本發(fā)明屬于路徑規(guī)劃相關，更具體地，涉及一種考慮路線信息年齡的巡線規(guī)劃方法及其規(guī)劃系統(tǒng)。

背景技術：

1、電網、高速公路、和管道等網絡需要經常進行監(jiān)控和損壞檢測，尤其在自然災害(例如山火、地震)、極端天氣條件(例如凍雨、暴雪、低溫)和事故期間，這些網絡特別容易受到動態(tài)環(huán)境的影響而產生損壞。與常規(guī)巡線任務不同，在這些情況下，需要反復巡查線路，以確保及時發(fā)現(xiàn)由時變環(huán)境造成的任何損害。

2、信息年齡(age?of?information,aoi)是衡量決策者了解動態(tài)環(huán)境狀態(tài)及時度的指標。特定位置的aoi定義為自上次訪問該位置以來的時間長度。例如，地點x在時間t的信息年齡為δ(x,t)＝t-u(x,t)，其中u(x,t)是時間t之前最近一次巡視地點x的時間。

3、當前研究主要聚焦于為設置路徑以最小化節(jié)點的信息年齡。然而，保障節(jié)點的信息年齡與線路的信息年齡存在很大區(qū)別，節(jié)點為離散分布，而線路的巡視是連續(xù)的過程，優(yōu)化節(jié)點的信息年齡并不能優(yōu)化連續(xù)路徑的信息年齡，有可能會導致某些路徑的訪問間隔較長而無法及時偵探到該路線上的風險。

4、假設待巡線的連通路線網絡圖g具有節(jié)點集合v和邊集合e，在巡線路徑r下，整個網絡圖g＝(v,e)的平均信息年齡定義為在快速變化的環(huán)境中，平均信息年齡過大將意味著該位置采樣間隔較長，可能導致線路發(fā)生了缺陷但無法及時檢測到，導致風險增加。而線路的管理者需要及時監(jiān)控每個線路的狀態(tài)以進行診斷和預防性維護，尤其是在極端環(huán)境中。

5、因此，亟需提出一種考慮路線信息年齡的巡線規(guī)劃方案，能夠以優(yōu)化整體路線平均信息年齡為目標進行巡視規(guī)劃，以確保及時地巡視線路中的每個部分，從而保證巡視的可靠性。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種考慮路線信息年齡的巡線規(guī)劃方法及其規(guī)劃系統(tǒng)，其目的在于以優(yōu)化整體路線平均信息年齡為目標進行巡視規(guī)劃，以確保及時地巡視線路中的每個部分，從而保證巡視的可靠性。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種考慮路線信息年齡的巡線規(guī)劃方法，其包括：

3、步驟s1：判斷待進行巡視的路線網絡圖g是否存在歐拉回路，若不存在，則執(zhí)行步驟s2；

4、步驟s2：找出圖g中所有度數(shù)為奇數(shù)的節(jié)點構建完全圖gf，所述度數(shù)為節(jié)點連接邊的數(shù)量，所述節(jié)點為不同邊的交匯點；圖gf中兩點之間邊的長度為圖g中對應兩點之間最短路徑的訪問時間；

5、步驟s3：對圖gf進行最小權重完美匹配問題的求解，得到最佳匹配的邊的集合om；

6、步驟s4：以圖g作為初始化的擴充圖g′，遍歷集合om的每條邊(v,u)，v,u分別是當前邊的節(jié)點，尋找圖g中從節(jié)點v到節(jié)點u的最短路徑rs并將路徑rs中的每條邊添加至當前圖g′中，遍歷完成后得到最終的圖g′；

7、步驟s5：從圖g′中尋找歐拉回路；

8、步驟s6：以所尋的歐拉回路作為巡線路徑r。

9、優(yōu)選地，在步驟s1中，判斷待進行巡視的路線網絡圖g是否存在歐拉回路，若存在，則以所存在的歐拉回路作為巡線路徑r。

10、優(yōu)選地，當待進行巡視的路線網絡圖g存在歐拉回路時，以所存在的歐拉回路作為巡線路徑r并計算巡線路徑r的平均信息年齡l(e)為圖g中所有邊的訪問時間。

11、優(yōu)選地，步驟s5中，所述從圖g′中尋找歐拉回路，包括：采用最小懲罰搜索算法尋找歐拉回路；

12、所述最小懲罰搜索算法包括：

13、步驟s51：以圖g′作為初始化的圖選擇圖中的一個節(jié)點作為歐拉回路s的起點v0；

14、步驟s52：對于當前路徑s末端的節(jié)點v′，尋找所有可延伸的節(jié)點u′構成集合vnext，節(jié)點u′滿足：在當前圖中與節(jié)點v′連接且刪除邊(v′,u′)不會將圖分成兩個不連通的子圖；

15、步驟s53：計算集合vnext中每個節(jié)點u′的懲罰函數(shù)值pu′：

16、若圖g′中節(jié)點v′和節(jié)點u′之間只存在一條邊，則為圖g′中所有邊e′的訪問時長；

17、若圖g′中節(jié)點v′和節(jié)點u′之間存在兩條邊且當前路徑s中已包含其中的一條邊，則pu′為前后兩次訪問邊(v′,u′)的間隔時長；

18、若圖g′中節(jié)點v′和節(jié)點u′之間存在兩條邊且當前路徑s中尚未出現(xiàn)邊(v′,u′)，則∈為預設的正擾動值，l(s)為當前路徑s的訪問時長，l((v′,u′))為邊(v′,u′)的訪問時長，dist(u′,v0)為圖g中節(jié)點u′至起點v0的最短路徑訪問時長；

19、步驟s54：從集合vnext中選擇懲罰函數(shù)值pu′最大的節(jié)點u′作為下一個延伸節(jié)點添加至路徑s的末端，并刪除當前圖中的一條邊(v′,u′)；

20、步驟s55：重復步驟s52至步驟s54直至圖中邊的集合為空，輸出歐拉回路s。

21、優(yōu)選地，步驟s6中，所述以所尋的歐拉回路作為巡線路徑r，包括：直接以采用最小懲罰搜索算法尋找的歐拉回路作為最終的巡線路徑r。

22、優(yōu)選地，步驟s6中，所述以所尋的歐拉回路作為巡線路徑r，包括：

23、比較采用不同方法從圖g′中尋找到的歐拉回路并計算每個歐拉回路的平均信息年齡，以平均信息年齡最小的歐拉回路作為最終的巡線路徑r；

24、其中，計算路徑s的平均信息年齡的方法包括：

25、步驟s61：將歐拉回路s＝(s[0],…,s[m])擴充為路徑sa＝(s[0],…,s[m],s[m+1],…,s[2m])，路徑sa為按路徑s巡視兩個周期所形成的巡線路徑，s[i]＝s[m+i]，s[i]為巡線路徑中第i步到達的節(jié)點，m為路徑s的邊數(shù)；

26、步驟s61：初始化累積信息年齡δ為0，初始化i＝m；

27、步驟s62：沿路徑sa進行巡視，當訪問邊e＝(sa[i],sa[i+1])時，從當前sa[i]開始沿著sa回溯直至回溯到上一次邊e被訪問的位置，計算當前sa[i]離上一次邊e訪問結束時在sa中經過的訪問時長t；

28、若上一次訪問邊e時方向與本次訪問方向相同，則將當前累積信息年齡δ累加其中l(wèi)(e)是邊e的訪問時長；

29、若上一次訪問邊e時方向與本次訪問方向相反，則將累積信息年齡δ累加

30、步驟s63：判斷i是否為2m，若否，令i＝i+1,跳轉至步驟s62，若是，則執(zhí)行步驟s64：

31、步驟s64：計算平均信息年齡為路徑s所有邊的訪問時間。

32、優(yōu)選地，在步驟所述判斷待進行巡視的路線網絡圖g是否存在歐拉回路，包括：

33、判斷圖g每個節(jié)點的度是否均為偶數(shù)，若是，則圖g存在歐拉回路，若否，則圖g不存在歐拉回路。

34、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種考慮路線信息年齡的巡線規(guī)劃系統(tǒng)，其包括：

35、判斷單元，用于判斷待進行巡視的路線網絡圖g是否存在歐拉回路；

36、完全圖構建單元，用于當圖g不存在歐拉回路時，找出圖g中所有度數(shù)為奇數(shù)的節(jié)點構建完全圖gf，所述度數(shù)為節(jié)點連接邊的數(shù)量，所述節(jié)點為不同路線的交匯點；圖gf中兩點之間邊的長度為圖g中對應兩點之間最短路徑的訪問時間；

37、最佳匹配單元，用于對圖gf進行最小權重完美匹配問題的求解，得到最佳匹配的邊的集合om；

38、圖擴充單元，用于以圖g作為初始化的擴充圖g′，遍歷集合om的每條邊(v,u)，v,u分別是當前邊的節(jié)點，尋找圖g中從節(jié)點v到節(jié)點u的最短路徑rs并將路徑rs中的每條邊添加至當前圖g′中，遍歷完成后得到最終的圖g′；

39、規(guī)劃單元，用于從圖g′中尋找歐拉回路；

40、輸出單元，用于以所尋的歐拉回路作為巡線路徑r。

41、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上任一項所述的方法的步驟。

42、按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種計算機程序產品，包括計算機程序或指令，所述計算機程序或指令被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上任一項所述的方法的步驟。

43、總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明主要具有以下有益效果：

44、1.對于待進行巡視的區(qū)域，所有需要進行巡視的路線構成連通的路線網絡圖，需要設計巡視路徑對路線網絡圖反復巡視，如果某條路徑在一個周期內恰好經過圖中的每個邊一次，則該條路徑稱為該圖的歐拉路徑，以歐拉路徑作為巡線路徑，可以獲取路線網絡圖最小的巡視平均信息年齡。然而，路線網絡圖往往不存在歐拉回路，對于不存在歐拉回路的網絡圖，本發(fā)明設計了一種巡線規(guī)劃方法，通過求解最小權重完美匹配的問題，得到原圖g中需要添加的邊，并將這些邊擴充到圖g當中，得到擴充圖g′；由于最小權重匹配問題是基于原圖g中度數(shù)為奇數(shù)的點構造求解，在這些點中添加邊之后，擴充圖g′中所有點的度數(shù)都為偶數(shù)，因而擴充圖g′具有歐拉回路；另最小權重完美匹配問題求解得到的邊在所有添加邊方法中具有最短的長度，且通過理論分析嚴格證明了擴充圖g′的任意兩點間最多有兩條邊相連，基于圖g′所尋找的歐拉回路，圖g中每條邊最多被訪問兩次，以所擴充的圖g′的歐拉回路作為巡線路徑，理論證明該巡線方法在任何連通圖中所得到的平均信息年齡不超過所有算法能理論上達到的最小平均信息年齡的兩倍，由此可以優(yōu)化待巡視的網絡圖的平均年齡信息，以確保及時地巡視線路中的每個部分，從而保證巡視的可靠性。

45、2.在具體實施例中，還進一步對fleury's算法進行改進，提出一種最小懲罰搜索算法以尋找歐拉回路的方法，該方法采用了逐步構造歐拉回路的方法，在每一步尋找可以加入歐拉回路的邊，直到整個歐拉回路構造完成；在每一步尋找可加入的邊時，引入懲罰值，本質上是估計每一條邊信息年齡的梯度信息，進而優(yōu)先選擇信息年齡梯度較大的邊加入歐拉回路，由此可以避免某一條邊產生過大的信息年齡，從而降低整個圖的信息年齡。

46、3.在具體實施例中，還進一步提出了一種計算歐拉回路平均信息年齡的計算方法，通過比較尋找到的不同歐拉回路的平均信息年齡，以平均信息年齡最小的歐拉回路作為最終的巡線路徑，該計算方法通過考慮每一條邊在巡線路徑下先后兩次被訪問的順序是否相同，從而對這一條邊在被訪問時的瞬時信息年齡狀態(tài)進行建模，進而對這條邊在巡線路徑下兩次訪問間隔內的瞬時信息年齡進行積分計算，得到每一條邊在訪問周期內的累計信息年齡，進一步匯總所有邊在巡線路徑下的累積信息年齡，并除以巡線路徑所有邊的訪問時間，從而得到巡線路徑下所有邊的平均信息年齡?；谝陨戏椒ㄓ嬎闫骄畔⒛挲g，可以快速準確地計算出平均信息年齡并對巡線路徑進行評估，平均信息年齡越小，其巡線路徑越優(yōu)。