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第35期 结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法

2019-5-10 10:03

52监测网专家报告分享-第35期 结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法 谢美希、周广东 河海大学


52监测网专家报告分享-第35期

结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法
谢美希、周广东 河海大学

目录

一、引言
二、研究思路与方法
三、仿真实验与分析
四、结论

一、引言

80年代中后期各种规模的桥梁健康监测系统开始建立!


英国在总长为552m的三跨变高度连续钢箱梁Foyle桥上布设传感器,是最早安装的较为完整的监测系统之一。进行实时监测、实时分析、数据网络共享。


我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立不同规模的结构健康监测系统!

1、健康监测系统
随着人们对结构安全性的重视以及各种监测技术的发展,结构健康监测技术已经成为保障土木工程结构安全运营的重要手段

2、传感网络寿命
无线传感节点一般采用电池供电,能量难以补充,节点能量消耗的快慢就成了影响无线传感网络寿命长短的决定性因素

3、无线传感网络
由于无线传感器网络具有不需布线、安装方便、成本低、具有分布式数据处理能力等突出优点,近年来在结构振动监测领域得到了广泛应用

4、网络寿命优化
需均衡消耗无线网络节点能量,避免某些节点能量消耗过快导致网络死亡,从而延长无线传感网络寿命

二、研究思路与方法

无线传感网络特征
传感节点一般根据结构测试的需要确定位置,布置完毕后就不再移动;
结构振动监测传感器一般采用连续采集方式;
无线传感网络的规模一般较小,节点数量不超过100;

无线传感网络持续性
无线传感网络中节点有限的能量能够得到充分利用,最大化网络寿命,实现工程结构的长期、连续监测。


无线传感网络服务性
合理分配无线传感网络的可用数据传输带宽,避免数据丢包和拥挤,保证工程结构的可靠、稳定监测。



算法实施步骤

初始化节点位置,并根据节点最大传输距离构建每个节点的邻近节点矩阵
设置每个节点的初始能量,并将N-1只萤火虫放置在N-1个节点
根据概率转移公式计算每个节点上的萤火虫飞向其邻近节点的概率,构建概率转移矩阵
采用轮盘赌法选择数据传输节点,根据每只萤火虫选择移动节点的情况,更新概率转移矩阵
形成每个节点到目的节点的M条有效路径
对每个节点到目的节点的M条有效路径用路由指标进行评价,并保留最佳传输路径方案

关键点

1、编码方式
采用整数编码,并对有效位数不足的路径,补0,保证每条路径跳数一致,方便运算;

2、概率转移公式
根据萤火虫转移情况,及时更新概率转移矩阵,避免在一条数据传输路径中,节点被重复选择,导致无用转发,从而影响网络性能;

3、路由评价指标
综合考虑无线传感网络连续性和服务性,保证数据有效,稳定的转发和处理;

4、能量通知机制
在进行一定数量数据包传输后,启用能量通知机制,从而产生新的数据传输方案,避免某些节点过量使用,导致能量消耗过快,网络过早死亡;

三、仿真实验与分析


最短路径算法下网络的能耗很不均匀,个别节点能量消耗很大,最大达到886mJ;
能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法;

四、结论

在路径最优情况下,无线传感网络最多可运行8轮;而在能量均衡最优情况下,无线传感网络可运行12轮,数据传输量增加50%。

与路径最优情况进行对比,在能量均衡情况下,每个节点的能量消耗较均匀,这是因为数据进行传递时,总是选择剩余能量多的节点,从而保证网络中各节点能量的均匀消耗。

能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法,这是因为在路径评价指标中,也考虑到了节点能耗,空闲程度,路径长度和跳数等因素,从而减少了每个节点的能量消耗。

结构振动监测无线传感网络能量均衡路由算法
谢美希、周广东 河海大学


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  • eason是我粉丝 2019-5-14 10:42
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    谢美希、周广东 河海大学

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