如下步骤：

步骤s10、将wsn的传感器调度策略描述为感知格局变迁系统；

步骤s20、将逻辑型感知需求描述为感知时态逻辑公式；

步骤s30、将感知格局变迁系统转化为uppaal的系统建模语言，将感知时态逻辑公式转化为uppaal的性质描述语言，并使用uppaal自动验证传感器调度策略是否满足感知需求；uppaal是由瑞典uppsala大学和丹麦aalborg大学的研究人员共同研发的模型检测工具，对于待验证的系统，要使用uppaal的系统建模语言(即扩展的时间自动机)进行描述。而期望的系统性质，则使用简化的ctl逻辑公式进行描述。将两者输入uppaal的验证器，uppaal可以自动验证系统模型是否满足给定的逻辑公式。

所述步骤s10中，所述感知格局变迁系统具体为：

定义感知格局变迁系统spts＝(n,v,r,s,l,d)，其中spts为一个六元数组，n表示传感器元集合，v表示环境元集合，r表示感知关系，s表示感知格局集合，l表示变迁标号集合，d表示变迁集合；感知格局变迁系统用于对wsn的传感器调度策略进行建模，感知格局变迁系统是一个有限状态的变迁系统，将环境元与传感器元关联，并通过对传感器元的状态进行描述，来表达wsn对环境元的感知情况，从而描述wsn的传感器元的调度策略；

n＝{ni|ni∈{active,inactive},0≤i＜k}，其中ni表示第i个传感器元，i为整数，k为正整数；active表示传感器元处于工作状态，inactive表示传感器元处于休眠状态；n表示所有的传感器元处于工作状态或休眠状态，且所有传感器元组成传感器元集合；

v＝{vj|0≤j＜m}，其中vj表示第j个环境元，j为整数，m为正整数；v表示wsn覆盖的环境元组成环境元集合；

r＝{＜ni,vj＞|ni∈n,vj∈v}，其中＜ni,vj＞表示传感器元对环境元的感知情况；r表示传感器元对环境元的感知情况合集；

s＝{＜n0,n1,…,ni＞|ni∈n}，其中＜n0,n1,…,ni＞表示对所有传感器元当前工作状态的描述；s表示对各时段所有传感器元当前状态的描述合集；

l＝{{ni←x|ni∈n,x∈{active,inactive}}}，其中ni←x表示传感器元工作状态的变化；l表示传感器元工作状态的变化合集，即传感器元调度操作合集；

其中符号×表示集合的笛卡尔积；s表示感知格局，s'表示变迁后的感知格局，s,s'∈s；l表示变迁标号，l∈l；s(n)表示传感器元n在感知格局s中的取值，s'(n)表示传感器元n在变迁发送后在感知格局s'中的取值；d表示感知格局之间的变迁合集。

参考图1轮询式调度策略示意图，表示一个部署在6个区域(矩形)的wsn，它由6个传感器元(椭圆形)构成，每个传感器元部署在一个区域中，该轮询策略可以描述为一组对传感器元的状态的逻辑约束：

(1)当传感器n0在感知环境元时，n1和n5也要能感知环境元。

(2)当传感器n1在感知环境元时，n0、n2和n4也要能感知环境元。

(3)当传感器n2在感知环境元时，n1和n3也要能感知环境元。

(4)当传感器n3在感知环境元时，n2和n4也要能感知环境元。

(5)当传感器n4在感知环境元时，n1、n3和n5也要能感知环境元。

(6)当传感器n5在感知环境元时，n0和n4也要能感知环境元。

此时感知格局变迁系统spts＝(n,v,r,s,l,d)的各数组表示如下：

n＝{n0,n1,n2,n3,n4,n5}，

v＝{v0,v1,v2,v3,v4,v5}，

r＝{＜n0,v0＞,＜n1,v1＞,＜n2,v2＞,＜n3,v3＞,＜n4,v4＞,＜n5,v5＞}，

d＝{＜s0,l0,s1＞,＜s1,l1,s2＞,＜s2,l2,s3＞,＜s3,l3,s4＞,＜s4,l4,s5＞,＜s5,l5,s0＞}。

6个传感器元变迁参考图2。

所述步骤s20中，所述感知时态逻辑公式具体为：

定义感知谓词sense(vj)，其中vj∈v，表示环境元vj是否被感知；感知谓词是感知时态逻辑的原子公式；感知谓词的真值与感知格局有关。在感知格局s中，vj＞∈r:s(ni)＝active；

感知时态逻辑的合式公式定义如下：

(1)感知谓词是合式公式。

(2)若f1和f2是合式公式，则f1∨f2、f1∧f2、f1→f2、也是合式公式。

(3)若f是合式公式，则□f、◇f也是合式公式。

(4)若f是合式公式，则af、ef也是合式公式。

(5)当且仅当有限次地使用(1)～(4)所形成的符号串是合式公式；

若感知时态逻辑公式f在感知格局s下的真值为true，则记为：s|＝f，否则记为：s|≠f；

含连接词的合式公式，其真值只与感知格局有关：

(1)

(2)s|＝f1∨f2iffs|＝f1∨s＝f2，

(3)s|＝f1∧f2iffs|＝f1∧s＝f2，

(4)s|＝f1→f2iffs|＝f1→s＝f2，

(5)

其中，符号∨、∧，→，为感知时态逻辑的连接词，表示非，∨表示或，∧表示与，→表示蕴含，表示等价；符号□、◇为感知时态逻辑的时态算子，□表示所有格局，◇表示某个格局；符号a、e为感知时态逻辑的路径量词，a表示所有路径，e表示某个路径；

包含时态算子的感知时态逻辑公式，其真值与感知变迁路径有关；

定义感知变迁路径p＝＜s0,l0,s1,l1,s2,…,li,si＞,si∈s,li∈l，感知变迁路径是感知格局和变迁标号交替出现的序列；

对于感知变迁路径p＝＜s0,l0,s1,l1,s2,…,li,si＞：

(1)

(2)

含有路径量词的合式公式，其真值与多条感知变迁路径有关。对于感知变迁路径集合p：

(1)

(2)

针对图1提出的一组对传感器元的状态的逻辑约束，可以用感知时态逻辑依次描述如下：

(1)a□sense(v0)→sense(v1)∧sense(v5)，

(2)a□sense(v1)→sense(v0)∧sense(v2)∧sense(v4)，

(3)a□sense(v2)→sense(v1)∧sense(v3)，

(4)a□sense(v3)→sense(v2)∧sense(v4)，

(5)a□sense(v4)→sense(v1)∧sense(v3)∧sense(v5)，

(6)a□sense(v5)→sense(v0)∧sense(v4)。

逻辑公式是形式化方法描述系统性质的常用方法。时态逻辑是模态逻辑的分支，它的模型由多个状态构成。与命题逻辑和谓词逻辑不同，在给定的模型下，时态逻辑公式的真值不是固定的，而是随着模型状态的变迁而改变。根据状态变迁过程中是否可以存在分支，时态逻辑可以分为线性时态逻辑和分支时态逻辑两类。由于分支时态逻辑具有更强的描述能力，因此以分支时态逻辑为基础，定义感知时态逻辑。

所述步骤s30中，所述将感知格局变迁系统转化为uppaal的系统建模语言具体为：

步骤s31、计算环境元感知真值表，具体为：从感知格局中找到所有值为active的传感器元n，若存在＜ni,vj＞∈r，则对应的环境元vj的感知情况记为true，其余的环境元的感知情况记为false，用符号tab(si,vj)表示感知格局si中，环境元vj的被感知情况；

环境元感知真值表格式如表1：

表1：环境元感知真值表格式

步骤s32、为每个感知格局创建一个时间自动机状态，确定初始感知格局对应的时间自动机状态为初始状态，初始感知格局记为s0，时间自动机的初始状态记为q0，时间自动机为uppaal的一个模块；

步骤s33、为每个环境元定义一个布尔型的环境元变量，即对于环境元集合v＝{vj|0≤j＜m}，定义布尔型的环境元变量数组envent[m]，初值为环境元感知真值表中，初始格局对应的列，即

表示初始感知格局中，环境元被感知的话，环境元变量取值为true，否则取值为false；

步骤s34、利用变迁集合创建时间自动机状态之间的迁移，即对每一个＜si,l,si'＞∈d，创建一个q到q'的迁移，其中q为si对应的状态，q'为si'对应的状态；

步骤s35、为每一个变迁标号定义一个由赋值语句构成的变迁函数label，用于修改环境元变量的值，具体为：对于l以及＜si,l,si'＞，若tab(si,vj)≠tab(si',vj)，则在l对应的变迁函数中，将envent[j]的值修改为tab(si',vj)对应的值。

所述步骤s30中，所述将感知时态逻辑公式转化为uppaal的性质描述语言具体为：

感知时态逻辑公式与uppaal的性质描述语言都是以时态逻辑为基础进行的扩展，因此较为接近，只需修改原子公式的定义。具体为：在感知时态逻辑中，原子公式是感知谓词sense(vj)，其真值决定于环境元vj是否被感知，因此，在uppaal的性质描述语言中，将感知谓词sense(vj)转化为envent[i]＝true，感知时态逻辑公式的其它部分不需要做修改。

本发明将感知格局变迁系统和感知时态逻辑公式转化为uppaal的建模语言并验证的实施例：

步骤一、

建立环境元感知真值表，见表2：

表2：环境元感知真值表

从表中可知，s0＝＜active,inactive,inactive,inactive,inactive,inactive＞时，只有n0＝active，在感知关系中，只存在＜n0,v0＞，因此在表2的s0列中，只有tab(s0,v0)＝true。

创建时间自动机状态：

对每一个感知格局创建一个时间自动机状态，确定s0为初始感知格局，q0为初始状态，时间自动机状态参考图5。

定义环境元变量初值：envent[6]＝{true,false,false,false,false,false}。

创建状态迁移：

为变迁集合的每一个变迁创建对应的状态迁移，在uppaal中将所有的状态属性设置为“urgent”(图示为弧形)，从而使系统不会停留在某个状态，状态迁移见图6。

定义变迁函数：

为变迁标号创建对应的变迁函数label_t()，其中t为大于等于0的整数；例如从s0到s1有两个环境元的感知情况发生了变化，函数定义如下：

加入变迁函数的时间自动机见图7。

定义感知函数：

为了便于表达感知谓词sense(vj)，将其定义为感知函数：

boolsense(intj){

returnenvent[j]；

}

步骤二、

将上述内容输入uppaal中。

步骤三、

将感知时态逻辑公式中的数学符号一一转换为uppaal中相同功能的符号，并输入期望的系统属性中；

例如将a□sense(v1)→sense(v0)∧sense(v2)∧sense(v4)，

转换为a[](p.sense(1)imply(p.sense(0)andp.sense(2)andp.sense(4)))。

步骤四、

利用uppaal的验证器进行验证，仿真结果见图8，验证器检测到模型中不满足该性质的执行轨迹，在模拟器中生成，从图8中可看出在状态q1时，envent[1]值为true(模拟器用1表示)，而envent[0]、envent[2]、envent[4]值为false(模拟器用0表示)，即当传感器n1在感知环境元时，n0、n2和n4不能感知环境元，因此该执行轨迹不满足期望的系统属性。

综上所述，本发明的优点在于：

1、将wsn的传感器调度策略描述为感知格局变迁系统，更好地描述传感器传感器元的调度策略以及传感器元对环境元的感知情况，更好地表达环境元被感知的顺序以及相互之间的关系，较为全面地反应出传感器调度策略的内涵以及外延。

2、对感知时态逻辑公式中的感知谓词进行设计，提出了“环境元被感知”的逻辑定义，使得wsn的逻辑型感知需求能够用时态逻辑公式表达。

3、将感知格局变迁系统和感知时态逻辑公式转化为uppaal的建模语言，使得逻辑型感知需求可以通过uppaal进行验证，提高了验证的自动化程度，降低了技术应用的门槛。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。