異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布置方法研究.pdf

1、隨著國內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展，與同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Heterogeneous WirelessSensorNetworks,HWSN)中的傳感器節(jié)點(diǎn)具備不同的資源配置，更能滿足實(shí)際監(jiān)測場景對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和無線通信能力的多類型微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式形成的網(wǎng)絡(luò)。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時(shí)，也存在著諸多的限制，如能耗、傳輸距離等，這

2、就需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多類型傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的布設(shè)。本文通過無線傳感器節(jié)點(diǎn)對結(jié)構(gòu)的加速度和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，來識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)，建立提高結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別和降低異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的雙優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種適合異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布置方法。最后，依據(jù)該方法對平湖編組站大橋主橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)。本文主要研究工作和成果如下：
　　由異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)之間并不存在正交性，故本文引用一種新的結(jié)構(gòu)模態(tài)評價(jià)準(zhǔn)則

3、——模態(tài)識(shí)別指標(biāo)。將模態(tài)清晰度準(zhǔn)則（Modal Clarity Index, MCI）與模態(tài)相對誤差（ModalRelativeError,MRE）的比值來衡量模態(tài)識(shí)別指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別程度進(jìn)行評價(jià)。本文借助于實(shí)驗(yàn)室桁架模型展開研究，討論研究均勻布置方案和非均勻布置方案的模態(tài)識(shí)別指標(biāo)。研究結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)上布置的兩類傳感器數(shù)量越多，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍越大，對結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別程度就越高。最終得出無線加速度和應(yīng)變傳感器個(gè)數(shù)和相應(yīng)位置對

4、模態(tài)識(shí)別的影響。
　　本文分析了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中能量消耗的情況，確定數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)送與傳輸以及數(shù)據(jù)接收作為網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分。本文提出球體能耗模型對網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)行分析，最終得出無線加速度和應(yīng)變傳感器個(gè)數(shù)和相應(yīng)位置對網(wǎng)絡(luò)能耗的影響。
　　基于結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別和異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗構(gòu)建了一個(gè)目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。該函數(shù)的建立是基于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加速度和應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和間距等自變量。借助離散粒子群算法（Di

5、screte Particle Swarm Optimization, DPSO），對該函數(shù)進(jìn)行求解，可以分別得到最優(yōu)的無線加速度傳感器和無線應(yīng)變傳感器的個(gè)數(shù)和位置。按照該方案進(jìn)行布置無線傳感器所形成的網(wǎng)絡(luò)，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別和較低的網(wǎng)絡(luò)能耗，達(dá)到了兩目標(biāo)優(yōu)化的目的。同時(shí)對前一部分的均勻布置方案進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)求解，得到均勻布置方案中異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)布置方案，通過兩種方案中兩種類型傳感器的個(gè)數(shù)和位置進(jìn)行對比，驗(yàn)證了離散粒子群算法求

6、解的最優(yōu)方案具有可靠性。
　　對于兩種類型傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置均已經(jīng)確定的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文對簇建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段能耗的研究，得到兩個(gè)階段下網(wǎng)絡(luò)能耗計(jì)算公式。運(yùn)用數(shù)學(xué)上確定極值的方法，得到了基于實(shí)驗(yàn)室桁架模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳簇群數(shù)的確定方法。
　　基于本文所提出的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布置方法和最佳路由方式，對平湖編組站大橋主橋部分進(jìn)行了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布置方案。本文