CN105828426B - 高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法及系统，包括步骤：A、收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；B、传感网负载系统的检测单元实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；C、传感网能量调度系统的能量利用状态汇聚单元汇集各节点的节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度，以及能量采集单元当前电压值，能量储存单元的当前能量值；D、根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重；E、根据各节点的能量需求权重，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

Description

高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法及系统

技术领域

本发明涉及交通设施领域，特别是涉及到监测交通设施的传感器网络技术。

背景技术

传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。

如今中国的高速铁路技术发展迅速，高铁覆盖率、延伸长度日新月异，对于高速铁路基础设施的监测也日渐重要，其中能量管理技术的研究和应用对高速铁路的基础设施监测检测传感网的大规模应用提出很大挑战。在边远地区或者电力供应困难的铁路沿线，通常使用光伏发电等新能源供电的方式来进行能量收集、储存和使用，光伏发电系统的发电效率和能量分配方式对提高整个系统的效率和稳定性至关重要。光伏发电系统的发电效率会影响发电总量，提高发电效率可以节约系统成本；能量分配策略会影响能量利用效率，当各节点能量自发自用时，如果该节点耗能过小，会导致所发能量超过蓄电池容量而造成能量浪费，如果该节点耗能过大，会导致所发电量不够用导致蓄电池能量耗尽节点失效。

提高光伏发电最大发电效率是通过MPPT(最大功率点跟踪)技术实现的。光伏发电输出功率特性曲线为单峰值曲线，在最大功率点处功率对电压的导数为零，采用变步长导纳增量法，在远离最大功率点附近时，采用较大的固定步长进行跟踪，保证跟踪的快速性；在靠近最大功率点附近时，采用步长逐渐减小的变步长进行跟踪，保证跟踪的稳定性。通过基于变步长导纳增量的MPPT控制算法，使系统在外界环境变化的情况下，稳定的工作在最大功率点附近，使系统的发电效率最高。

目前，大部分传感网节点使用光伏供电时，都采用单节点发电‐供电的模式，这样会导致能量浪费或者节点因能量耗尽而失效。集中式发电，按需进行能量调度的能量管理模式可以很好的解决这一问题，综合考虑各节点的剩余能量、功率及所传输数据的重要性等因素，确定能量分配的方案，保证能量供给的均衡性，当某个节点耗能小时，分配能量较少，避免单点电池充满导致所发能量浪费；当某个节点耗能较大时，分配能量较大，避免单点电池能量耗尽导致的节点失效。

本发明针对无线传感网能量供给不足进而影响传感网系统稳定性问题，研究一种合理有效的基于MPPT控制的光伏发电系统与无线传感网系统结合，并采用能量优化管理调度的方法，在传统电力供应不足的情况下实现高速铁路基础设施服役状态监测检测传感网系统的高效、持续、稳定运行，对高铁运行状态进行实时监控，确保高速铁路的安全运营。

发明内容

鉴于此，本发明针对无线传感网能量供给不足进而影响传感网系统稳定性问题，研究一种合理有效的基于MPPT控制的光伏发电系统与无线传感网系统结合，并采用能量优化管理调度的方法，在传统电力供应不足的情况下实现高速铁路基础设施服役状态监测检测传感网系统的高效、持续、稳定运行，对高铁运行状态进行实时监控，确保高速铁路的安全运营。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案如下:

一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法，包括步骤：

A、传感网主电源系统先通过能量采集单元收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

B、传感网负载系统的检测单元实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

C、传感网能量调度系统的能量利用状态汇聚单元汇集各节点的节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度，以及能量采集单元当前电压值，能量储存单元的当前能量值；

D、根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重；

E、根据各节点的能量需求权重，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

其中,步骤D中,根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重包括：

各节点当前时刻分配到的能量值大于该节点传输耗能，

传感网内各节点净剩能量保持均衡，

传输数据重要度高的数据能量分配优先级最高，所传输数据实时性要求高的数据能量分配优先级次之，传感网节点剩余能量少的节点能量分配优先级最低。

此外,步骤E后，进一步包括：根据储能系统总能量的变化来动态调整能量需求权重系数，具体为：

其中为调整后的能量需求权重系数，λ_i是调整前的能量需求权重系数，而E_T(t)为储能系统总能量。

此外,本发明还保护另一种技术方案,具体如下:

一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理系统，所述系统包括能量采集单元、能量储存单元、检测单元，能量利用状态汇聚单元、能量需求权重确定单元和能量配给单元，其中，

能量采集单元用于收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

检测单元用于实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

能量利用状态汇聚单元用于汇集各节点的节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度，以及能量采集单元当前电压值，能量储存单元的当前能量值；

能量需求权重确定单元用于根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重；

能量配给单元用于根据各节点的能量需求权重，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

通过采用本发明的高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法及系统，针对高速铁路基础设施检测传感网能量管理问题，采用“集中发电、动态调配”的方法对能量进行动态分配，从而可以根据节点的剩余能量、传输数据的优先级及实时性要求等指标要求动态调配能量，避免了传统单个节点独立供电导致的个别节点由于能量耗尽过早死亡，个别节点由于耗能较少导致能量浪费等问题。因此，本发明的高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法及系统对传感网的稳定和持续的能量供给提供了保证，有效提高了传感网的使用稳定性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法的流程图。

图2是本发明具体实施方式中高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法总体结构图。

图3是本发明具体实施方式中基于光伏发电的高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法实例实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

参照图1，本发明具体实施方式中包括一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理优化方法，所述具体方法包括：

步骤1、传感网主电源系统先通过能量采集单元收集能量，通过能量采集控制单元将电能传输到能量储存单元中；

步骤2、传感网负载系统的检测单元实时检测本节点当前时刻的初始能量传输耗能传输数据的重要度W_i；

步骤3、传感网能量调度控制系统的能量利用状态汇聚单元汇集各节点能量利用状态信息，包括各节点当前时刻初始能量各节点当前时刻分配到的能量Eⁱ(t),i＝1,2…n；各节点当前时刻传输消耗能量各节点当前时刻所传输数据的重要度W_i,i＝1,2,…n；各节点当前时刻所传输数据的重要度W_i,i＝1,2,…n；能量采集单元当前电压值V(t)；能量储存单元当前能量值E_T(t)；

步骤4、根据各节点能量利用状态信息，基于能量调度的总体原则，选择合适的能量调度策略：

1)各节点当前时刻分配到的能量值满足该节点传输消耗能量工作需求，即

2)传感网内各节点净剩能量保持均衡，即最小；

3)所传输数据重要度高的数据，能量分配优先级γ₁最高；所传输数据实时性要求 高的数据，能量分配优先级γ₂次之；传感网节点剩余能量少的节点，能量分配优先级γ₃最 低；即

根据各节点净剩能量传输数据重要度W_i及实时性要求T_i，计算各节点能量需求的权重λ_i′：

λ_i′＝γ₁*W_i+γ₂*T_i+γ₃*β_i，

其中，β_i为度量节点净剩能量的度量值，γ₁，γ₂，γ₃分别为重要度，实时性和净剩能量的权值系数。

传输数据重要度W_i和实时性要求T_i是由传感网系统内各节点的功能单元决定的，是根据节点预设的传输内容来确定的，所以各节点的W_i和T_i的相对值都是定值，且满足：

因此，节点的净剩能量为：

为了使能量越少的节点获得越多的能量，用β_i为度量节点相对净剩能量的度量值：

各节点能量需求权重λ_i′归一化处理后，可得：

步骤5、根据计算得到的各节点能量分配权重系数，计算各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

纳什均衡协议的效用函数为：

如果考虑如果能量收集系统的能量足够多时，会导致部分传输数据重要度和实时性要求很高，但是能量消耗很少的节点分到的能量过多而造成能量浪费和不均衡分配，为了避免这种情况的发生，需要根据储能系统总能量E_T(t)的变化来动态地调整能量需求权重系数λ_i，令变化后的能量需求权重系数为为了降低系统能量充足时，λ_i对能量分配的影响，对λ_i开E_T(t)次方，即：

归一化处理得：

经过上述处理，在总能量较少时对系统有较大影响力，而总能量较多时，的影响力减弱，体现了系统的公平性。因此是各节点的动态自适应能量分配函数。

用对数形式表示为：

可定义拉格朗日多项式L(Eⁱ(t),α,δ_i,ξ_i)，其中α≤0,δ_i≤0,ξ_i≤0,i＝1,...,6。

为了使效用函数达到最大值，

且：

综上可得出当前各节点分配到的能量为：

其中为系统在满足各节点功率需求后剩余的能量。此结果反映了系统在满足各节点功率需求的基础上，进行能量动态分配的过程。这样既可以保证个别节点不会因为能量耗尽而过早死亡，也可以避免个别节点耗能较少导致发电能量不能得到存储而浪费，该能量动态分配的方法对保证传感网的稳定和持续的能量供给提供了保证，有效提高了传感网的使用稳定性。

因此本发明包括一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法，包括步骤：

A、传感网主电源系统先通过能量采集单元收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

B、传感网负载系统的检测单元实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

C、传感网能量调度系统的能量利用状态汇聚单元汇集各节点的节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度，以及能量采集单元当前电压值，能量储存单元的当前能量值；

D、根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重；

E、根据各节点的能量需求权重，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

其中根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重包括：

各节点当前时刻分配到的能量值大于该节点传输耗能，

传感网内各节点净剩能量保持均衡，

传输数据重要度高的数据，能量分配优先级最高，所传输数据实时性要求高的数据，能量分配优先级次之，传感网节点剩余能量少的节点，能量分配优先级最低。

另外，在步骤E后，进一步还包括：根据储能系统总能量的变化来动态调整能量需求权重系数，具体为：

其中为调整后的能量需求权重系数，λ_i是调整前的能量需求权重系数，而E_T(t)为储能系统总能量。

参照图2，示出了本发明具体实施方式中高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法总体结构图，其主要思路为：

本发明的传感网节点供电系统由两部分组成：“光伏发电系统”和“储能系统”。其中，光伏发电系统的能量一部分直接供给节点使用，另一部分储存在储能系统中。

上述两部分能量供给将送给“节点能量配置模块”，通过采集各节点净剩能量，传送数据的重要性及实时性等参数要求，计算各节点能量分配的权值，然后根据按需分配的原则，计算各节点当前时刻可以分配到的能量，经过处理后，分配各个子节点。

参照图3，示出了基于光伏发电的高速铁路基础设施检测传感网能量管理优化的实例流程图，具体步骤为：

步骤1、采用光伏发电系统进行集中发电，通过MPPT充电控制器将能量储存到能量储存系统的蓄电池中；

步骤2、采集高速铁路基础设施检测传感网内分别负责传输线上设施、线下设施和牵引变电设备等数据的各节点的初始能量数据传输耗能传输数据的重要度W_i，传输数据的实时性要求T_i等参数；

步骤3、节点能量利用信息汇聚单元汇集各节点检测到的状态信息，包括各节点当前时刻初始能量各节点当前时刻分配到的能量Eⁱ(t),i＝1,2,3；各节点当前时刻传输消耗能量各节点当前时刻所传输数据的重要度W_i,i＝1,2,3；各节点当前时刻所传输数据的重要度W_i,i＝1,2,3；光伏极板当前电压值V(t)；蓄电池当前电量值E_T(t)；

步骤4、根据各节点净剩能量传输数据重要度W_i及实时性要求T_i，系统总能量E_T(t)计算各节点能量需求的权重λ_i′：

λ_i′＝γ₁*W_i+γ₂*T_i+γ₃*β_i

其中，β_i为度量节点净剩能量的归一化的值，γ₁，γ₂，γ₃分别为重要度，实时性和净剩能量的权值系数。

传输数据重要度W_i和实时性要求T_i是由传感网系统内三类节点分别传输的线上、线下及牵引变电数据的重要性和实时性要求来预设的定值，且满足：

节点的净剩能量为：

为了使能量越少的节点获得越多的能量，用β_i为度量节点相对净剩能量的度量值：

各节点能量需求权重λ_i′归一化处理后，可得：

由于P_in和都与能量相关，所以我们将这两个因素综合考虑，把节点的净剩能量作为参考标准：

当前节点的净剩能量为节点剩余能量与节点当前时刻分配到的光伏能量的和减去节点功率(节点消耗能量)，节点当前净剩能量；节点剩余能量；节点当前分配到的光伏能量；节点的工作功率；:

对比该节点净剩能量与系统内其他节点净剩能量的差值，净剩能量越多分配能量越少，净剩能量最多的节点不予分配能量：β_i为该节点净剩能量与系统内节点净剩能量最大值差值的绝对值：

归一化处理后，可得：

综合考虑节点净剩能量参考值η_i，传送数据的重要度及传送数据的实时性要求t_i，各节点能量需求的权重为：

其中，γ_i,i＝1,2,3表示各个因素所占的权值；

归一化处理后，可得：

步骤5、根据计算得到的各节点能量分配权重，计算各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给；

纳什均衡协议的效用函数为：

考虑如果能量收集系统的能量足够多时，会导致部分传输数据重要度和实时性要求很高，但是能量消耗很少的节点分到的能量过多而造成能量浪费和不均衡分配，为了避免这种情况的发生，需要根据储能系统总能量E_T(t)的变化来动态的调整能量分配权重系数λ_i，令变化后的权重系数为为了降低系统能量充足时，λ_i对能量分配的影响，对λ_i开E_T(t)次方，即：

归一化处理得：

经过上述处理，在总能量较少时对系统有较大影响力，而总能量较多时，的影响力减弱，体现了系统的公平性。因此是各节点的动态自适应能量分配函数。

用对数形式表示为：

可定义拉格朗日多项式L(Eⁱ(t),α,δ_i,ξ_i)，其中α≤0,δ_i≤0,ξ_i≤0,i＝1,...,6。

为了使效用函数达到最大值有，

且：

综上可得出当前各节点分配到的能量为：

其中为系统在满足各节点功率需求后剩余的能量。此结果反映了系统在满足各节点功率需求的基础上，进行能量动态分配的过程。这样既可以保证个别节点不会因为能量耗尽而过早死亡，也可以避免个别节点耗能较少导致发电能量不能得到存储而浪费，该能量动态分配的方法对保证传感网的稳定和持续的能量供给提供了保证，有效提高了传感网的使用稳定性。

为了与本发明高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法相对应，本发明具体实施方式中还公开了一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理系统，所述系统包括能量采集单元、能量储存单元、检测单元，能量利用状态汇聚单元、能量需求权重确定单元和能量配给单元，其中，

能量采集单元用于收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

检测单元用于实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

能量利用状态汇聚单元用于汇集各节点的节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度，以及能量采集单元当前电压值，能量储存单元的当前能量值；

能量需求权重确定单元用于根据各节点的净剩能量、传输数据重要度和实时性要求，确定各节点的能量需求权重；

能量配给单元用于根据各节点的能量需求权重，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法，包括步骤：

A、传感网主电源系统先通过能量采集单元收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

B、传感网负载系统的检测单元实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

C、传感网能量调度系统的能量利用状态汇聚单元汇集各节点的节点当前时刻的初始能量传输耗能和传输数据的重要度Eⁱ(t)、以及能量采集单元当前电压值能量储存单元的当前能量值；

D、根据各节点的净剩能量传输数据重要度W_i和实时性要求T_i，确定各节点的能量需求权重系数λ_i；

其中，γ₁，γ₂，γ₃分别为重要度，实时性和净剩能量的权值系数；

其中

E、根据各节点的能量需求权重系数，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给。

2.根据权利要求1中所述的高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理方法，其特征在于，步骤E后，进一步包括：根据储能系统总能量的变化来动态调整能量需求权重系数，具体为：

其中为调整后的能量需求权重系数，λ_i是调整前的能量需求权重系数，而E_T(t)为储能系统总能量。

3.一种高速铁路基础设施监测传感网节点能量管理系统，所述系统包括能量采集单元、能量储存单元、检测单元，能量利用状态汇聚单元、能量需求权重确定单元和能量配给单元，其中，

能量采集单元用于收集能量，通过能量采集单元将电能传输到能量储存单元中；

检测单元

用于实时检测本节点当前时刻的初始能量、传输耗能和传输数据的重要度；

能量利用状态汇聚单元用于汇集各节点的节点当前时刻的初始能量传输耗能和传输数据的重要度Eⁱ(t)、以及能量采集单元当前电压值能量储存单元的当前能量值；

能量需求权重确定单元用于根据各节点的净剩能量传输数据重要度W_i和实时性要求T_i，确定各节点的能量需求权重系数λ_i；

能量配给单元用于根据各节点的能量需求权重系数，确定各节点分配的能量，并给传感网负载各节点的储能单元进行能量配给；

所述权重系数

其中，γ₁，γ₂，γ₃分别为重要度，实时性和净剩能量的权值系数；