一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法，涉及工業(yè)自動(dòng)化和智能計(jì)算兩大領(lǐng)域。本方法針對(duì)工業(yè)中常用的兩層分簇結(jié)構(gòu)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，定義了一種新的通信模型，提出了一種Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法，采用Pareto人類學(xué)習(xí)優(yōu)化算法對(duì)簇頭節(jié)點(diǎn)部署位置進(jìn)行優(yōu)化，通過提供冗余簇頭、優(yōu)化限制傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的跳數(shù)、減少簇頭數(shù)、平衡簇頭負(fù)載量、預(yù)留移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)所需網(wǎng)絡(luò)接入口，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性、實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、擴(kuò)展性的多目標(biāo)優(yōu)化。
【專利說明】 —種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化和智能計(jì)算兩大領(lǐng)域，具體涉及一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]當(dāng)今，為了提高過程控制效率、遵守環(huán)境規(guī)章以及滿足經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的需求，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)普遍應(yīng)用于大型工業(yè)系統(tǒng)中。在過去的幾十年，有線工業(yè)通信，比如現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)和有線HART，在工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，提高了工業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和效率。然而，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中安裝布置線纜依然十分困難且花費(fèi)高昂。特別對(duì)于工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控，安裝工業(yè)線纜的代價(jià)甚至比傳感器本身的代價(jià)還要高。同時(shí)，由于傳統(tǒng)有線系統(tǒng)的布線限制，其難以應(yīng)用于工業(yè)旋轉(zhuǎn)對(duì)象的檢測(cè)。因此工業(yè)無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用前景非常誘人，工業(yè)無(wú)線通信使得工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)置變得更容易、更低廉、更靈活。由于工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，國(guó)際自動(dòng)化控制公司，如霍尼韋爾、愛默生、西門子、ABB、羅格威爾以及Y0K0GAWA,基于Zigbee、wirelessHART、ISA100.1la等不同的無(wú)線技術(shù)開發(fā)了各自的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解決方案以及相關(guān)無(wú)線產(chǎn)品。
[0004]工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化和控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。目前實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，為了便于管理、保證實(shí)時(shí)性，工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用兩層分簇結(jié)構(gòu)，兩層分簇結(jié)構(gòu)中通常包含兩類節(jié)點(diǎn):傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，簇頭節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)整合發(fā)送給基站。實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)系統(tǒng)需要工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性，以確?？刂葡到y(tǒng)工作正常，避免造成人員傷亡、爆炸、物料損失等生產(chǎn)事故。但在工業(yè)環(huán)境中，普遍存在的電磁污染、高腐蝕、高濕度、震動(dòng)和灰塵等都可能使得傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，從而中斷網(wǎng)絡(luò)連接。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)常在一個(gè)固定的短周期內(nèi)合作收集和傳播延遲敏感的數(shù)據(jù)，使得保證數(shù)據(jù)的可靠性與實(shí)時(shí)性更為困難。此外，長(zhǎng)期工業(yè)應(yīng)用中傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)也不可避免地會(huì)產(chǎn)生故障。目前，研究人員已提出包括改進(jìn)的編碼策略、MAC協(xié)議、ARQ協(xié)議、路由方法和調(diào)度算法等多種策略以提高工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性，然而對(duì)于大規(guī)模的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，其包含節(jié)點(diǎn)可能過萬(wàn)，只通過改進(jìn)編碼方式、MAC協(xié)議和路由是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須從系統(tǒng)的角度來全局優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的部署、仔細(xì)設(shè)計(jì)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是保證整個(gè)工業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)。
[0005]另外，傳感器節(jié)點(diǎn)一般都采用電池供電，能量有限，在流程工業(yè)中的系統(tǒng)，一旦節(jié)點(diǎn)能量耗盡，必須更換電池。如果部署設(shè)計(jì)不當(dāng)，不同節(jié)點(diǎn)、簇頭的電池?fù)p耗差別過大，統(tǒng)一更換會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，而根據(jù)實(shí)際電量則將導(dǎo)致頻繁地進(jìn)行電池更換，這顯然會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)，需要檢測(cè)的變量眾多，往往達(dá)上萬(wàn)點(diǎn)，因此，需要優(yōu)化部署簇頭以減少投資成本，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，便于管理和維護(hù)。同時(shí)，實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中存在大型金屬設(shè)備，這些設(shè)備會(huì)嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)之間的正常通訊，因此在節(jié)點(diǎn)部署的時(shí)候必須考慮到可能的信號(hào)干擾和屏蔽。此外，實(shí)際應(yīng)用中還存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展等需求。例如設(shè)備維護(hù)檢修時(shí)，專用設(shè)備需要臨時(shí)接入當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)改造升級(jí)時(shí)，新增的測(cè)控點(diǎn)也需要接入到現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。為了不影響工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常工作，在工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的時(shí)候就需要考慮到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與新增節(jié)點(diǎn)的接入。這些實(shí)際應(yīng)用需求使得大規(guī)模工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署成為一個(gè)多目標(biāo)NP難優(yōu)化問題，且存在多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的量綱可能不相同、實(shí)際應(yīng)用中工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及應(yīng)用需求也各不相同、難以準(zhǔn)確地給出各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間的權(quán)重等問題。
[0006]基于分簇結(jié)構(gòu)的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署設(shè)計(jì)中，下層簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)只與本簇簇頭節(jié)點(diǎn)通訊，簇頭節(jié)點(diǎn)收集簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后通過其余簇頭節(jié)點(diǎn)以多跳的方式傳送到基站，其結(jié)構(gòu)如附圖1所示。圖1中4個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)都只將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)發(fā)送給本簇簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)再將經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)通過其余簇頭節(jié)點(diǎn)以多跳的形式傳送到基站。然而，傳統(tǒng)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方法設(shè)計(jì)中將傳感器節(jié)點(diǎn)或簇頭節(jié)點(diǎn)部署在網(wǎng)格交叉點(diǎn)上，使得實(shí)際部署時(shí)不允許節(jié)點(diǎn)位置存在偏差，增加了工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)際安裝的難度且實(shí)際應(yīng)用中的魯棒性差，因此不符合實(shí)際工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。本發(fā)明定義了一種新的部署模型，新模型中設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的位置可以在網(wǎng)格內(nèi)的任意一點(diǎn)，從而使得實(shí)際部署時(shí)允許節(jié)點(diǎn)位置存在一定的偏差，更符合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明采用一種Pareto多目標(biāo)人類學(xué)習(xí)優(yōu)化算法求解多目標(biāo)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署優(yōu)化問題，使得工程師可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇最為理想的最優(yōu)解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法，該方法采用Pareto多目標(biāo)人類學(xué)習(xí)優(yōu)化算法對(duì)工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇頭節(jié)點(diǎn)部署位置進(jìn)行優(yōu)化，在保證系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步減少系統(tǒng)的構(gòu)建成本和維護(hù)成本，降低工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)際安裝的難度，提高了實(shí)際應(yīng)用的魯棒性。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Pareto多目標(biāo)部署優(yōu)化方法，其特征在于該方法的具體步驟如下:
(1)、首先獲取工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間、障礙物大小及位置、無(wú)線傳感器功率，確定網(wǎng)格單位精度，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為XxYxZ三維網(wǎng)格，X、Y、Z分別對(duì)應(yīng)橫、縱、豎空間坐標(biāo)上按照網(wǎng)格單位精度劃分得到的網(wǎng)格數(shù)；
(2)、記錄每個(gè)網(wǎng)格中根據(jù)工藝需求需要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)，生成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)組A，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)組A大小為ΧχΥχΣ ,網(wǎng)格值為每個(gè)網(wǎng)格中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)；
(3)、根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)線信號(hào)有干擾的障礙物在已劃分的XxYxZ三維網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)中的位置生成障礙物數(shù)組B，障礙物數(shù)組B大小為XxYxZ ,網(wǎng)格值為“I”表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)位置上有障礙物，網(wǎng)格值為“O”則表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)位置上無(wú)障礙物；
(4)、根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否會(huì)出現(xiàn)在XxYxZ三維網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上，生成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)組C，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)組C大小為XxYxZ ,網(wǎng)格值為“I”表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如果網(wǎng)格值為“O”則表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上不會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)節(jié)
占.(5)、設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑為盡，簇頭節(jié)點(diǎn)的通信半徑為4，傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的位置可以是在立方體網(wǎng)格內(nèi)的任意位置，傳感器節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)可以通信的條件是傳感器節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格與簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格之間的最大距離小于傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊半徑盡，并且兩者通訊鏈路之間不存在障礙物，否則認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)不能與簇頭節(jié)點(diǎn)通訊；簇頭節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)可以通信的條件是簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格與要通信的簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格之間的最大距離小于簇頭節(jié)點(diǎn)的通訊半徑，并且兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的通訊鏈路之間不存在障礙物，否則認(rèn)為兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間不能通訊；
(6)、問題的解表示為向量
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ParetO多目標(biāo)部署優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括以下步驟: (1)、首先獲取工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間、障礙物大小及位置、無(wú)線傳感器功率，確定網(wǎng)格單位精度，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為XxYxZ三維網(wǎng)格，X、Y、Z分別對(duì)應(yīng)橫、縱、豎空間坐標(biāo)上按照網(wǎng)格單位精度劃分得到的網(wǎng)格數(shù)； (2)、記錄每個(gè)網(wǎng)格中根據(jù)工藝需求需要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)，生成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)組Α，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)組A大小為XxYxZ ,網(wǎng)格值為每個(gè)網(wǎng)格中的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)； (3)、根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)線信號(hào)有干擾的障礙物在已劃分的XxYxZ三維網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)中的位置生成障礙物數(shù)組B，障礙物數(shù)組B大小為XxYχΖ ,網(wǎng)格值為“I”表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)位置上有障礙物，網(wǎng)格值為“O”則表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)位置上無(wú)障礙物； (4)、根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是否會(huì)出現(xiàn)在XxYxZ三維網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上，生成移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)組C，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置數(shù)組C大小為XχΥχΖ ,網(wǎng)格值為“I”表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如果網(wǎng)格值為“O”則表示該網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)位置上不會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)節(jié)占.(5)、設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的通信半徑為盡，簇頭節(jié)點(diǎn)的通信半徑為，傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的位置可以是在立方體網(wǎng)格內(nèi)的任意位置，傳感器節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)可以通信的條件是傳感器節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格與簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格之間的最大距離小于傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊半徑^ ,并且兩者通訊鏈路之間不存在障礙物，否則認(rèn)為傳感器節(jié)點(diǎn)不能與簇頭節(jié)點(diǎn)通訊；簇頭節(jié)點(diǎn)與簇頭節(jié)點(diǎn)可以通信的條件是簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格與要通信的簇頭節(jié)點(diǎn)所處的立方體網(wǎng)格之間的最大距離小于簇頭節(jié)點(diǎn)的通訊半徑,并且兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的通訊鏈路之間不存在障礙物，否則認(rèn)為兩個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間不能通訊；
(6)、問題的解表示為向量, iZ € i°4} , Vj €{1,2,...,?} ,M = (X χyχΖ---0)，η 為可用來部署簇頭節(jié)點(diǎn)的無(wú)障礙物網(wǎng)格總數(shù)，"/=°表示第j個(gè)無(wú)障礙物網(wǎng)格空置，義=1表示在第j個(gè)無(wú)障礙物網(wǎng)格內(nèi)部署簇頭節(jié)點(diǎn)，No為有障礙物的網(wǎng)格總數(shù)； (7)、設(shè)定Pareto多目標(biāo)人類學(xué)習(xí)優(yōu)化算法的參數(shù)，包括解集規(guī)模大小NP、個(gè)體知識(shí)庫(kù)大小S1、社會(huì)知識(shí)庫(kù)大小ss、隨機(jī)學(xué)習(xí)概率Pr、個(gè)體學(xué)習(xí)概率pi，隨機(jī)生成初始解集X，將初始解集X中的解存入個(gè)體知識(shí)庫(kù)IKD中作為初始IKD解集；(8)、計(jì)算解集X中每個(gè)個(gè)體對(duì)應(yīng)的工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多目標(biāo)優(yōu)化部署的適應(yīng)度函數(shù)F中傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本指標(biāo)Λ、維護(hù)成本指標(biāo)/2、系統(tǒng)實(shí)時(shí)指行I的適應(yīng)度值:
【文檔編號(hào)】H04W16/18GK103856952SQ201410068269
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】王靈, 周偉峰, 錢麟, 王西坤, 葉程微, 費(fèi)敏銳 申請(qǐng)人:上海大學(xué)