專利名稱：一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)無線傳感器網絡和智能計算兩大領域，具體涉及一種工業(yè)無線傳 感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法。
背景技術：
隨著工業(yè)系統(tǒng)不斷大型化、復雜化，工業(yè)控制系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，其安裝、布線 成本也不斷增加。據統(tǒng)計2001年工業(yè)用傳感器市場份額為110億美元，而其安裝和使 用成本(主要是布線成本)超過1000億美元。因此，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)的低成本、易用等特征引起了工業(yè)界的廣泛關注，國際知名控制系統(tǒng)公 司，如愛默生、霍尼韋爾、通用電氣等均開展了工業(yè)無線傳感器網絡(Industrial Wireless Sensor Networks, IWSNs)技術的研發(fā)。IWSNs是由具有無線通訊與計算能力的傳感器節(jié) 點構成、部署在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境為某種工業(yè)應用提供解決方案的自組織分布式網絡智能系 統(tǒng)，是繼現(xiàn)場總線技術之后工業(yè)控制領域的一個熱點技術。IWSNs可以降低工業(yè)測控系統(tǒng) 成本，提高工業(yè)測控系統(tǒng)應用范圍和可靠性。愛默生公司在北美和歐洲幾個現(xiàn)場試驗的結 果證實，采用工業(yè)無線技術數(shù)據傳輸?shù)目煽啃栽?9%以上，而安裝成本比同等有線方案要 低90%。針對工業(yè)無線技術的巨大前景，美國能源部在2004年發(fā)布的“未來工業(yè)計劃”中指 出這種基于工業(yè)無線技術的低成本測控系統(tǒng)是實現(xiàn)到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5% 目標的主要手段，代表著工業(yè)自動化系統(tǒng)技術的發(fā)展方向。基于分簇結構的IWSNs中通常包含兩類節(jié)點傳感器節(jié)點和簇頭，其中傳感器節(jié) 點負責現(xiàn)場數(shù)據的采集，簇頭接收傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據并將數(shù)據整合發(fā)送給基站。 雖然IWSNs的主要組成部分也是無線傳感器節(jié)點，但是與一般的非工業(yè)IWSNs不同，IWSN的 傳感器節(jié)點部署與工業(yè)環(huán)境有關，需人工安裝到需要檢測的工業(yè)設備上，強調對指定點的 可靠檢測。相比于傳統(tǒng)有線網絡，一方面，IWSNs更容易受網絡拓撲、環(huán)境等因素的影響而 發(fā)生故障，實際應用中故障也不可避免。另一方面，IWSNs多跳的通訊方式也導致系統(tǒng)實時 性下降，工業(yè)實驗中顯示當跳步數(shù)超過6時數(shù)據的實時性將不能保證。IWSN作為控制系統(tǒng) 的重要組成部分，一旦其可靠性和實時性得不到保證將直接影響產品質量，甚至產生嚴重 事故，造成巨大經濟損失。因此對于大規(guī)模工業(yè)應用，特別是閉環(huán)控制應用，IWSN的可靠性 和實時性至關重要。另外，傳感器節(jié)點一般都采用電池供電，能量有限，在流程工業(yè)中的系統(tǒng)，一旦節(jié) 點能量耗盡，必須更換電池。如果部署設計不當，不同節(jié)點、簇頭的電池損耗差別過大，統(tǒng)一 更換會造成不必要的浪費，而根據實際電量則將導致頻繁地進行電池更換，這顯然會增大 網絡維護的工作量。為了便于管理、提高實時性，IWSN通常采用分簇結構，使簇內傳感器節(jié)點只與本簇 簇頭通訊，簇頭收集簇內節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據并通過其余簇頭以多跳的方式傳送到基站。為 了確?？赡苄?，需要為節(jié)點配置冗余簇頭，使得每個節(jié)點可與兩個簇頭通信(一用一備)，當 一個簇頭出現(xiàn)故障時可快速切換到備用簇頭使系統(tǒng)正常工作，保證系統(tǒng)的可靠性，同時，在工業(yè)應用中的系統(tǒng)，特別是大規(guī)模流程工業(yè)中的系統(tǒng)，需要檢測變量眾多，往往達上萬點， 因此，需要優(yōu)化部署簇頭以減少投資成本，簡化網絡結構，便于管理和維護。實際工業(yè)現(xiàn)場 中的設備占用一定的空間，也存在墻壁等其它障礙物，這些障礙物都會影響節(jié)點與簇頭間 的通訊，因此IWSNs最優(yōu)部署問題實際上是涉及一個帶多種約束的多目標優(yōu)化問題，即， IWSNs在滿足、優(yōu)化系統(tǒng)可靠性和實時性的約束下，實現(xiàn)系統(tǒng)構建成本和維護成本的最小 化。大規(guī)模工業(yè)無線傳感器網絡最優(yōu)部署方法是一類NP難問題，傳統(tǒng)的確定性優(yōu)化方法并 不能實現(xiàn)對這一類問題的高效求解。近年來，智能優(yōu)化算法在求解NP難問題時體現(xiàn)出比傳 統(tǒng)確定性優(yōu)化方法更大的優(yōu)勢，其中和聲搜索(Harmony Search, HS)算法優(yōu)良的全局搜索 能力和簡單易實現(xiàn)的特點引起了研究者的廣泛關注。和聲搜索算法是近幾年提出的一種新 的智能優(yōu)化算法，HS的基本思想從隨機產生的和聲記憶庫出發(fā)，通過對和聲記憶庫的思 考、隨機選擇音調以及音調調節(jié)來產生候選解，然后通過對比候選解和記憶庫中的最差解 來更新和聲記憶庫。
然而，基本的HS算法采用的是實數(shù)或離散編碼，主要用于連續(xù)空間和離散空間的優(yōu)化 問題，對于IWSNs布局優(yōu)化問題、二進制編碼優(yōu)化問題，基本的和聲搜索算法音調調節(jié)操作 將退化失效，因此，基本的HS的算法不適用于二進制編碼優(yōu)化問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種工業(yè)無線傳感器網絡多目 標最優(yōu)部署的方法，該方法采用啟發(fā)式二進制和聲搜索算法對節(jié)點部署模型進行優(yōu)化，在 保證系統(tǒng)可靠性和實時性要求的基礎上，能夠進一步減少系統(tǒng)維護成本和系統(tǒng)構建成本。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法，其特征在于該方法的具體步驟如
下
(1)、首先根據工業(yè)現(xiàn)場實際空間、障礙物大小及位置、無線傳感器功率、精度要求，將 監(jiān)測區(qū)域劃分為RdyJ三維網 格，R、S, Γ分別對應橫、縱、豎坐標上劃分段數(shù)，傳感器節(jié)點、簇頭及基站都分別部署在網 格交叉點上，根據工業(yè)要求，傳感器節(jié)點分為兩類，一類是一般傳感器節(jié)點，另一類是關鍵 傳感器節(jié)點；根據實際工藝設計需求，工業(yè)現(xiàn)場實際空間內有個傳感器節(jié)點，在空置的
JVi個網格點上部署簇頭和基站；
(2)、根據現(xiàn)場實際設備在ΛΜ'χΓ三維網絡坐標中的位置生成障礙物矩陣隊障礙物 矩陣i 大小為，網格為“1”表示該網格上有障礙物，如果網格為“0”則表示該網格 上沒有障礙物，如果任意兩點之間的直線路徑中存在有障礙物則認為此兩傳感器節(jié)點之間 無法互相通訊；
(3)、和聲個體解的表示
權利要求
1. 一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法，其特征在于該方法的具體步驟如下(1)、首先根據工業(yè)現(xiàn)場實際空間、障礙物大小及位置、無線傳感器功率、精度要求，將 監(jiān)測區(qū)域劃分為Λχ 'χΓ三維網 格，R、S, Γ分別對應橫、縱、豎坐標上劃分段數(shù)，傳感器節(jié)點、簇頭及基站都分別部署在網 格交叉點上，根據工業(yè)要求，傳感器節(jié)點分為兩類，一類是一般傳感器節(jié)點，另一類是關鍵 傳感器節(jié)點；根據實際工藝設計需求，工業(yè)現(xiàn)場實際空間內有A1s個傳感器節(jié)點，在空置的 Uxns個網格點上部署簇頭和基站；(2)、根據現(xiàn)場實際設備在三維網絡坐標中的位置生成障礙物矩陣隊障礙物 矩陣i 大小為，網格為“ 1”表示該網格上有障礙物，如果網格為“0”則表示該網格 上沒有障礙物，如果任意兩點之間的直線路徑中存在有障礙物則認為此兩傳感器節(jié)點之間 無法互相通訊；(3)、和聲個體解的表示χ= IX，^，…jU ,\ E{00 015105ll} Vje{l52---; i},空置(腦網格點上布置湊頭和基站，” = (Λχ5'χΓ-鸕)，其中，η表示用來部署簇頭和基站的網格總數(shù)，^ = OO 表示在第J·個空網格點空置，~ = |]1或^^ = 10表示在第J·個空網格點上部署傳感器簇頭， -V = 11表示第J·個空網格點上部署基站；(4)設定啟發(fā)式二進制和聲搜索算法的各個控制參數(shù)，啟發(fā)式二進制和聲搜索算法的 控制參數(shù)包括創(chuàng)作次數(shù)ΛΤ、和聲記憶庫大小HMS、和聲記憶庫思考概率HMCR和音調微 調概率PAR ,并隨機初始化和聲記憶庫HM ；(5)、設定傳感器節(jié)點的通信半徑為口，簇頭的通信半徑為^f，判斷傳感器節(jié)點與簇頭之間的距離是否小于等于乓，若傳感器節(jié)點與簇頭之間的距離小于等于乓，并且兩者通訊鏈路之間不存在障礙物時，則認為傳感器節(jié)點與該簇頭通訊，將傳感器節(jié)點作為該簇 頭的一個負載，否則認為傳感器節(jié)點不能與該簇頭通訊；判斷兩個簇頭之間的距離是否小于等于σ，若兩個簇頭之間的距離小于等于^rw，并且兩個簇頭之間的通訊鏈路不存在障礙物時，則認為該兩個簇頭之間互相通訊；簇頭的總負載為簇內傳感器節(jié)點數(shù)及與其通 訊的簇頭數(shù)之和；(6)、判斷是否每個一般的傳感器節(jié)點至少與2個簇頭通訊，若每個一般傳感器節(jié)點不 能至少與2個簇頭通訊，則認為傳感器節(jié)點不滿足系統(tǒng)可靠性要求，則計算所有一般的傳 感器節(jié)點巧的懲罰值P1O)，否則認為一般傳感器節(jié)點滿足系統(tǒng)可靠性要求，不計算一般傳 感器節(jié)節(jié)點的懲罰值，判斷關鍵傳感器節(jié)點是否能與大于等于3個簇頭通訊，若不能與大 于等于3個簇頭通訊，則計算所有關鍵傳感器節(jié)點珥的懲罰值F2 (X)，否則認為關鍵傳感器節(jié)點滿足系統(tǒng)可靠性要求，不計算關鍵節(jié)點的懲罰值；(7)、設定在監(jiān)測區(qū)域內有凡^個基站，記為Λ^μ傳感器節(jié)點i通過簇頭與最近基站通 訊所需跳數(shù)為代.，考慮到工業(yè)無線傳感器網絡的實時性，要求傳感器節(jié)點到達基站的跳數(shù) 不多于Smax，判斷每個傳感器節(jié)點與各基站通訊的跳數(shù)/Zi是否滿足少于最大跳數(shù)Smax， 若每個傳感器節(jié)點與各基站通訊的跳數(shù)/ζ.不能滿足少于最大跳數(shù)Smax，則認為傳感器節(jié) 點不滿足實時性要求，則計算所有傳感器節(jié)點巧的懲罰值goo，否則認為傳感器節(jié)點滿足 實時性要求，不計算傳感器節(jié)點的懲罰值；(8)、采用啟發(fā)式策略初始化和聲矩陣，根據各傳感器節(jié)點分布密度調整隨機值，有傾 向產生和聲矩陣，該和聲矩陣的大小記為HMS;同時為了確保不丟失可能的解，產生一個全 “1”的和聲；(9)、計算每個和聲χ的目標函數(shù)值，目標函數(shù)為
2.根據權利要求1所述的一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法，其特征在 于，上述步驟(11)中所述的生成新的和聲，其具體如下(11-1)、以概率湖CTP在和聲記憶庫中搜索新解，以概率1-iWCT 在變量的可能域中搜 索，其搜索公式為
3.根據權利要求2所述的一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法，其特征在 于，上述步驟(12)中所述的比較新的和聲巧與和聲記憶庫中對應的和聲HMi的優(yōu)劣，選擇 適應值更優(yōu)的進入和聲記憶庫為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工業(yè)無線傳感器網絡多目標最優(yōu)部署的方法，其步驟(1)將監(jiān)測區(qū)域劃分為三維網格，傳感器節(jié)點、簇頭及基站布置在網格交叉點上；(2)生成障礙物矩陣；(3)和聲個體表示；(4)設定算法控制參數(shù)；(5)設定傳感器和簇頭的通信半徑；(6)判斷傳感器節(jié)點與簇頭通訊是否滿足條件；(7)判斷傳感器節(jié)點與基站通訊的跳數(shù)是否滿足條件；(8)采用啟發(fā)式策略初始化和聲矩陣；(9)計算每個和聲的目標函數(shù)值；(10)找最優(yōu)和聲；(11)生成新和聲；(12)比較新和聲與和聲記憶庫中對應的和聲的優(yōu)劣(13)更新最優(yōu)和聲；(14)判斷是否滿足終止條件。該方法能對工業(yè)無線傳感器網絡的系統(tǒng)可靠性、實時性、傳感器節(jié)點部署成本和維護成本實現(xiàn)多目標優(yōu)化，滿足工業(yè)實際需求。
文檔編號H04W84/18GK102098687SQ20111004902
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者付敬奇, 付細平, 王海寬, 王靈, 茆云飛 申請人:上海大學