CN105188069A - 一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种使网络效率最大化的桥梁结构多跳无线网络监测系统的节点优化布置方法，桥梁结构监测领域，涉及无线监测技术的节点优化布置方法。本发明为使网络效率最大化，采用耗能近似相等的原则布置中继节点，使每个传感节点仅通过中继节点多跳传输数据到基站，从而初步确定中继节点的数目及位置。再通过相近节点融合，重组节点间距，通过循环求取网络效率最大时的中继节点数目及位置，从而达到桥梁监测中节省人力物力、提高监测效率的目的。

Description

一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法

技术领域

本发明属于桥梁结构监测领域，涉及无线监测技术，特别涉及基于网络效率的节点优化布设方法。

背景技术

桥梁结构在长期的运营过程中，受到车辆荷载、风荷载、环境侵蚀等各种外界荷载综合作用下，会导致桥梁结构一定程度的损伤，这些损伤如不及时发现，积累的损伤会降低桥梁抵抗外界荷载的能力，从而会影响桥梁的安全运营。为了评价桥梁结构的健康状况，可采用动力测试的方法，动力测试的传感器可选择加速度传感器。

传统的动力测试方法是采用有线加速度传感器，利用线缆将加速度的数据信息传输给数据接收基站。然而，有线传感器的线缆布设距离长，布设线缆量大，会耗费大量的物力人力。无线传感器的应用可以解决线缆布设问题，通过将加速度传感器连接于无线传感节点上，组成无线加速度传感器。无线节点安装方便，组网也方便，无需布设线缆，因此，有广阔的应用前景。

无线加速度传感器来监测桥梁结构时，将数据接收基站安置于桥的一端，桥上的无线传感节点成直线排列，并通过多跳的方式，将远处的无线节点数据传输给基站。数据传输、数据采集以及数据接收是无线节点工作时主要的耗能过程。由此可见，距离基站近的无线节点由于需要接收远处的数据而产生过重的能量负担，会提前耗尽能量，形成“能量洞”，致使整个无线传感网络失效，而远处的节点能量剩余还很多，从而导致能量的浪费，因此，如何优化节点布设使网络效率最大化时十分重要的。

发明内容

本发明的目的是应用无线传感技术对桥梁结构进行监测，重点是解决如何优化布设无线节点使整个无线监测网络的网络效率最大化。

本发明所提供的技术方案是：推导出一种网络效率最大化的线性无线监测系统节点优化布设方法，用以监测桥梁的健康状况。其特征在于：数据接收基站置于桥梁的一端，根据已有的成熟算法设置并固定传感节点的位置，在传感节点之间增加中继节点。中继节点负责接收数据与传输数据，而传感节点具有接收数据、传输数据与采集数据的功能。网络效率定义为单位价钱内的数据获取量，决定于网络寿命及节点总数。网络寿命取决于单个节点的最大耗能，如果传感节点或中继节点中任意一个节点能量提前耗尽，网络寿命也就终止。单个节点耗能取决于此节点需要处理的数据量以及传输距离，增加数据量或者传输距离均会使节点耗能增加。本发明通过优化布设传感节点之间中继节点的位置，使各个节点的耗能近似相等，从而使网络效率最大化。

一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法，步骤如下：

步骤一：中继节点位置的初始设置

(1)将数据接收基站设置在桥的一端，并确定被测桥梁的长度；

(2)根据传感器优化布设方法，确定传感节点数量n及位置，使其准确测得桥梁的各阶模态，传感节点记为P_i(i＝1,2,...n)；

(3)取i＝n，设中继节点的传输距离c_n,R等于传输距离的阈值c₀，即c_n,R＝c₀，采用传统耗能模型计算距离基站最远的中继节点的耗能E_n,Q；

(4)根据传感节点与中继节点耗能相等的原则，反推导求出传感节点到最近中继节点的传输距离c_i,P；

(5)根据耗能相等的原则，利用能耗E_n,Q求中继节点之间的传输距离c_i,Q；

(6)以传感节点到中继节点的传输距离c_i,P以及中继节点间的传输距离c_i,Q，求传感节点i到基站之间中继节点的个数m_i；若不能整除，取上整数；

(7)若步骤(6)不能整除，对传输距离c_i,P和c_i,Q等比例调整，使其组合正好等于传感节点i到中继节点的距离；

(8)根据调整后的传输距离，利用传统耗能模型调整传感节点的耗能E_i,P与中继节点的耗能E_i,Q；

(9)循环i，求出所有m_i、E_i,P和E_i,Q；

(10)计算网络效率w：

$w=\frac{E_{0}ln}{max(E_{i,P},E_{i,Q})(v_{P}n+v_Q\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_i)}$

其中：E₀表示节点的初始能量，并假设所有节点的初始能量均相同；l表示传输数据为l比特长度；v_P、v_Q分别表示传感节点和中继节点的单价，至此，中继节点的初始位置已经完成，并记录此时的网络效率w为w_max；

步骤二：相近节点的融合，即节点相近时选取一个节点作为共享节点

(11)在完成步骤(7)后，得到中继节点的位置坐标序列A_i，用a_i表示A_i中元素，即节点的坐标值；并定义数据量x_P为l比特长度的倍数，初始值设为1；

(12)比较任意元素a_i与a_n，若|a_i-a_n|＞ε，ε为提前设定的数值，表示两节点距离小于等于ε时，两节点可选取一个节点，则i由n-1到1循环i，重复比较a_i与a_n；若|a_i-a_n|≤ε，选择距离基站近的点作为共享节点，令x_P＝x_P+1，并定义共享节点到基站的距离为L_new；共享节点到上一节点即远离基站方向节点的距离为c_new；定义共享节点到下一节点的距离为c_after。c_new为已知，c_after为未知；

(13)若上一节点为传感节点，则传输数据量为x_P-1，接收数据量为x_P-2；若上一节点为中继节点，则传输数据量与接收数据量为x_P-1；求得上一节点的耗能E_new；

(14)比较步骤(8)中调整后的E_n,Q和步骤(13)得到的E_new，取其最大值，求出共享节点到基站之间节点的距离c_after，方法同步骤(6)；若共享节点为中继节点时，节点间距离记为c_after(i,Q)；若共享节点为传感节点时，先求传感节点到中继节点的距离，记为c_after(i,P)，再求中继节点距离c_after(i,Q)；

(15)求共享节点到基站的中继节点个数，并调整中继节点间距；将步骤(6)、(7)、(8)中的c_i,P、c_i,Q和传感节点到基站之间距离替换成c_after(i,P)、c_after(i,Q)、L_new，执行步骤(6)、(7)、(8)，然后将E_n,Q与重新执行步骤(8)后得到的E_i,P和E_i,Q进行比较取其最大值，并定义为E_max；

(16)计算网络效率w：

$w=\frac{E_{0}ln}{E_{max}(v_{P}n+v_Q\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_i)}$

其中，中继节点数m_i有所改变，当步骤(12)中满足|a_i-a_n|＞ε时，m_i不变；然而|a_i-a_n|≤ε时，共享节点之前即远离基站方向的中继节点数不变，A_i内共享节点之后的中继节点数清零，剩下的中继节点数记为新的m_i，A_n内共享节点之后的中继节点数等于步骤(15)得到的重新布设的中继节点数，与A_n内共享节点之前的中继节点数组成新的m_n；

(17)比较步骤(16)中的u与步骤(10)中的w_max，若w＞w_max，令w_max＝w；继续执行步骤(12)，i由n-1到1循环i；当i循环到1时，选择最大的网络效率w_max时的中继节点数量及其布设；

(18)取较小的Δ，并步骤(3)中的c_n,Q＝c_n,Q+Δ，重复步骤(3)～(17)，得出最大网络效率对应的节点数目及其布设位置。

本发明的有益效果：相比较于现有研究中使每个中继节点均接收并传输上一节点(远离基站方向)的数据来等耗能布设中继节点的方法，本发明可以增大中继节点的传输距离，减小中继节点的总体数目，以更少的节点来提高网络效率，从而达到桥梁监测中节省人力物力、提高监测效率的目的。

附图说明

图1是步骤一中继节点位置初始设置的示意图。

图2是步骤二相近节点的融合的示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图叙述本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，利用现有的传感器优化布设方法确定传感节点数量n及其位置，使其能更准确测得桥梁的各阶模态。根据步骤一(步骤3～10)，按照耗能相等的原则布设中继节点，使每个传感节点不接收数据，每个中继节点仅接收并传输l比特的数据,从而初步确定中继节点的数目及位置，如图1。根据步骤二(步骤11～17)，将相近节点融合，即根据步骤一得到的中继节点的位置，在两节点相近时选取一个节点作为共享节点，然后再按照耗能相等的原则，重复步骤一的过程，重新设置中继节点的数目及位置，如图2。继续增加步骤3中初始值c_n,Q，重复步骤3～17，从而得出最大网络效率对应的节点数目及其布设位置。

Claims (1)

1.一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：中继节点位置的初始设置

(1)将数据接收基站设置在桥的一端，并确定被测桥梁的长度；

(2)根据传感器优化布设方法，确定传感节点数量n及位置，使其准确测得桥梁的各阶模态，传感节点记为P_i(i＝1,2,...n)；

(3)取i＝n，设中继节点的传输距离c_n,R等于传输距离的阈值c₀，即c_n,R＝c₀，采用传统耗能模型计算距离基站最远的中继节点的耗能E_n,Q；

(4)根据传感节点与中继节点耗能相等的原则，反推导求出传感节点到最近中继节点的传输距离c_i,P；

(5)根据耗能相等的原则，利用能耗E_n,Q求中继节点之间的传输距离c_i,Q；

(6)以传感节点到中继节点的传输距离c_i,P以及中继节点间的传输距离c_i,Q，求传感节点i到基站之间中继节点的个数m_i；若不能整除，取上整数；

(7)若步骤(6)不能整除，对传输距离c_i,P和c_i,Q等比例调整，使其组合正好等于传感节点i到中继节点的距离；

(8)根据调整后的传输距离，利用传统耗能模型调整传感节点的耗能E_i,P与中继节点的耗能E_i,Q；

(9)循环i，求出所有m_i、E_i,P和E_i,Q；

(10)计算网络效率w：

$w=\frac{E_{0}ln}{max(E_{i,P},E_{i,Q})(v_{P}n+v_Q\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_i)}$

其中：E₀表示节点的初始能量，并假设所有节点的初始能量均相同；l表示传输数据为l比特长度；v_P、v_Q分别表示传感节点和中继节点的单价，至此，中继节点的初始位置已经完成，并记录此时的网络效率w为w_max；

步骤二：相近节点的融合，即节点相近时选取一个节点作为共享节点

(11)在完成步骤(7)后，得到中继节点的位置坐标序列A_i，用a_i表示A_i中元素，即节点的坐标值；并定义数据量x_P为l比特长度的倍数，初始值设为1；

(12)比较任意元素a_i与a_n，若|a_i-a_n|＞ε，ε为提前设定的数值，表示两节点距离小于等于ε时，两节点可选取一个节点，则i由n-1到1循环i，重复比较a_i与a_n；若|a_i-a_n|≤ε，选择距离基站近的点作为共享节点，令x_P＝x_P+1，并定义共享节点到基站的距离为L_new；共享节点到上一节点即远离基站方向节点的距离为c_new；定义共享节点到下一节点的距离为c_after；c_new为已知，c_after为未知；

(13)若上一节点为传感节点，则传输数据量为x_P-1，接收数据量为x_P-2；若上一节点为中继节点，则传输数据量与接收数据量为x_P-1；求得上一节点的耗能E_new；

(14)比较步骤(8)中调整后的E_n,Q和步骤(13)得到的E_new，取其最大值，求出共享节点到基站之间节点的距离c_after，方法同步骤(6)；若共享节点为中继节点时，节点间距离记为c_after(i,Q)；若共享节点为传感节点时，先求传感节点到中继节点的距离，记为c_after(i,P)，再求中继节点距离c_after(i,Q)；

(15)求共享节点到基站的中继节点个数，并调整中继节点间距；将步骤(6)、(7)、(8)中的c_i,P、c_i,Q和传感节点到基站之间距离替换成c_after(i,P)、c_after(i,Q)、L_new，执行步骤(6)、(7)、(8)，然后将E_n,Q与重新执行步骤(8)后得到的E_i,P和E_i,Q进行比较取其最大值，并定义为E_max；

(16)计算网络效率w：

$w=\frac{E_{0}ln}{E_{max}(v_{P}n+v_Q\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{m}_i)}$

其中，中继节点数m_i有所改变，当步骤(12)中满足|a_i-a_n|＞ε时，m_i不变；然而|a_i-a_n|≤ε时，共享节点之前即远离基站方向的中继节点数不变，A_i内共享节点之后的中继节点数清零，剩下的中继节点数记为新的m_i，A_n内共享节点之后的中继节点数等于步骤(15)得到的重新布设的中继节点数，与A_n内共享节点之前的中继节点数组成新的m_n；

(17)比较步骤(16)中的u与步骤(10)中的w_max，若w＞w_max，令w_max＝w；继续执行步骤(12)，i由n-1到1循环i；当i循环到1时，选择最大的网络效率w_max时的中继节点数量及其布设；

(18)取较小的Δ，并步骤(3)中的c_n,Q＝c_n,Q+Δ，重复步骤(3)～(17)，得出最大网络效率对应的节点数目及其布设位置。