194 lines
9.9 KiB
TeX
194 lines
9.9 KiB
TeX
\section{问题三：全向多源的覆盖搜索与滚动调度}
|
||
\subsection{统一时间目标与任务状态}
|
||
按式~\eqref{eq:time} 的计时记账，优化目标是在全部源清除的约束下最小化虚拟耗时 $T$。
|
||
题目统计的平均定位清除时间是 $\bar T=T/N_c^+$；
|
||
不能用每次清除动作的固定 $5$ s 代替。
|
||
清除请求中的频道是目标频道，不改变测向机频道；
|
||
进入与退出均不增加虚拟时间，因此路径终点自由，无需返回原点。
|
||
|
||
各频道的状态按“未知、已发现、可清除、已清除、已证无源”管理。
|
||
首次获得 $\direction$ 或 $\near$ 即确立该频道存在源。
|
||
几何证书仅决定能否清除，成功响应才将状态改为已清除。
|
||
无源频道必须有覆盖或候选集排空的证据，不能由连续几次无信号直接推断。
|
||
|
||
\subsection{七点覆盖的解析证明}
|
||
取站点集合
|
||
\begin{equation}
|
||
S(a)=\{(0,0)\}\cup
|
||
\left\{a\left(\cos\frac{k\pi}{3},\sin\frac{k\pi}{3}\right):k=0,\ldots,5\right\}.
|
||
\label{eq:seven}
|
||
\end{equation}
|
||
\begin{proposition}[七点全向覆盖]
|
||
当 $0<a/\sqrt3\le R$ 时，任意 $g\in\Omega$ 到最近站点的距离不超过
|
||
\begin{equation}
|
||
D_{\mathrm{cov}}(a)=
|
||
\max\left\{\frac a{\sqrt3},\
|
||
\sqrt{R^2+a^2-\sqrt3Ra}\right\}.
|
||
\label{eq:coveragebound}
|
||
\end{equation}
|
||
\end{proposition}
|
||
\begin{proof}
|
||
设 $g$ 距原点为 $r$，其方位与最近环站的夹角不超过 $\pi/6$。
|
||
若 $r\le a/\sqrt3$，选取原点即可。
|
||
若 $r\ge a/\sqrt3$，由余弦定理，距最近环站的平方不超过
|
||
$r^2+a^2-\sqrt3ar$。
|
||
该凸二次式在 $[a/\sqrt3,R]$ 上的最大值于端点取得，
|
||
分别为 $a^2/3$ 与 $R^2+a^2-\sqrt3aR$。
|
||
\end{proof}
|
||
当前 \texttt{bayes} 策略取 $a=1159.7$ m，
|
||
由式~\eqref{eq:coveragebound} 得 $D_{\mathrm{cov}}=984.539136$ m，
|
||
比最小接收半径小约 $15.461$ m。
|
||
因此每个合法全向源至少在一站可被接收。
|
||
某频道在七站全部为无信号，就构成该频道不存在源的严格证据。
|
||
覆盖账本以“站点、频道”为索引，路过站点并不等于已检测该频道。
|
||
|
||
\begin{figure}[htbp]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width=0.42\linewidth]{geo-q3-seven-point-coverage.png}
|
||
\caption{七点全向覆盖构造。站点取自配置参数 $a=1159.7$ m，
|
||
圆圈为 $1000$ m 接收盘，最差点位于 $(0,-1825)$ 附近，最坏距离 $\le984.539$ m。}
|
||
\label{fig:seven}
|
||
\end{figure}
|
||
|
||
顺次从原点访问六个环站的简单开放路线长为 $6a$，
|
||
但实际路线还包含定位与清除偏移，不能将 $6a/5$ 当作任务总耗时。
|
||
历史 $49$ 点方格与半径 $1200$ m 的七点批量策略仍保留在代码中作为对照；
|
||
本文不引用它们在自建场景中的性能数字，以保持实验数据来源一致。
|
||
|
||
\subsection{正负观测的双重候选表示}
|
||
每个已发现频道维护凸外包 $P_c^{\mathrm{out}}$。
|
||
$\direction$ 将候选集与 $\B(s,1500)$ 外切多边形及测向角域相交；
|
||
$\near$ 与 $\B(s,5)$ 外切多边形相交。
|
||
全向源的 $\sgnless$ 意味着
|
||
\begin{equation}
|
||
\norm{g-s}>r_{\mathrm{eff}}\ge1000,
|
||
\end{equation}
|
||
其排除圆盘会使候选集非凸，因此凸表示不直接扣除负观测圆盘，
|
||
而由另一套网格幸存集 $\mathcal G_c$ 处理。
|
||
|
||
网格边长为 $\ell=14.65$ m，每格中心与格内点的最大距离为
|
||
$\epsilon_g=\ell/\sqrt2$。初始保留所有可能与 $\Omega$ 相交的格，
|
||
按以下充分排除条件更新格心 $z$：
|
||
\begin{equation}
|
||
\begin{array}{ll}
|
||
\sgnless: & \norm{z-s}\le1000-\epsilon_g\ \Rightarrow\ \text{删除};\\
|
||
\near: & \norm{z-s}>5+\epsilon_g\ \Rightarrow\ \text{删除};\\
|
||
\direction: & \norm{z-s}>1500+\epsilon_g\ \Rightarrow\ \text{删除}.
|
||
\end{array}
|
||
\label{eq:gridupdate}
|
||
\end{equation}
|
||
方向观测另外检查角差。若 $d=\norm{z-s}>\epsilon_g$，
|
||
源所在格引起的方位偏差可由
|
||
$\arcsin(\epsilon_g/d)$ 上界；
|
||
实现使用更保守的距离内缩版本，并在测点附近不作方位删格。
|
||
只有角差超过 $\delta_{\mathrm{eff}}$ 加格内角裕量时才删除。
|
||
|
||
在上述整格排除条件下，真源所在格不会被合法观测删除。
|
||
因此幸存集为空可证明该频道不存在源。
|
||
若全部幸存格心均满足 $\norm{z-s}>1500+\epsilon_g$，
|
||
则在 $s$ 测量必无信号，且所有幸存格已在最小接收圆盘外，
|
||
该观测不能带来进一步排除，可跳过并在账本中记录推断依据。
|
||
这避免了为已知无信息的“站点、频道”对重复支付检测与换频时间。
|
||
|
||
\subsection{信息增益选点与清除证书}
|
||
问题二的算法2用于基线定位和安全后备；
|
||
默认 \texttt{BayesLoop} 采用幸存网格上的信息评分。
|
||
有安全盘时在其中生成环形候选，并增加与当前接近方向相关的候选；
|
||
无安全盘时在网格最小圆附近生成探索环。
|
||
当前位置也可参与评分，因而并非所有候选均具有算法2的接收保证。
|
||
对候选 $q$ 计算
|
||
\begin{equation}
|
||
J_{\mathrm{IG}}(q)=
|
||
\widehat{\mathbb E}\!\left[
|
||
\log\frac{|\mathcal G_c^{\,\mathrm{post}}(q,Y)|}{|\mathcal G_c|}
|
||
\right]
|
||
\lambda\left(\frac{\norm{p-q}}5+\frac{\norm{q-m_c}}5\right),
|
||
\label{eq:ig}
|
||
\end{equation}
|
||
其中 $\lambda=0.05$，空分支用正的小值截断。
|
||
较小的对数幸存比例意味着较大信息收益，移动项则限制为测量而产生的绕行。
|
||
评分最多取 $800$ 个子样本及 $7$ 个代表假设，
|
||
并以均匀 $r_{\mathrm{eff}}\in[1000,1500]$ 估计接收概率。
|
||
这里的“贝叶斯”体现对假设分支的加权决策，不等同于已知官方先验下的精确后验推断。
|
||
|
||
安全判断使用完整候选集合，而非上述评分样本。
|
||
凸候选集的清除判据为
|
||
\begin{equation}
|
||
\rho_c+b_c+0.5\le20,
|
||
\label{eq:clearpoly}
|
||
\end{equation}
|
||
其中 $b_c\ge0$ 为代码的累计附加余量。
|
||
凸多边形本身已外包真源，$\rho_c$ 是该实际多边形的包围半径；
|
||
$b_c$ 的具体记账近似不作为外包正确性的必要依据。
|
||
若负观测使网格更紧，也可使用
|
||
\begin{equation}
|
||
\rho_{\mathrm{grid}}+\epsilon_g+0.5\le20
|
||
\label{eq:cleargrid}
|
||
\end{equation}
|
||
的网格证书，其中 $\rho_{\mathrm{grid}}$ 为幸存格心的最小包围半径。
|
||
满足任一证书即可选择清除点。
|
||
若证书尚有余量，可将圆心向当前位置平移 $\Delta$，
|
||
只要 $\rho+\Delta$ 不超过证书允许半径，包含关系仍由三角不等式成立。
|
||
|
||
\subsection{开放路径上的滚动任务排序}
|
||
统一任务表包含三类任务：覆盖站的批量扫频、已发现源的定位测量、
|
||
已有证书的清除。站内检测优先使用测向机当前频道，减少不必要的第一次换频。
|
||
对任务序列 $\pi$，排序代价为
|
||
\begin{equation}
|
||
C(\pi)=\frac{\norm{p-q_{\pi_1}}}{5}
|
||
+\sum_{j=1}^{k-1}\frac{\norm{q_{\pi_j}-q_{\pi_{j+1}}}}5
|
||
+\sum_{j=1}^{k}t_{\pi_j}(c_{j-1}),
|
||
\label{eq:route}
|
||
\end{equation}
|
||
其中服务时间 $t_{\pi_j}$ 依赖进入任务时的频道，清除不改变该频道。
|
||
从最近邻初序开始，默认最多进行 $4$ 轮开放路径 2-opt 改进；
|
||
每次只执行当前序列的首任务，得到新观测后重新生成和排序。
|
||
这样新发现的源、收缩后的清除点和已证无源的频道都能及时改变路线。
|
||
当前未启用精确任务序动态规划及路线感知探点开关，
|
||
因此不将这些可选功能写为默认策略的既有性能来源。
|
||
|
||
已停靠位置可以顺带补测：要求此前未在该位置测过、距离保证成立、
|
||
尚无清除证书，且预测半径有足够收缩。一次机会测量仍支付检测和换频费用，
|
||
收益来自避免额外移动。同地测向误差固定，反复原地测量不能当作独立样本平均。
|
||
|
||
\subsection{算法三与完成条件}
|
||
\begin{algorithmblock}{算法3：七点覆盖、网格更新与滚动调度（对应 algo-3）}
|
||
\textbf{输入：}题设参数、七站计划、合法观测接口。\quad
|
||
\textbf{输出：}逐频道处理状态与会话统计。
|
||
\begin{enumerate}[leftmargin=2em,itemsep=1pt,topsep=4pt]
|
||
\item 检验七点解析覆盖界，初始化频道状态、覆盖账本和网格幸存集。
|
||
\item 进入后同步记录位置、频道及剩余现实预算，必要时执行有信息的机会测量。
|
||
\item 构建覆盖、定位和清除任务；跳过能够证明无信息的检测。
|
||
\item 按最近邻与开放路径 2-opt 排序，执行首任务，更新候选集和频道状态。
|
||
\item 若出现清除证书，安排清除；清除失败后先补充观测，不直接宣称完成。
|
||
\item 若已清除 $16$ 个源，或每个频道均已清除或有严格无源证据，则退出。
|
||
否则返回步骤2；预算不足或异常时退出并报告未解决频道。
|
||
\end{enumerate}
|
||
\end{algorithmblock}
|
||
“清除数达到 $16$”利用题设数量上界；
|
||
“发现并清除 $10$ 个”只达到数量下界，不能作为完成证明。
|
||
对任意已存在的 $16$ 个不同频道，也可提前排除其余未知频道，
|
||
但已发现而未清除的源仍必须继续处理。
|
||
|
||
覆盖证明保障发现，清除证书保障单次动作的正确性，
|
||
两者均不自动保证在有限预算内完成全部定位。
|
||
当前每轮追加有效定位测量上限为 $8$；
|
||
停滞、协议异常或预算耗尽时应如实报告未完成。
|
||
程序以接口返回的现实预算为准，并预留退出时间，
|
||
实际计时在整数微秒状态上累计，避免用实机运行秒数代替虚拟动作耗时。
|
||
|
||
\subsection{运行过程示例}
|
||
图~\ref{fig:replay3} 回放一局全向演练（案例 \texttt{BBM9-HZG2-77N5-NKKC}，$10$ 个源）：
|
||
左图为移动轨迹、检测示向度与已清除频道，右上方为事件流水，
|
||
下方为虚拟时间轴上的检测与清除时刻。
|
||
该局说明覆盖扫描、定位测量与清除三类任务的交替关系，
|
||
以及为接收向外发射的源而短时越出 $\Omega$ 边界的路径形态；它属于演练留档，不计入正式成绩。
|
||
|
||
\begin{figure}[htbp]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width=0.85\linewidth]{replay-webui-q3-omnidirectional.png}
|
||
\caption{全向源演练局（\texttt{BBM9-HZG2-77N5-NKKC}）的运行回放。
|
||
该局为演练案例，非正式测试记录。}
|
||
\label{fig:replay3}
|
||
\end{figure}
|