一種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，它是一種基于無線傳感網絡的智能電表節(jié)點布置方法。本發(fā)明研究了智能抄表系統(tǒng)中無線網絡節(jié)點的部署問題，針對離散、不均勻分布的目標點覆蓋問題，提出了靜態(tài)節(jié)點部署的相關算法；為了提高中繼鏈路的可靠性，延長網絡生存期，提出了不依賴位置信息的節(jié)點盲移動算法；為了增強網絡的連通性，構建容許一個節(jié)點失效的兩連通網絡拓撲，提出了基于接收信號強度的單節(jié)點移動算法。
【專利說明】一種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感網領域，具體說是基于無線智能抄表系統(tǒng)的智能電表終端節(jié) 點的布置方法。
【背景技術】
[0002] 作為無線智能抄表的基礎問題之一，節(jié)點部署問題（Deployment Problem)是無線 智能抄表系統(tǒng)運行、應用實現(xiàn)的基礎，網絡環(huán)境中不僅存在著智能電表終端節(jié)點，還可能存 在我們要獲取信息的目標區(qū)域（PA，Preference Area)和無法檢測或妨礙檢測的障礙區(qū)域 (0A，Obstacle Area)，一個良好的網絡部署應該保證所有節(jié)點的感應區(qū)域覆蓋整個監(jiān)控區(qū) 域的各個角落，節(jié)點和節(jié)點之間相互連通，對目標區(qū)域100%覆蓋，對障礙區(qū)域不覆蓋，同時 節(jié)點可進行信息的通信，靈活性強，具有容錯性，具有自組織能力。隨著各種研究的深入，部 署問題已經與節(jié)點覆蓋連通、目標跟蹤和定位、路由管理、網絡組織管理、節(jié)點能量等問題 關聯(lián)起來。
[0003] 無線智能抄表網絡中的節(jié)點部署問題，即通過一定的算法來布置無線節(jié)點，優(yōu)化 現(xiàn)有的網絡的資源，它決定著節(jié)點監(jiān)測物理空間的效果，進而影響傳無線智能抄表網絡的 服務質量。在實現(xiàn)各種網絡協(xié)議和應用系統(tǒng)時，存在著一些現(xiàn)實約束，比如節(jié)點體積微小， 通常有能量十分有限的電池；但同時節(jié)點個數多、分布區(qū)域廣、部署區(qū)域環(huán)境復雜，通過充 電或更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的，因此節(jié)能是無線傳感網絡研究的重要目標。 無線傳感網絡的能量消耗直接決定了網絡的使用壽命，通過有效配置網絡節(jié)點可以保證網 絡的有效覆蓋性和連通性，也有利于節(jié)省節(jié)點的能量，延長網絡的生命周期，更好更大地發(fā) 揮網絡的作用。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明通過靜態(tài)網絡規(guī)劃，動態(tài)網絡規(guī)劃實現(xiàn)無線智能抄表網絡的節(jié)點部署機 制。靜態(tài)節(jié)點部署的兩種情況進行了建模?；诠?jié)點的可控制移動的思想，提出了增強鏈 路有效性的節(jié)點移動部署算法；對無線網絡拓撲抗毀性提出了增強網絡連通性能的單節(jié)點 移動控制算法。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術方案如下：
[0006] -種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，針對離散、不均勻分布的目標點覆蓋問題， 設計了靜態(tài)節(jié)點部署的相關算法；
[0007] 增強鏈路有效性的節(jié)點優(yōu)化部署，提高中繼鏈路的可靠性，延長網絡生存期；
[0008] 網絡拓撲動態(tài)優(yōu)化，增強了網絡的連通性。
[0009] 靜態(tài)節(jié)點部署問題：
[0010] 掃描部署，通過動態(tài)移動節(jié)點掃描感知區(qū)域，搜索監(jiān)視目標，實現(xiàn)信息檢測；在掃 描部署方式中，感知數據的過程節(jié)點的數量、節(jié)點布置的位置和感知目標的數據采集效果； 使盡量多的目標對象被檢出，減少遺漏； toon] 區(qū)域部署；采用靜止節(jié)點采集感知區(qū)域的數據，節(jié)點布置到目標區(qū)域后不可移動 或只能在小范圍內移動；尋求能覆蓋整個感知區(qū)域的最少節(jié)點數目；根據檢測需要也可以 再次移動布置的節(jié)點，但移動的范圍很小，以保證節(jié)點的能源有效；
[0012] 障礙部署；信息采集的目標區(qū)域的自然環(huán)境非常復雜，有建筑物、斜坡、高山影響 數據采集和通訊的自然因素，節(jié)點的布置要考慮到這些自然環(huán)境因素的限制；為實現(xiàn)有效 覆蓋，應該減少或避開障礙對節(jié)點的影響；可以根據障礙物的空間結構，將障礙物與檢測目 標有機結合來布置節(jié)點位置。
[0013] 節(jié)點的靜態(tài)優(yōu)化部署兩種描述：一為運用優(yōu)化策略將節(jié)點分派到網格上，使得在 滿足每個網格點覆蓋要求的前提前，配置的節(jié)點數量最??；二為已知所有網格點以及需要 部署的節(jié)點節(jié)點數量k，應合理地安排k個節(jié)點的位置。
[0014] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0015] 1、優(yōu)化網絡拓撲結構，降低感知區(qū)域節(jié)點部署費用，同時滿足感知區(qū)域覆蓋需要， 適應節(jié)點計算、通訊以及容錯處理要求。
[0016] 2、有效實現(xiàn)感知信息檢測、定位和目標跟蹤，智能化的節(jié)點部署實現(xiàn)了一體化的 整體設計，減少額外開銷。
[0017] 3、解決了節(jié)點失效的冗余技術和保證系統(tǒng)長期正常工作的能源有效技術。
[0018] 4、在保證滿意覆蓋度的情況下，更改善了網絡中節(jié)點分布的均勻度和能量的平衡 度，算法的公平性使得重配置后的網絡更符合Max/Min標準，因而具有更長的生命周期。
[0019] 5、在提高網絡容量的同時使網絡具有較強的抗毀性能。構造具有兩連通性的網絡 拓撲可以在網絡中任一個節(jié)點發(fā)生故障或移動情況下會影響其它節(jié)點之間的通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明基于菱形網格的節(jié)點放置方式圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明中繼節(jié)點的最佳位置圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明網絡模型圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明節(jié)點的搜索過程圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖1-4對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025] -種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，包括對節(jié)點部署的方式、過程、手段進行了 全面的介紹；對靜態(tài)節(jié)點部署的兩種情況進行了建模，研究了相關算法；增強鏈路有效性 的節(jié)點移動部署算法；增強網絡連通性能的單節(jié)點移動控制算法。
[0026] 節(jié)點部署的方式；
[0027] 掃描部署，通過動態(tài)移動節(jié)點掃描感知區(qū)域，搜索監(jiān)視目標，實現(xiàn)信息檢測。在掃 描部署方式中，感知數據的過程需要考慮節(jié)點的數量、節(jié)點布置的位置和感知目標的數據 采集效果。使盡量多的目標對象被檢出，力爭減少遺漏；
[0028] 區(qū)域部署，采用靜止節(jié)點采集感知區(qū)域的數據，節(jié)點布置到目標區(qū)域后不可移動 或只能在小范圍內移動。尋求能覆蓋整個感知區(qū)域的最少節(jié)點數目。根據檢測需要也可以 再次移動布置的節(jié)點，但移動的范圍很小，以保證節(jié)點的能源有效；。
[0029] 障礙部署，信息采集的目標區(qū)域的自然環(huán)境非常復雜，有建筑物、斜坡、高山影響 數據采集和通訊的自然因素，節(jié)點的布置要考慮到這些自然環(huán)境因素的限制。為實現(xiàn)有效 覆蓋，應該減少或避開障礙對節(jié)點的影響。可以根據障礙物的空間結構，將障礙物與檢測目 標有機結合來布置節(jié)點位置。
[0030] 部署過程；
[0031] 采用人工或機器人方式逐一擺放到目標點；
[0032] 配置方案的制定受很多因素的影響，需要考慮如下因素：減少部署成本，排除預先 影響部署的任何因素，擴大部署的適應性，提高自組織和容錯能力，靜態(tài)節(jié)點部署的相關算 法；
[0033] 部署后，網絡拓撲結構的變化取決于節(jié)點自身的變化，包括：節(jié)點位置的變化；感 知能力的降低，包括人為干擾、噪聲、移動物體的干擾；
[0034] 節(jié)點可利用的能量的變化；節(jié)點裝置故障；節(jié)點感知數據的發(fā)生。
[0035] 部署手段；
[0036] 1)將節(jié)點裝入固定的部署裝置中，以部署裝置作為節(jié)點的源位置，將節(jié)點部署到 目標點位置。
[0037] 2)將節(jié)點裝入移動的配置裝置中，以移動配置裝置作為節(jié)點的源位置，通過移動 的配置裝置動態(tài)有序的將節(jié)點布置到目標點位置。
[0038] 靜態(tài)節(jié)點部署的相關算法；
[0039] MAX. AVG. C0V 與 MAX. MIN. C0V 算法。MAX. AVG. C0V 和 MAX. MIN. C0V 貪心啟發(fā)策略 布置節(jié)點，根據前驅節(jié)點的布置情況，應用某種啟發(fā)策略，決定下一個節(jié)點的布置位置。其 目的是希望運用優(yōu)化策略將節(jié)點分派到網格上，使得在滿足每個網格點覆蓋要求的前提 前，配置的節(jié)點數量最小。將待放置的節(jié)點區(qū)域劃分成網格，假設節(jié)點探測目標的概率隨 目標和節(jié)點之間的距離成指數變化，并很好地把障礙物和優(yōu)先覆蓋模型化；同時與隨機 放置和均勻放置算法進行了比較，結果顯示兩種算法都有較好的性能。但是兩種算法也存 在一些不足，比如：MAX. AVG. C0V是從整體角度出發(fā)，把節(jié)點放在能使整體性能改變最大的 點上，而MAX. MIN. C0V算法是從優(yōu)先改善局部性能的角度出發(fā)，優(yōu)先把節(jié)點放在性能最差 的點上，該方法求解效率比較高，但對每個需求解的問題必須找出其特有的啟發(fā)式規(guī)則，所 以，這種方法較多地依賴于對問題構造和性質的認識和經驗；
[0040] 整體-局部-增進算法。這種算法是迭代算法，初始化后，每運行一次放置一個節(jié) 點到網絡區(qū)域中。算法只有在所有點都滿足覆蓋要求或是已配置的節(jié)點目已達到能配置的 節(jié)點的數目的極限時算法才停止。在每次迭代過程中，尋找使網絡整體有效覆蓋性能改變 最大的點。充分考慮這些實際問題，在保留原有的障礙物模型和優(yōu)先覆蓋模型很好的思考 方法的同時，加進來新的元素，利用推導，剔除局部冗余，提升整體性能，通過算法迭代，得 到一系列網格點，在這些網格點上放置節(jié)點，得到了更高效的放置方法；
[0041] 菱形網格放置方法。適用于靜態(tài)網絡部署的為已知所有網格點以及需要部署的節(jié) 點數量k，能夠合理地安排k個節(jié)點的位置。菱形網格既能充分利用節(jié)點的感知和通信能 力，又能夠確保區(qū)域內完全無縫連通和完全無縫覆蓋，實現(xiàn)完全無縫覆蓋的網絡區(qū)域內所 需要的最少節(jié)點數N由下面公式給出：
[0042]
【權利要求】
1. 一種智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 針對離散、不均勻分布的目標點覆蓋問題，設計了靜態(tài)節(jié)點部署的相關算法； 增強鏈路有效性的節(jié)點優(yōu)化部署，提高中繼鏈路的可靠性，延長網絡生存期； 網絡拓撲動態(tài)優(yōu)化，增強了網絡的連通性。
2. 按照權利要求1所述的智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 靜態(tài)節(jié)點部署問題： 掃描部署，通過動態(tài)移動節(jié)點掃描感知區(qū)域，搜索監(jiān)視目標，實現(xiàn)信息檢測；在掃描部 署方式中，感知數據的過程節(jié)點的數量、節(jié)點布置的位置和感知目標的數據采集效果；使盡 量多的目標對象被檢出，減少遺漏； 區(qū)域部署；采用靜止節(jié)點采集感知區(qū)域的數據，節(jié)點布置到目標區(qū)域后不可移動或只 能在小范圍內移動；尋求能覆蓋整個感知區(qū)域的最少節(jié)點數目；根據檢測需要也可以再次 移動布置的節(jié)點，但移動的范圍很小，以保證節(jié)點的能源有效； 障礙部署；信息采集的目標區(qū)域的自然環(huán)境非常復雜，有建筑物、斜坡、高山影響數據 采集和通訊的自然因素，節(jié)點的布置要考慮到這些自然環(huán)境因素的限制；為實現(xiàn)有效覆蓋， 應該減少或避開障礙對節(jié)點的影響；可以根據障礙物的空間結構，將障礙物與檢測目標有 機結合來布置節(jié)點位置。
3. 按照權利要求1所述的智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 節(jié)點的靜態(tài)優(yōu)化部署兩種描述：一為運用優(yōu)化策略將節(jié)點分派到網格上，使得在滿足 每個網格點覆蓋要求的前提前，配置的節(jié)點數量最??；二為已知所有網格點以及需要部署 的節(jié)點節(jié)點數量k，應合理地安排k個節(jié)點的位置。
4. 按照權利要求3所述的智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 靜態(tài)節(jié)點部署的相關算法； MAX. AVG. COV 與 MAX. MIN. COV 算法；MAX. AVG. COV 和 MAX. MIN. COV 貪心啟發(fā)策略布置節(jié) 點，根據前驅節(jié)點的布置情況，應用某種啟發(fā)策略，決定下一個節(jié)點的布置位置；其是希望 運用優(yōu)化策略將節(jié)點分派到網格上，使得在滿足每個網格點覆蓋要求的前提前，配置的節(jié) 點數量最小；將待放置的節(jié)點區(qū)域劃分成網格，假設節(jié)點探測目標的概率隨目標和節(jié)點之 間的距離成指數變化，并很好地把障礙物和優(yōu)先覆蓋模型化；同時與隨機放置和均勻放置 算法進行了比較，結果顯示兩種算法都有較好的性能； 整體-局部-增進算法；這種算法是迭代算法，初始化后，每運行一次放置一個節(jié)點到 網絡區(qū)域中；算法只有在所有點都滿足覆蓋要求或是已配置的節(jié)點目已達到能配置的節(jié)點 的數目的極限時算法才停止；在每次迭代過程中，尋找使網絡整體有效覆蓋性能改變最大 的點；充分考慮這些實際問題，在保留原有的障礙物模型和優(yōu)先覆蓋模型很好的思考方法 的同時，加進來新的元素，利用推導，剔除局部冗余，提升整體性能，通過算法迭代，得到一 系列網格點，在這些網格點上放置節(jié)點，得到了更高效的放置方法； 菱形網格放置方法；適用于靜態(tài)網絡部署的為已知所有網格點以及需要部署的節(jié)點數 量k，能夠合理地安排k個節(jié)點的位置；菱形網格既能充分利用節(jié)點的感知和通信能力，又 能夠確保網絡區(qū)域內完全無縫連通和完全無縫覆蓋，實現(xiàn)完全無縫覆蓋的網絡區(qū)域內所需 要的最少節(jié)點數N由下面公式給出：
此處，F(xiàn)為網絡區(qū)域的面積，
7每個節(jié)點的有效覆蓋面積，r為節(jié)點的感 知或通信半徑；令每個節(jié)點位于菱形網格的定點上；菱形網格能保證網絡區(qū)域完全無縫覆 蓋，又能使所需要的節(jié)點數最少。
5. 按照權利要求1所述的智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 增強鏈路有效性的節(jié)點優(yōu)化部署； 無線網絡中，節(jié)點屬性基本相同且依靠電池供電，因此，處理和傳輸能力也相對有限； 處于通信范圍內的節(jié)點之間可以直接通信，而超出通信能力則需要這兩個節(jié)點之間的其它 節(jié)點轉發(fā)和路由；通過在網絡中部署中繼節(jié)點的方法，能夠有效地降低節(jié)點的傳輸功率，以 延長網絡生存期； 提出了基于信號強度感知的節(jié)點盲移動算法，在保持網絡節(jié)點之間連通的基礎上，部 署中繼節(jié)點以提高鏈路的有效性，延長網絡的生存期；因此，算法將節(jié)點鏈路的代價即與中 繼節(jié)點相關的各條鏈路的傳輸消耗之和作為中繼節(jié)點移動的依據，根據鏈路代價的變化， 中繼節(jié)點動態(tài)調節(jié)自己的位置，使其逐步到達最小化鏈路代價的最佳位置；由于節(jié)點不具 備位置信息，中繼節(jié)點每一步的移動方向、移動步長都是由鄰節(jié)點信號強度確定；這種方法 能夠在降低信息獲取難度的同時，減少傳輸消耗，提高鏈路的有效性。
6. 按照權利要求1所述的智能抄表系統(tǒng)設備現(xiàn)場布置方法，其特征在于： 網絡拓撲動態(tài)優(yōu)化； 提出的增強網絡連通性的節(jié)點移動控制解決在不破壞網絡原有鏈路的基礎上，改變節(jié) 點位置從而構建兩連通網絡的問題；算法不依賴節(jié)點的位置信息，僅利用鄰節(jié)點信號強度 和呼叫信號強度確定一個移動節(jié)點和它將要建立連接的目標節(jié)點以及該節(jié)點移動的方向、 步長；考慮到節(jié)點能量有限而且節(jié)點的移動也需要消耗能量，網絡連通性能的改善是以一 定能量消耗為代價而實現(xiàn)的；因此，所選取的移動節(jié)點是分割節(jié)點的鄰節(jié)點中移動消耗最 小的節(jié)點，也就是說算法實現(xiàn)了以最少的移動節(jié)點、最小的能量消耗、最大程度地建立與目 標節(jié)點之間的鏈路，消除網絡中的分割節(jié)點；雖然單節(jié)點算法只移動一個節(jié)點能夠改善網 絡節(jié)點之間的連接關系，對于節(jié)點分布較為密集的網絡，這樣的方法很有效。
【文檔編號】G08C17/02GK104066097SQ201410258071
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權日:2014年6月11日
【發(fā)明者】魏劍嵬, 李媛, 楊祖業(yè), 李勇, 于惠宣 申請人:沈陽中科博微自動化技術有限公司