一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法。基于井下在安全情況下各種數(shù)據(jù)變化范圍小的特點，采用差值編碼(即DPCM編碼)稀疏化感知數(shù)據(jù)。井下網(wǎng)絡是以匯聚節(jié)點為根結(jié)點的最短生成樹，各個匯聚節(jié)點將收集的各種感知數(shù)據(jù)乘以自身節(jié)點權(quán)值向量中的每一個元素形成向量組，并累加上一匯聚節(jié)點的向量組后傳輸至下一匯聚節(jié)點，最后傳輸至井上終端。井上終端用壓縮感知中的正交匹配追蹤算法還原出信號，從而實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)收集和環(huán)境遠程監(jiān)測。本發(fā)明將壓縮感知應用到井下通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集和處理中，使得節(jié)點保持良好的能耗平衡，增強網(wǎng)絡實時性。
【專利說明】一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，具體涉及到將壓縮感知應用于井下通信數(shù) 據(jù)采集和處理，屬于通信領域。 技術(shù)背景
[0002] 礦產(chǎn)是我國和世界資源國家的重要財富，關(guān)系到國計民生，各國政府對礦物的開 采高度重視，。然而，在采礦過程中頻繁的礦難通常會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。 因此，及時、有效地采集與井下安全相關(guān)的環(huán)境信息來實現(xiàn)礦難預警變得尤為重要。井下的 信息技術(shù)是加強和改善安全生產(chǎn)的有效手段，礦井的環(huán)境信息能很好的反映井下當前的工 作狀況，從而能及時處理各種問題。當前，用于井下的通訊系統(tǒng)主要有有線和無線兩種方 式。在礦井中，無線通信相比有線通信，系統(tǒng)框架更為靈活方便，對于井下數(shù)據(jù)的采集無線 通信系統(tǒng)相比有線系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢，因此井下無線通信技術(shù)也隨之發(fā)展起來。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡被認為是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分之一，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、軍 事、目標跟蹤等領域得到廣泛應用。目前，大規(guī)模部署傳感器網(wǎng)絡還存在很多技術(shù)瓶頸，如 網(wǎng)絡能量消耗和網(wǎng)絡中存在少量瓶頸節(jié)點是阻礙傳感器網(wǎng)絡大規(guī)模部署的重要因素。隨著 壓縮感知理論的提出，為無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集開辟了一條新的研究道路。
[0004] 壓縮感知是信號處理領域興起的一門技術(shù)，該理論基于信號可稀疏表示前提下， 能夠在遠小于奈奎斯特采樣速率情況下，通過還原算法較精準的還原出原始信號。根據(jù)所 需采集數(shù)據(jù)的稀疏性，將壓縮感知應用于無線傳感網(wǎng)絡，對節(jié)點采集的信息先壓縮再傳輸， 有效減少了節(jié)點能耗和存儲容量。
[0005] 目前，已有將壓縮感知和無線傳感網(wǎng)絡應用于井下通信，但仍存在一些困難：（1) 在無線傳感網(wǎng)絡應用于井下環(huán)境信息收集時，面臨節(jié)點的能耗難以達到平衡的難題。通常， 越接近井口的節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增多從而能耗易被消耗完，使得整個網(wǎng)絡生命周期變短。 (2)將壓縮感知應用于礦井下的環(huán)境信息采集時采集數(shù)據(jù)單一，不能同時針對多種傳感器 信息處理。而實際應用中，井下環(huán)境狀況需要利用多種傳感器信息才能得以完全反映，勢必 涉及到利用壓縮感知技術(shù)對同一時刻采集各種類型傳感器信息的分析、處理，以減少通信 數(shù)據(jù)量和存儲空間。目前，如何平衡井下節(jié)點能耗問題，如何在保證多組數(shù)據(jù)同時采集、小 壓縮包的同時，高準確率的還原，使得井上在同一時間內(nèi)得到井下各組信息數(shù)據(jù)，及時得知 井下環(huán)境狀況仍沒有合適的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有井下數(shù)據(jù)采集時采集數(shù)據(jù)類型單一，不能同時得到多種信息，且井下網(wǎng) 絡節(jié)點能耗難以平衡問題，本發(fā)明公開了一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法。 本發(fā)明所述的方法：應用差值編碼對井下傳感器采集的多種數(shù)據(jù)進行稀疏化處理，將節(jié)點 的信息數(shù)據(jù)組成權(quán)值向量，并與稀疏數(shù)據(jù)相乘壓縮稀疏數(shù)據(jù)，井上終端通過壓縮感知還原 算法還原出數(shù)據(jù)信息。本發(fā)明方法有利于平均網(wǎng)絡節(jié)點的能耗，提高網(wǎng)絡性能，并且具有較 好的實時性。
[0007] 本發(fā)明提供了一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一、在礦井下的通道及工作點布置匯聚節(jié)點共N處，將每個節(jié)點從1到N編 號，將每個匯聚節(jié)點的信息數(shù)據(jù)組成權(quán)值向量，并以匯聚節(jié)點為根結(jié)點形成最短路徑生成 樹結(jié)構(gòu)組成井下網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)上傳采用樹形路由策略；
[0009] 步驟二、在每個匯聚節(jié)點周圍布置p種不同種類的傳感器，根據(jù)井下需采集的信 號類型適量分配和布置井下通道中的傳感器；
[0010] 1)傳感器布置：在每個匯聚節(jié)點周圍布置不同種類的傳感器，如配置濕度傳感 器、溫度傳感器、瓦斯傳感器等，每一處的傳感器種類數(shù)相同，即保證各個節(jié)點接收到的數(shù) 據(jù)種類個數(shù)相同；
[0011] 2)各個傳感器每秒采集1次數(shù)據(jù)，即傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率為1 ;
[0012] 3)傳感器將每秒采集的數(shù)據(jù)平均值傳送給匯聚節(jié)點；
[0013] 步驟三、根據(jù)井下安全情況下各種數(shù)據(jù)的變化范圍設置量化步長，傳感器采集的 數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點后，各匯聚節(jié)點收集周圍傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用差值編碼（DPCM編碼） 處理數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)稀疏化并形成稀疏向量Di = {dnd^· dip}，其中i為相應的各節(jié)點編號 (1 < i < N，i e Z)，p為傳感器種類數(shù)，即需采集的數(shù)據(jù)種類數(shù)；
[0014] 步驟四、得到稀疏向量信號后，將向量分別乘以權(quán)值向量％ = [ΦΠ Φ2^·· Φ」中 的每個值，并與上一匯聚節(jié)點傳輸過來的向量組累加，得到新的向量組Y = [yiy2…ym]，將 得到的向量組Y傳輸至下一節(jié)點并更新，其中i為對應節(jié)點的編號，1 < i < N，m為每個節(jié) 點所需發(fā)送的向量個數(shù)，即測量值長度，m << N ;
[0015] 1)各匯聚節(jié)點均將稀疏向量Di = {(1η(1?2···(1?ρ}與節(jié)點的權(quán)值％ = [ΦπΦ2?··· 中元素相乘，如下：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在于，對井下感知數(shù)據(jù)進行 稀疏化處理，以匯聚節(jié)點的權(quán)值為測量矩陣，數(shù)據(jù)傳輸至井上終端后用正交匹配追蹤算法 將其還原，所述方法至少包括以下步驟： 1) 在礦井下的通道及工作點布置匯聚節(jié)點共N處，將每個節(jié)點從1到N編號，將每個匯 聚節(jié)點的信息數(shù)據(jù)組成權(quán)值向量，并以匯聚節(jié)點為根結(jié)點形成最短路徑生成樹結(jié)構(gòu)組成井 下網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)上傳采用樹形路由策略； 2) 在每個匯聚節(jié)點周圍布置p種不同種類的傳感器，根據(jù)井下需采集的信號類型適量 分配和布置井下通道中的傳感器； 3) 根據(jù)井下安全情況下各種數(shù)據(jù)的變化范圍設置量化步長，傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給匯 聚節(jié)點后，匯聚節(jié)點采用差值編碼（即DPCM編碼）稀疏化各種感知數(shù)據(jù)并組成稀疏向量信 號； 4) 得到稀疏向量信號后，將向量分別乘以權(quán)值向量％ = [ΦπΦ2?···Φ」中的每個值， 并與上一匯聚節(jié)點傳輸過來的向量組累加，得到新的向量組Y= [yiy2…ym]，將得到的向量 組Y傳輸至下一節(jié)點并更新，其中i為對應節(jié)點的編號，I<i<N，m為每個節(jié)點所需發(fā)送 的向量個數(shù)，即測量值長度，m<<N; 5) 數(shù)據(jù)傳輸至井上終端后，終端將接收的數(shù)據(jù)進行整理，然后采用正交匹配重構(gòu)算法 還原出稀疏信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在 于，還包括匯聚節(jié)點布置及數(shù)據(jù)處理的過程： 1) 在井下布置N處匯聚節(jié)點，每個匯聚節(jié)點只有一個父節(jié)點，并將各節(jié)點從1到N標 號； 2) 各匯聚節(jié)點收集周圍傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，采用差值編碼（DPCM編碼）處理數(shù)據(jù)，使 得數(shù)據(jù)稀疏化并形成稀疏向量Di = {dndi2-dip}，其中i為相應的各節(jié)點編號（1彡i彡N， ieZ)，p為傳感器種類數(shù)，即需采集的數(shù)據(jù)種類數(shù)； 3) 各匯聚節(jié)點均將稀疏向量Di = {(1η(1?2···φρ}與節(jié)點的權(quán)值％ = [ΦπΦ2?···Φ」 中元素相乘，如下：
得到向量
其中m為節(jié)點所需發(fā)送的向量個數(shù)，即測量值長度，i為相應的各節(jié)點編號ieZ)，p為傳感器種類數(shù)，即需采集的數(shù)據(jù)種類數(shù)； 4) 數(shù)據(jù)處理后，將得到的向量組中各個元素累加子節(jié)點傳輸過來的向量組中對應元 素，發(fā)送至下一節(jié)點，更新向量組Y。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在 于，礦井下傳感器的布置，所述方法至少還包括以下過程： 1) 傳感器布置：在每個匯聚節(jié)點周圍布置不同種類的傳感器，如配置濕度傳感器、溫 度傳感器、瓦斯傳感器等，每一處的傳感器種類數(shù)相同，即保證各個節(jié)點接收的數(shù)據(jù)種類個 數(shù)相同； 2) 各個傳感器每秒采集1次數(shù)據(jù)，即傳感器采集數(shù)據(jù)頻率為1 ; 3) 傳感器將每秒采集的數(shù)據(jù)平均值傳送給匯聚節(jié)點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在 于,還包括數(shù)據(jù)收集及傳輸?shù)倪^程： 1) 葉子節(jié)點接收各傳感器傳送的數(shù)據(jù)后采用差值編碼（即DPCM編碼）處理數(shù)據(jù)并組 成稀疏向量Di = {dndi2?dip}，其中i為對應節(jié)點的編號（1彡i彡Ν)，將其乘以節(jié)點權(quán)值 測量矩陣Oi后得到向量組Y，葉子節(jié)點將向量組發(fā)送給對應父節(jié)點； 2) 各處的父節(jié)點將其自身周圍傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用差值編碼（DPCM編碼）處理后組 成稀疏向量并乘以自身權(quán)值Oi后形成向量組，然后將形成的向量組與其子節(jié)點發(fā)送過來 的向量組對應元素相加形成新的向量組Y，最后將向量組發(fā)送至其父節(jié)點； 如：第i個節(jié)點發(fā)送的向量組為：
其中m為節(jié)點所需發(fā)送的向量個數(shù)，即測量值長度，j為相應的各節(jié)點編號，I<j<i，P為傳感器種類數(shù)，即需采集的數(shù)據(jù)種類數(shù)； 3) 收集過程以此類推，直到井下進口處的sink節(jié)點，總過程滿足下列公式：
井口匯聚節(jié)點發(fā)送至井上終端的數(shù)據(jù)包為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓縮感知的井下數(shù)據(jù)采集及處理方法，其特征在 于，還包括井上終端接收向量組Y后將其還原的過程： 1) 終端接收向量組Y，將其組成矩陣形式，并將矩陣的每一列取出作為測量值7λ，λ為 矩陣的列數(shù)，1彡λ彡ρ; 2) 已知節(jié)點的權(quán)值信息Φ和各個測量值yA，用壓縮感知中正交匹配追蹤重構(gòu)算法還 原各稀疏信息D，其中<
【文檔編號】H04L1/00GK104270829SQ201410467798
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】李哲濤, 李婷煜, 羅光明, 朱更明, 潘田 申請人:湘潭大學