一种工业无线传感器网络多目标最优部署的方法技术

本发明专利技术公开了一种工业无线传感器网络多目标最优部署的方法，其步骤：(1)将监测区域划分为三维网格，传感器节点、簇头及基站布置在网格交叉点上；(2)生成障碍物矩阵；(3)和声个体表示；(4)设定算法控制参数；(5)设定传感器和簇头的通信半径；(6)判断传感器节点与簇头通讯是否满足条件；(7)判断传感器节点与基站通讯的跳数是否满足条件；(8)采用启发式策略初始化和声矩阵；(9)计算每个和声的目标函数值；(10)找最优和声；(11）生成新和声；(12）比较新和声与和声记忆库中对应的和声的优劣（13）更新最优和声；（14）判断是否满足终止条件。该方法能对工业无线传感器网络的系统可靠性、实时性、传感器节点部署成本和维护成本实现多目标优化，满足工业实际需求。

A method of multi objective optimal deployment for Industrial Wireless Sensor Networks

The invention discloses a method for industrial wireless sensor network, multi-objective optimal deployment includes the steps of: (1) the area was divided into 3D mesh, sensor nodes, cluster head and base station arranged in a grid intersection; (2) generating obstacle matrix; (3) the harmony of individual representation; (4) setting the control parameters of the algorithm; (5) setting the communication radius of sensor and the cluster head; (6) to determine whether the sensor node and cluster head communication conditions; (7) to determine whether the hop sensor nodes and the base station communication conditions; (8) using heuristic strategy and initialization matrix; (9) the objective function is calculated for each the value of harmony; (10) to find the optimal harmony; (11) the new generation of harmony; (12) comparison and corresponding new harmony and the harmony memory (13) updates the best quality of harmony; (14) to determine whether the termination condition is satisfied. The method can optimize the system reliability, real-time, sensor node deployment cost and maintenance cost of industrial wireless sensor networks, and meet the industrial needs.

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业无线传感器网络和智能计算两大领域，具体涉及一种工业无线传 感器网络多目标最优部署的方法。
技术介绍
随着工业系统不断大型化、复杂化，工业控制系统的规模不断扩大，其安装、布线 成本也不断增加。据统计2001年工业用传感器市场份额为110亿美元，而其安装和使 用成本(主要是布线成本)超过1000亿美元。因此，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)的低成本、易用等特征引起了工业界的广泛关注，国际知名控制系统公 司，如爱默生、霍尼韦尔、通用电气等均开展了工业无线传感器网络(Industrial Wireless Sensor Networks, IWSNs)技术的研发。IWSNs是由具有无线通讯与计算能力的传感器节 点构成、部署在工业现场环境为某种工业应用提供解决方案的自组织分布式网络智能系 统，是继现场总线技术之后工业控制领域的一个热点技术。IWSNs可以降低工业测控系统 成本，提高工业测控系统应用范围和可靠性。爱默生公司在北美和欧洲几个现场试验的结 果证实，采用工业无线技术数据传输的可靠性在99%以上，而安装成本比同等有线方案要 低90%。针对工业无线技术的巨大前景，美国能源部在2004年发布的“未来工业计划”中指 出这种基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到2020年美国工业整体能耗降低5% 目标的主要手段，代表着工业自动化系统技术的发展方向。基于分簇结构的IWSNs中通常包含两类节点传感器节点和簇头，其中传感器节 点负责现场数据的采集，簇头接收传感器节点发送过来的数据并将数据整合发送给基站。 虽然IWSNs的主要组成部分也是无线传感器节点，但是与一般的非工业IWSNs不同，IWSN的 传感器节点部署与工业环境有关，需人工安装到需要检测的工业设备上，强调对指定点的 可靠检测。相比于传统有线网络，一方面，IWSNs更容易受网络拓扑、环境等因素的影响而 发生故障，实际应用中故障也不可避免。另一方面，IWSNs多跳的通讯方式也导致系统实时 性下降，工业实验中显示当跳步数超过6时数据的实时性将不能保证。IWSN作为控制系统 的重要组成部分，一旦其可靠性和实时性得不到保证将直接影响产品质量，甚至产生严重 事故，造成巨大经济损失。因此对于大规模工业应用，特别是闭环控制应用，IWSN的可靠性 和实时性至关重要。另外，传感器节点一般都采用电池供电，能量有限，在流程工业中的系统，一旦节 点能量耗尽，必须更换电池。如果部署设计不当，不同节点、簇头的电池损耗差别过大，统一 更换会造成不必要的浪费，而根据实际电量则将导致频繁地进行电池更换，这显然会增大 网络维护的工作量。为了便于管理、提高实时性，IWSN通常采用分簇结构，使簇内传感器节点只与本簇 簇头通讯，簇头收集簇内节点发送来的数据并通过其余簇头以多跳的方式传送到基站。为 了确保可能性，需要为节点配置冗余簇头，使得每个节点可与两个簇头通信(一用一备)，当 一个簇头出现故障时可快速切换到备用簇头使系统正常工作，保证系统的可靠性，同时，在工业应用中的系统，特别是大规模流程工业中的系统，需要检测变量众多，往往达上万点， 因此，需要优化部署簇头以减少投资成本，简化网络结构，便于管理和维护。实际工业现场 中的设备占用一定的空间，也存在墙壁等其它障碍物，这些障碍物都会影响节点与簇头间 的通讯，因此IWSNs最优部署问题实际上是涉及一个带多种约束的多目标优化问题，即， IWSNs在满足、优化系统可靠性和实时性的约束下，实现系统构建成本和维护成本的最小 化。大规模工业无线传感器网络最优部署方法是一类NP难问题，传统的确定性优化方法并 不能实现对这一类问题的高效求解。近年来，智能优化算法在求解NP难问题时体现出比传 统确定性优化方法更大的优势，其中和声搜索(Harmony Search, HS)算法优良的全局搜索 能力和简单易实现的特点引起了研究者的广泛关注。和声搜索算法是近几年提出的一种新 的智能优化算法，HS的基本思想从随机产生的和声记忆库出发，通过对和声记忆库的思 考、随机选择音调以及音调调节来产生候选解，然后通过对比候选解和记忆库中的最差解 来更新和声记忆库。然而，基本的HS算法采用的是实数或离散编码，主要用于连续空间和离散空间的优化 问题，对于IWSNs布局优化问题、二进制编码优化问题，基本的和声搜索算法音调调节操作 将退化失效，因此，基本的HS的算法不适用于二进制编码优化问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种工业无线传感器网络多目 标最优部署的方法，该方法采用启发式二进制和声搜索算法对节点部署模型进行优化，在 保证系统可靠性和实时性要求的基础上，能够进一步减少系统维护成本和系统构建成本。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案一种工业无线传感器网络多目标最优部署的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下(1)、首先根据工业现场实际空间、障碍物大小及位置、无线传感器功率、精度要求，将 监测区域划分为RdyJ三维网 格，R、S, Γ分别对应横、纵、竖坐标上划分段数，传感器节点、簇头及基站都分别部署在网 格交叉点上，根据工业要求，传感器节点分为两类，一类是一般传感器节点，另一类是关键 传感器节点；根据实际工艺设计需求，工业现场实际空间内有个传感器节点，在空置的JVi个网格点上部署簇头和基站；(2)、根据现场实际设备在ΛΜ'χΓ三维网络坐标中的位置生成障碍物矩阵队障碍物 矩阵i 大小为，网格为“1”表示该网格上有障碍物，如果网格为“0”则表示该网格 上没有障碍物，如果任意两点之间的直线路径中存在有障碍物则认为此两传感器节点之间 无法互相通讯；(3)、和声个体解的表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工业无线传感器网络多目标最优部署的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：（１）、首先根据工业现场实际空间、障碍物大小及位置、无线传感器功率、精度要求，将监测区域划分为Ｒ×Ｓ×Ｔ三维网格，Ｒ、Ｓ、Ｔ分别对应横、纵、竖坐标上划分段数，传感器节点、簇头及基站都分别部署在网格交叉点上，根据工业要求，传感器节点分为两类，一类是一般传感器节点，另一类是关键传感器节点；根据实际工艺设计需求，工业现场实际空间内有Ｎ↓［ｓ］个传感器节点，在空置的Ｒ×Ｓ×Ｔ－Ｎ↓［ｓ］个网格点上部署簇头和基站；（２）、根据现场实际设备在Ｒ×Ｓ×Ｔ三维网络坐标中的位置生成障碍物矩阵Ｂ，障碍物矩阵Ｂ大小为Ｒ×Ｓ×Ｔ，网格为“１”表示该网格上有障碍物，如果网格为“０”则表示该网格上没有障碍物，如果任意两点之间的直线路径中存在有障碍物则认为此两传感器节点之间无法互相通讯；（３）、和声个体解的表示：ｘ＝［ｘ↓［１］，ｘ↓［２］，…ｘ↓［ｎ］］，ｘ↓［ｊ］∈｛００，０１，１０，１１｝，＊ｊ∈｛１，２，…，ｎ｝，空置（Ｒ×Ｓ×Ｔ－Ｎ↓［ｓ］）网格点上布置凑头和基站，ｎ＝（Ｒ×Ｓ×Ｔ－Ｎ↓［ｓ］），其中，ｎ表示用来部署簇头和基站的网格总数，ｘ↓［ｊ］＝００表示在第ｊ个空网格点空置，ｘ↓［ｊ］＝０１或者ｘ↓［ｊ］＝１０表示在第ｊ个空网格点上部署传感器簇头，ｘ↓［ｊ］＝１１表示第ｊ个空网格点上部署基站；（４）设定启发式二进制和声搜索算法的各个控制参数，启发式二进制和声搜索算法的控制参数包括创作次数ＮＩ、和声记忆库大小ＨＭＳ、和声记忆库思考概率ＨＭＣＲ和音调微调概率ＰＡＲ，并随机初始化和声记忆库ＨＭ；（５）、设定传感器节点的通信半径为Ｒ↓［ｓ］，簇头的通信半径为Ｒ↓［ＣＨ］，判断传感器节点与簇头之间的距离是否小于等于Ｒ↓［Ｓ］，若传感器节点与簇头之间的距离小于等于Ｒ↓［Ｓ］，并且两者通讯链路之间不存在障碍物时，则认为传感器节点与该簇头通讯，将传感器节点作为该簇头的一个负载，否则认为传感器节点不能与该簇头通讯；判断两个簇头之间的距离是否小于等于Ｒ↓［Ｓ］，若两个簇头之间的距离小于等于Ｒ↓［ＣＨ］，并且两个簇头之间的通讯链路不存在障碍物时，则认为该两个簇头之间互相通讯；簇头的总负载为簇内传感器节点数及与其通讯的簇头数之和；（６）、判断是否每个一般的传感器节点至少与２个簇头通讯，若每个一般传感器节点不能至少与２个簇头通讯，则认为传感器节点不满足系统可靠性要求，则计算所有一般的传感器节点Ｎ↓［ｉ］的惩罚值Ｐ↓［１］（ｘ），否则认为一般传感器节点满足系统可靠性要求，不计算一般传感器节节点的惩罚值，判断关键传感器节点是否能与大于等于３个簇头通讯，若不能与大于等于３个簇头通讯，则计算所有关键传感器节点Ｎ↓［ｉ］的惩罚值Ｐ↓［２］（ｘ），否则认为关键传感器节点满足系统可靠性要求，不计算关键节点的惩罚值；（７）、设定在监测区域内有Ｎ↓［ＢＡＳＥ］个基站，记为Ｎ↓［ＢＡＳＥ］，传感器节点ｉ通过簇头与最近基站通讯所需跳数为Ｈ↓［ｉ］，考虑到工业无线传感器网络的实时性，要求传感器节点到达基站的跳数不多于Ｓｍａｘ，判断每个传感器节点与各基站通讯的跳数Ｈ↓［ｉ］是否满足少于最大跳数Ｓｍａｘ，若每个传感器节点与各基站通讯的跳数Ｈ↓［ｉ］不能满足少于最大跳数Ｓｍａｘ，则认为传感器节点不满足实时性要求，则计算所有传感器节点Ｎ↓［ｉ］的惩罚值Ｐ↓［３］（ｘ），否则认为传感器节点满足实时性要求，不计算传感器节点的惩罚值；（８）、采用启发式策略初始化和声矩阵，根据各传感器节点分布密度调整随机值，有倾向产生和声矩阵，该和声矩阵的大小记为ＨＭＳ；同时为了确保不丢失可能的解，产生一个全“１”的和声；（９）、计算每个和声ｘ的目标函数值，目标函数为：ｍｉｎｆ（ｘ）＝ｗ↓［１］＊Ｎ↓［ＢＡＳＥ］＋ｗ↓［２］＊Ｎ↓［ＨＥＡＤ］＋ｗ↓［３］＊Ｌ↓［ＨＥＡＤ］＋Ｐ↓［１］（ｘ）＋Ｐ↓［２］（ｘ）＋Ｐ↓［３］（ｘ）其中，ｍｉｎｆ（ｘ）表示目标函数，ｗ↓［１］，ｗ↓［２］，ｗ↓［３］分别是子函数Ｎ↓［ＢＡＳＥ］，Ｎ↓［ＨＥＡＤ］，Ｌ↓［ＨＥＡＤ］的权值，；Ｎ↓［ＨＥＡＤ］表示簇头数量、Ｎ↓［ＢＡＳＥ］表示基站的数量、Ｌ↓［ＨＥＡＤ］表示簇头负载的标准差；；（１０）、在初始化中和声记忆库中找到最好的和声ｈ↓［ｇ］最好的和声定义：和声矩阵中目标函数值最小的和声；（１１）、生成新的和声；（１２）、比较新的和声Ｎ↓［ｉ］与和声记忆库中对应的和声ＨＭ↓［ｉ］的优劣；如果新的和声Ｎ↓［ｉ］比和声记忆库中对应的和声ＨＭ↓［ｉ］优，则用新的和声Ｎ↓［ｉ］替换和声记忆库中对应的和声ＨＭ↓［ｉ］，否则和声矩阵不变；（１３）、更新最优和声ｈ↓［ｇ］；（１４）、判断新产生的和声数是否少于ＨＭＳ，若新产生的和声数少于ＨＭＳ，返回步骤（１１）继续产生新和声，若新产生的...

【技术特征摘要】
1. 一种工业无线传感器网络多目标最优部署的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下(1)、首先根据工业现场实际空间、障碍物大小及位置、无线传感器功率、精度要求，将 监测区域划分为Λχ 'χΓ三维网 格，R、S, Γ分别对应横、纵、竖坐标上划分段数，传感器节点、簇头及基站都分别部署在网 格交叉点上，根据工业要求，传感器节点分为两类，一类是一般传感器节点，另一类是关键 传感器节点；根据实际工艺设计需求，工业现场实际空间内有A1s个传感器节点，在空置的 Uxns个网格点上部署簇头和基站；(2)、根据现场实际设备在三维网络坐标中的位置生成障碍物矩阵队障碍物 矩阵i 大小为，网格为“ 1”表示该网格上有障碍物，如果网格为“0”则表示该网格 上没有障碍物，如果任意两点之间的直线路径中存在有障碍物则认为此两传感器节点之间 无法互相通讯；(3)、和声个体解的表示χ= IX，^，…jU ,\ E{00 015105ll} Vje{l52---; i},空置(脑网格点上布置凑头和基站，” = (Λχ5'χΓ-鸬)，其中，η表示用来部署簇头和基站的网格总数，^ = OO 表示在第J·个空网格点空置，~ = |]1或^^ = 10表示在第J·个空网格点上部署传感器簇头， -V = 11表示第J·个空网格点上部署基站；(4)设定启发式二进制和声搜索算法的各个控制参数，启发式二进制和声搜索算法的 控制参数包括创作次数ΛΤ、和声记忆库大小HMS、和声记忆库思考概率HMCR和音调微 调概率PAR ,并随机初始化和声记忆库HM ；(5)、设定传感器节点的通信半径为口，簇头的通信半径为^f，判断传感器节点与簇头之间的距离是否小于等于乓，若传感器节点与簇头之间的距离小于等于乓，并且两者通讯链路之间不存在障碍物时，则认为传感器节点与该簇头通讯，将传感器节点作为该簇 头的一个负载，否则认为传感器节点不能与该簇头通讯；判断两个簇头之间的距离是否小于等于σ，若两个簇头之间的距离小于等于^rw，并且两个簇头...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灵，茆云飞，付细平，王海宽，付敬奇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31