CN112911673B - 基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，包括以下步骤：S1、以动态规划的方式构建转发节点联盟，以半径为依据搜索邻居节点，以剩余能量为依据筛选转发节点；S2、圈定的邻居节点进行博弈，以最大隶属度原则，构建转发队列；S3、源节点与队列首节点建立通信链路进行消息转发，同时将第二个和第三个节点作为备用下一跳节点；S4、不在备用范围的联盟内节点首先被释放，备用节点待消息转发成功后释放。本发明的多路径消息转发时引入“剩余能量”参数，提高了消息转发的成功率；综合空间距离和剩余能量两个参数，构建转发队列，可以提高消息转发的速率；并采用动态博弈联盟完成转发任务后有序释放的方法，增加了节点复用效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体涉及一种基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法。
背景技术
局部放电是变压器、开关柜等高压电力设备运行过程中不可避免的一种现象，是造成高压设备绝缘击穿的一个重要原因。因此，需要对运行中的设备加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。
传统的局部放电检测，采用手持式检测设备，在人工巡检时对重点部位进行检测。随着物联网技术的发展，以传感器技术为基础的局部放电在线监测应用越来越广泛。超声波传感器可以精准的检测到局部放电信号，如何构建通信网络以快速地将信号传送到控制中心是一个亟待解决的问题。
基于ZigBee、WiFi、LoRa等无线传输技术，构建局部放电信号监测的无线传感器网络，相对于人工巡检而言，可以更及时快速地监测到局部放电现象。
中国文献(延野，基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统的设计与研发[D]，上海交通大学，2017)对开关柜局部放电信号的采集分析、系统自组网和通信等关键技术进行了深入研究，设计开发了一套开关柜局放在线监测系统。利用ZigBee无线自组网技术和AODV多节点数据传输机制。设计基于物联网的开关柜局部放电在线监测系统，实现多路开关柜监测前端的无线组网。完成开关柜局放在线监测系统的软件设计，实现监测数据的采集、处理、传输、上传以及绝缘状态评估等功能。
但是，该系统存在以下缺点：
1)采用自组网方式建立节点之间的通信，没有考虑通信节点的剩余能量是否足够转发信息。若节点的剩余能量不足，则会造成信息转发失败的问题。
2)没有考虑长路径信息传输时下一跳节点的选择问题，即多路径传输的路由协议问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，以解决现有的局部放电在线监测系统存在信息转发失败的问题以及多路径传输的路由协议问题，以提高消息转发成功率，提高信号传输的速度，减少消息转发失败重新组网的时间，提高网络通信的速率，提高节点的利用效率，以便于局部放电现象的及早发现和及时处理。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，包括以下步骤：
S1、以动态规划的方式构建转发节点联盟，以半径为依据搜索邻居节点，以剩余能量为依据筛选转发节点；
S2、圈定的邻居节点进行博弈，以最大隶属度原则，构建转发队列；
S3、源节点与队列首节点建立通信链路进行消息转发，同时将第二个和第三个节点作为备用下一跳节点；
S4、不在备用范围的联盟内节点首先被释放，备用节点待消息转发成功后释放。
进一步优化技术方案，所述步骤S1中，以源节点本身的通信半径ri为依据设置联盟区域的半径r′i≤ri，与区域中的m个邻居节点建立通信链路，同时调用每个节点的剩余能量标记到数组Esi＝[Es1，Es2，Es3，...，Esm}；
以本次转发消息所需能耗Ei为依据设置一个能耗阈值Ex，以此为依据筛选能够进一步缩小转发节点的数量为k。
进一步优化技术方案，所述步骤S1中，节点剩余能量的计算采用备忘录调用方法。
进一步优化技术方案，所述节点剩余能量的计算方法具体包括以下步骤：
S10、节点的供电电源初始能量为E0；
S20、计算节点采集信号算法的平均时间复杂度T(x)，按照单位时间耗电px，采集算法迭代一次的算法耗能T(x)px；
S30、节点通信模块发送功率pt，接收功率pr，转发一次信息的耗能为pc＝pt*Tt+pr*Tr；
S40、建立备忘录，记录节点采集信号次数x1，发送信息次数x2，接收信息次数x3
S50、当节点被唤醒时，计算当前节点剩余能量为：
Es＝E0-T(x)pxx1-ptTtx2-prTrx3。
进一步优化技术方案，所述步骤S2中，分别计算源节点与k个邻居节点的空间距离，记在数组中，联合剩余能量构建归一化参数矩阵，以加权函数为依据计算加权矩阵；K个节点依据空间距离和剩余能量为参数加权进行博弈，产生加权矩阵，根据最大隶属度原则得到消息转发下一跳节点的顺序。
进一步优化技术方案，所述空间距离利用欧式距离算法进行计算。
进一步优化技术方案，所述步骤S4中，待源节点收到ACK并等待一个转发周期，没有收到转发失败的ACK后，释放掉备用节点，并标记消息转发成功。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
与以往技术相比，本发明的多路径消息转发时除了以距离为参数外，引入“剩余能量”参数，提高了消息转发的成功率；本发明综合空间距离和剩余能量两个参数，以最大隶属度为原则构建转发队列，在保证消息转发成功的基础上，可以提高消息转发的速率；并采用动态博弈联盟完成转发任务后有序释放的方法，增加了节点复用效率，可以提高整个信息系统的效率。
本发明基于动态联盟的局部放电信号无线传感器网络的路由协议，提高了信号传输的速度，便于局部放电现象的及早发现和及时处理。
本发明在传感器网络交互信息中引入“剩余能量”参数，当前承载信息的节点以邻居节点的“剩余能量”和“空间距离”两个参数设置阈值来组建联盟，解决了由于剩余能量不足而造成的消息转发失败的问题，通过预处理的方法，提高了消息转发成功率。
本发明联盟内部的邻居节点通过博弈得到消息的转发权后，与消息节点建立通信链路，同时其他邻居节点综合“剩余能量”和“空间距离”两个参数排序形成转发节点队列，一旦消息传递失败，队列第一个节点则为下一跳节点，减少了消息转发失败重新组网的时间，提高了网络通信的速率。
若邻居节点参与联盟，则对其进行标记，避免了同一个节点同时参与多个联盟造成信道拥塞的问题；当消息转发结束，联盟自动解散，释放节点权限，提高了节点的利用效率。
附图说明
图1为本发明动态博弈转发消息的流程示意图；
图2为本发明动态联盟算法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，结合图1至图2所示，包括以下步骤：
S1、以动态规划的方式构建转发节点联盟，以半径为依据搜索邻居节点，以剩余能量为依据筛选转发节点。
当节点Si需要转发信号时，其以自身为中心组建一个联盟，从邻居节点中选择下一跳节点。
以源节点本身的通信半径ri为依据设置联盟区域的半径r′i≤ri，与区域中的m个邻居节点建立通信链路。判断节点数是否大于0，若节点数为0，则转发失败；若节点数大于0，则计算m个节点的剩余能量ES，同时调用每个节点的剩余能量标记到数组Esi＝[Es1，Es2，Es3，...，Esm]。
以本次转发消息所需能耗Ei为依据设置一个能耗阈值Ex，Ex≥Ei.并判断节点能量ES是否大于Ex(能耗阈值)，若ES不大于Ex，则节点释放；若ES大于Ex，则判断节点数量是否大于1；若节点数量不大于1，则直接转发成功；若节点数量大于1，以此为依据筛选可以进一步缩小转发节点的数量为k，k≤m。同时标记这k个节点，避免其参与其他联盟。
S2、圈定的邻居节点进行博弈，以最大隶属度原则，构建转发队列。
分别计算源节点与k个邻居节点的空间距离，记在数组中，为Dsi＝[D1，D2，D3，...，Dk]，联合剩余能量Esi＝[Es1，Es2，Es3，...，Esk]，构建归一化参数矩阵
以加权函数
为依据计算加权矩阵F＝[fd fE]。K个节点依据空间距离和剩余能量为参数加权进行博弈，产生加权矩阵，根据最大隶属度原则得到消息转发下一跳节点的顺序
S3、源节点与队列首节点建立通信链路进行消息转发，同时将第二个和第三个节点作为备用下一跳节点，保证消息转发的速率与成功率，其他的节点取消标记并释放掉。
S4、不在备用范围的联盟内节点首先被释放，备用节点待消息转发成功后释放。待源节点收到ACK并等待一个转发周期，没有收到转发失败的ACK后，释放掉备用节点，并标记消息转发成功。
本发明以节点剩余能量和空间距离两个参数为判断转发节点的依据，属于多目标决策。
本发明参数的计算方法，节点剩余能量的计算采用备忘录调用方法，空间距离利用欧式距离算法进行计算。
节点剩余能量的计算采用备忘录调用方法，节点剩余能量的计算方法具体包括以下步骤：
S10、节点的供电电源初始能量为E0；
S20、计算节点采集信号算法的平均时间复杂度T(x)，按照单位时间耗电px，采集算法迭代一次的算法耗能T(x)px；
S30、节点通信模块发送功率pt，接收功率pr，转发一次信息的耗能为pc＝pt*Tt+pr*Tr；
S40、建立备忘录，记录节点采集信号次数x1，发送信息次数x2，接收信息次数x3
S50、当节点被唤醒时，计算当前节点剩余能量为：
Es＝E0-T(x)pxx1-ptTtx2-prTrx3。
本发明在传感器网络交互信息中引入“剩余能量”参数，当前承载信息的节点以邻居节点的“剩余能量”和“空间距离”两个参数设置阈值来组建联盟，解决了由于剩余能量不足而造成的消息转发失败的问题，通过预处理的方法，提高了消息转发成功率。
本发明联盟内部的邻居节点通过博弈得到消息的转发权后，与消息节点建立通信链路，同时其他邻居节点综合“剩余能量”和“空间距离”两个参数排序形成转发节点队列，一旦消息传递失败，队列第一个节点则为下一跳节点，减少了消息转发失败重新组网的时间，提高了网络通信的速率。
若邻居节点参与联盟，则对其进行标记，避免了同一个节点同时参与多个联盟造成信道拥塞的问题；当消息转发结束，联盟自动解散，释放节点权限，提高了节点的利用效率。
与以往技术相比，本发明的多路径消息转发时除了以距离为参数外，引入“剩余能量”参数，提高了消息转发的成功率；本发明综合空间距离和剩余能量两个参数，以最大隶属度为原则构建转发队列，在保证消息转发成功的基础上，可以提高消息转发的速率；并采用动态博弈联盟完成转发任务后有序释放的方法，增加了节点复用效率，可以提高整个信息系统的效率。
Claims (5)
1.基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以动态规划的方式构建转发节点联盟，以半径为依据搜索邻居节点，以剩余能量为依据筛选转发节点；
所述步骤S1中，节点剩余能量的计算采用备忘录调用方法；所述节点剩余能量的计算方法具体包括以下步骤：
S10、节点的供电电源初始能量为E0；
S20、计算节点采集信号算法的平均时间复杂度T(x)，按照单位时间耗电px，采集算法迭代一次的算法耗能T(x)px；
S30、节点通信模块发送功率pt，发送时间Tt，接收功率pr，接收时间Tr，转发一次信息的耗能为pc＝pt*Tt+pr*Tr；
S40、建立备忘录，记录节点采集信号次数x1，发送信息次数x2，接收信息次数x3；
S50、当节点被唤醒时，计算当前节点剩余能量为：
Es＝E0-T(x)pxx1-ptTtx2-prTrx3；
S2、圈定的邻居节点进行博弈，以最大隶属度原则，构建转发队列；若邻居节点参与联盟，则对其进行标记；
S3、源节点与队列首节点建立通信链路进行消息转发，同时将第二个和第三个节点作为备用下一跳节点，其他的节点取消标记并释放掉；
S4、不在备用范围的联盟内节点首先被释放，备用节点待消息转发成功后释放；
当消息转发结束，联盟自动解散，释放节点权限。
2.根据权利要求1所述的基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，其特征在于，所述步骤S1中，以源节点本身的通信半径ri为依据设置联盟区域的半径r′i≤ri，与区域中的m个邻居节点建立通信链路，同时调用每个节点的剩余能量标记到数组Esi＝[Es1，Es2，Es3，...，Esm]；
以本次转发消息所需能耗Ei为依据设置一个能耗阈值Ex，以此为依据筛选能够进一步缩小转发节点的数量为k。
3.根据权利要求2所述的基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，其特征在于，所述步骤S2中，分别计算源节点与k个邻居节点的空间距离，记在数组中，联合剩余能量构建归一化参数矩阵，以加权函数为依据计算加权矩阵；K个节点依据空间距离和剩余能量为参数加权进行博弈，产生加权矩阵，根据最大隶属度原则得到消息转发下一跳节点的顺序。
4.根据权利要求3所述的基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，其特征在于，所述空间距离利用欧式距离算法进行计算。
5.根据权利要求3所述的基于动态博弈的局部放电监测无线传感网通信方法，其特征在于，所述步骤S4中，待源节点收到ACK并等待一个转发周期，没有收到转发失败的ACK后，释放掉备用节点，并标记消息转发成功。
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