本发明专利技术提供了一种使网络效率最大化的桥梁结构多跳无线网络监测系统的节点优化布置方法，桥梁结构监测领域，涉及无线监测技术的节点优化布置方法。本发明专利技术为使网络效率最大化，采用耗能近似相等的原则布置中继节点，使每个传感节点仅通过中继节点多跳传输数据到基站，从而初步确定中继节点的数目及位置。再通过相近节点融合，重组节点间距，通过循环求取网络效率最大时的中继节点数目及位置，从而达到桥梁监测中节省人力物力、提高监测效率的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于桥梁结构监测领域，涉及无线监测技术，特别涉及基于网络效率的节 点优化布设方法。
技术介绍
桥梁结构在长期的运营过程中，受到车辆荷载、风荷载、环境侵蚀等各种外界荷载 综合作用下，会导致桥梁结构一定程度的损伤，这些损伤如不及时发现，积累的损伤会降低 桥梁抵抗外界荷载的能力，从而会影响桥梁的安全运营。为了评价桥梁结构的健康状况，可 采用动力测试的方法，动力测试的传感器可选择加速度传感器。 传统的动力测试方法是采用有线加速度传感器，利用线缆将加速度的数据信息传 输给数据接收基站。然而，有线传感器的线缆布设距离长，布设线缆量大，会耗费大量的物 力人力。无线传感器的应用可以解决线缆布设问题，通过将加速度传感器连接于无线传感 节点上，组成无线加速度传感器。无线节点安装方便，组网也方便，无需布设线缆，因此，有 广阔的应用前景。 无线加速度传感器来监测桥梁结构时，将数据接收基站安置于桥的一端，桥上的 无线传感节点成直线排列，并通过多跳的方式，将远处的无线节点数据传输给基站。数据传 输、数据采集以及数据接收是无线节点工作时主要的耗能过程。由此可见，距离基站近的无 线节点由于需要接收远处的数据而产生过重的能量负担，会提前耗尽能量，形成"能量洞"， 致使整个无线传感网络失效，而远处的节点能量剩余还很多，从而导致能量的浪费，因此， 如何优化节点布设使网络效率最大化时十分重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是应用无线传感技术对桥梁结构进行监测，重点是解决如何优化布 设无线节点使整个无线监测网络的网络效率最大化。 本专利技术所提供的技术方案是：推导出一种网络效率最大化的线性无线监测系统节 点优化布设方法，用以监测桥梁的健康状况。其特征在于：数据接收基站置于桥梁的一端， 根据已有的成熟算法设置并固定传感节点的位置，在传感节点之间增加中继节点。中继节 点负责接收数据与传输数据，而传感节点具有接收数据、传输数据与采集数据的功能。网络 效率定义为单位价钱内的数据获取量，决定于网络寿命及节点总数。网络寿命取决于单个 节点的最大耗能，如果传感节点或中继节点中任意一个节点能量提前耗尽，网络寿命也就 终止。单个节点耗能取决于此节点需要处理的数据量以及传输距离，增加数据量或者传输 距离均会使节点耗能增加。本专利技术通过优化布设传感节点之间中继节点的位置，使各个节 点的耗能近似相等，从而使网络效率最大化。 -种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法，步骤如下： 步骤一：中继节点位置的初始设置 (1)将数据接收基站设置在桥的一端，并确定被测桥梁的长度； (2)根据传感器优化布设方法，确定传感节点数量n及位置，使其准确测得桥梁的 各阶模态，传感节点记为Pi(i= 1，2,...n); ⑶取i=n，设中继节点的传输距离cn,R等于传输距离的阈值c0,艮Pcn,R=c0，采 用传统耗能模型计算距离基站最远的中继节点的耗能En> (4)根据传感节点与中继节点耗能相等的原则，反推导求出传感节点到最近中继 节点的传输距离cliP; (5)根据耗能相等的原则，利用能耗En,Q求中继节点之间的传输距离c(6)以传感节点到中继节点的传输距离cliP以及中继节点间的传输距离cliQ，求传 感节点i到基站之间中继节点的个数mi;若不能整除，取上整数； (7)若步骤（6)不能整除，对传输距离CljPcliQ等比例调整，使其组合正好等于 传感节点i到中继节点的距离； (8)根据调整后的传输距离，利用传统耗能模型调整传感节点的耗能EliP与中继 节点的耗能EiiQ; (9)循环i，求出所有和E1iQ; (10)计算网络效率w: 其中：E。表示节点的初始能量，并假设所有节点的初始能量均相同；1表示传输数 据为1比特长度；￥%分别表示传感节点和中继节点的单价，至此，中继节点的初始位置已 经完成，并记录此时的网络效率w为w_; 步骤二：相近节点的融合，即节点相近时选取一个节点作为共享节点 (11)在完成步骤（7)后，得到中继节点的位置坐标序列心，用％表示元素， 即节点的坐标值；并定义数据量xP为1比特长度的倍数，初始值设为1 ;(12)比较任意元素a#an，若|a「an| >e，e为提前设定的数值，表示两节点 距离小于等于e时，两节点可选取一个节点，则i由n-1到1循环i，重复比较&1与3";若 |a「an|彡￡，选择距离基站近的点作为共享节点，令Xp=xp+1，并定义共享节点至IJ基站的 距离为共享节点到上一节点即远离基站方向节点的距离为c 定义共享节点到下一 节点的距离为caftCT。c_为已知，c 未知； (13)若上一节点为传感节点，则传输数据量为xP-l，接收数据量为xP-2 ;若上一节 点为中继节点，则传输数据量与接收数据量为xP-l;求得上一节点的耗能E_; (14)比较步骤⑶中调整后的En，Q和步骤（13)得到的E_，取其最大值，求出共享 节点到基站之间节点的距离caftCT，方法同步骤（6);若共享节点为中继节点时，节点间距离 记为caftCT(i』;若共享节点为传感节点时，先求传感节点到中继节点的距离，记为caftCT(iiP)， 再求中继节点距离 Cafter(i，Q);(15)求共享节点到基站的中继节点个数，并调整中继节点间距；将步骤（6)、（7)、 (8)中的ciiP、ciiQ和传感节点到基站之间距离替换成Cafter(i，P)、Cafter(i，Q)、Lnew' 执行步骤（6)、 (7)、（8)，然后将En，Q与重新执行步骤（8)后得到的EliP和EliQ进行比较取其最大值，并定义 为E_; (16)计算网络效率w: 其中，中继节点数叫有所改变，当步骤（12)中满足|ai_an| >e时，mi不变；然而 a「an|彡e时，共享节点之前即远离基站方向的中继节点数不变，~内共享节点之后的中 继节点数清零，剩下的中继节点数记为新的叫，An内共享节点之后的中继节点数等于步骤 (15)得到的重新布设的中继节点数，与An内共享节点之前的中继节点数组成新的mn; (17)比较步骤（16)中的u与步骤（10当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法，其特征在于，步骤如下：步骤一：中继节点位置的初始设置(1)将数据接收基站设置在桥的一端，并确定被测桥梁的长度；(2)根据传感器优化布设方法，确定传感节点数量n及位置，使其准确测得桥梁的各阶模态，传感节点记为Pi(i＝1,2,...n)；(3)取i＝n，设中继节点的传输距离cn,R等于传输距离的阈值c0，即cn,R＝c0，采用传统耗能模型计算距离基站最远的中继节点的耗能En,Q；(4)根据传感节点与中继节点耗能相等的原则，反推导求出传感节点到最近中继节点的传输距离ci,P；(5)根据耗能相等的原则，利用能耗En,Q求中继节点之间的传输距离ci,Q；(6)以传感节点到中继节点的传输距离ci,P以及中继节点间的传输距离ci,Q，求传感节点i到基站之间中继节点的个数mi；若不能整除，取上整数；(7)若步骤(6)不能整除，对传输距离ci,P和ci,Q等比例调整，使其组合正好等于传感节点i到中继节点的距离；(8)根据调整后的传输距离，利用传统耗能模型调整传感节点的耗能Ei,P与中继节点的耗能Ei,Q；(9)循环i，求出所有mi、Ei,P和Ei,Q；(10)计算网络效率w：w=E0lnmax(Ei,P,Ei,Q)(vPn+vQΣi=1nmi)]]>其中：E0表示节点的初始能量，并假设所有节点的初始能量均相同；l表示传输数据为l比特长度；vP、vQ分别表示传感节点和中继节点的单价，至此，中继节点的初始位置已经完成，并记录此时的网络效率w为wmax；步骤二：相近节点的融合，即节点相近时选取一个节点作为共享节点(11)在完成步骤(7)后，得到中继节点的位置坐标序列Ai，用ai表示Ai中元素，即节点的坐标值；并定义数据量xP为l比特长度的倍数，初始值设为1；(12)比较任意元素ai与an，若|ai‑an|＞ε，ε为提前设定的数值，表示两节点距离小于等于ε时，两节点可选取一个节点，则i由n‑1到1循环i，重复比较ai与an；若|ai‑an|≤ε，选择距离基站近的点作为共享节点，令xP＝xP+1，并定义共享节点到基站的距离为Lnew；共享节点到上一节点即远离基站方向节点的距离为cnew；定义共享节点到下一节点的距离为cafter；cnew为已知，cafter为未知；(13)若上一节点为传感节点，则传输数据量为xP‑1，接收数据量为xP‑2；若上一节点为中继节点，则传输数据量与接收数据量为xP‑1；求得上一节点的耗能Enew；(14)比较步骤(8)中调整后的En,Q和步骤(13)得到的Enew，取其最大值，求出共享节点到基站之间节点的距离cafter，方法同步骤(6)；若共享节点为中继节点时，节点间距离记为cafter(i,Q)；若共享节点为传感节点时，先求传感节点到中继节点的距离，记为cafter(i,P)，再求中继节点距离cafter(i,Q)；(15)求共享节点到基站的中继节点个数，并调整中继节点间距；将步骤(6)、(7)、(8)中的ci,P、ci,Q和传感节点到基站之间距离替换成cafter(i,P)、cafter(i,Q)、Lnew，执行步骤(6)、(7)、(8)，然后将En,Q与重新执行步骤(8)后得到的Ei,P和Ei,Q进行比较取其最大值，并定义为Emax；(16)计算网络效率w：w=E0lnEmax(vPn+vQΣi=1nmi)]]>其中，中继节点数mi有所改变，当步骤(12)中满足|ai‑an|＞ε时，mi不变；然而|ai‑an|≤ε时，共享节点之前即远离基站方向的中继节点数不变，Ai内共享节点之后的中继节点数清零，剩下的中继节点数记为新的mi，An内共享节点之后的中继节点数等于步骤(15)得到的重新布设的中继节点数，与An内共享节点之前的中继节点数组成新的mn；(17)比较步骤(16)中的u与步骤(10)中的wmax，若w＞wmax，令wmax＝w；继续执行步骤(12)，i由n‑1到1循环i；当i循环到1时，选择最大的网络效率wmax时的中继节点数量及其布设；(18)取较小的Δ，并步骤(3)中的cn,Q＝cn,Q+Δ，重复步骤(3)～(17)，得出最大网络效率对应的节点数目及其布设位置。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：曲春绪，伊廷华，李宏男，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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