異構無線傳感器網絡優(yōu)化布置方法研究.pdf

1、隨著國內外結構健康監(jiān)測的發(fā)展，與同構無線傳感器網絡不同，異構無線傳感器網絡(Heterogeneous WirelessSensorNetworks,HWSN)中的傳感器節(jié)點具備不同的資源配置，更能滿足實際監(jiān)測場景對無線傳感器網絡的需求。異構無線傳感器網絡是由低成本、具備感知、數據處理、存儲和無線通信能力的多類型微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網絡。異構無線傳感器網絡被用來進行結構健康監(jiān)測時，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絡中多類型傳感器節(jié)點進行合理的布設。本文通過無線傳感器節(jié)點對結構的加速度和應變進行監(jiān)測，來識別結構的模態(tài)，建立提高結構模態(tài)識別和降低異構無線傳感器網絡能耗的雙優(yōu)化目標，提出了一種適合異構無線傳感器網絡的傳感器節(jié)點優(yōu)化布置方法。最后，依據該方法對平湖編組站大橋主橋進行了結構健康監(jiān)測方案的設計。本文主要研究工作和成果如下：
　　由異構無線傳感器網絡得到的結構模態(tài)之間并不存在正交性，故本文引用一種新的結構模態(tài)評價準則

3、——模態(tài)識別指標。將模態(tài)清晰度準則（Modal Clarity Index, MCI）與模態(tài)相對誤差（ModalRelativeError,MRE）的比值來衡量模態(tài)識別指標，對結構模態(tài)識別程度進行評價。本文借助于實驗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)識別指標。研究結果表明，在結構上布置的兩類傳感器數量越多，異構無線傳感器網絡覆蓋范圍越大，對結構模態(tài)識別程度就越高。最終得出無線加速度和應變傳感器個數和相應位置對

4、模態(tài)識別的影響。
　　本文分析了異構無線傳感器網絡數據傳輸過程中能量消耗的情況，確定數據采集、數據處理、發(fā)送與傳輸以及數據接收作為網絡能耗的主要部分。本文提出球體能耗模型對網絡能耗進行分析，最終得出無線加速度和應變傳感器個數和相應位置對網絡能耗的影響。
　　基于結構模態(tài)識別和異構無線傳感器網絡能耗構建了一個目標優(yōu)化函數。該函數的建立是基于異構無線傳感器網絡中加速度和應變傳感器節(jié)點的個數和間距等自變量。借助離散粒子群算法（Di

5、screte Particle Swarm Optimization, DPSO），對該函數進行求解，可以分別得到最優(yōu)的無線加速度傳感器和無線應變傳感器的個數和位置。按照該方案進行布置無線傳感器所形成的網絡，具有較強的結構模態(tài)識別和較低的網絡能耗，達到了兩目標優(yōu)化的目的。同時對前一部分的均勻布置方案進行目標函數求解，得到均勻布置方案中異構無線傳感器網絡最優(yōu)布置方案，通過兩種方案中兩種類型傳感器的個數和位置進行對比，驗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)點個數和位置均已經確定的異構無線傳感器網絡，本文對簇建立階段和數據傳輸階段能耗的研究，得到兩個階段下網絡能耗計算公式。運用數學上確定極值的方法，得到了基于實驗室桁架模型的無線傳感器網絡的最佳簇群數的確定方法。
　　基于本文所提出的異構無線傳感器網絡優(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行了異構無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計，提出異構無線傳感器網絡優(yōu)化布置方案。本文