离散差分进化算法生成无线传感器最优化调度方案的方法技术

本发明专利技术提供的生成最优调度方案的方法通过引入离散差分进化算法，对变异、交叉、选择进行重新定义，使其能应用在离散问题中，经试验证明，离散化差分进化算法在解决离散问题中，与连续版本一样，都具有良好性能。同时，为进一步证明此方法在解决无线传感器网络中传感器调度问题的性能，将该方法与Lee等人提出的改进蚁群算法做出比较。在不同传感器与监测目标的比例的五幅图中，应用该方法，每幅图运行该方法三十次就可求得平均值，其运行的效率高。相对于改进版蚁群算法，本发明专利技术提供的方法可将整个网络的工作时间延长10%‑20%。

Method for generating optimal scheduling scheme of wireless sensor using discrete differential evolution algorithm

Method of generating optimal scheduling scheme provided by the invention by introducing discrete differential evolution algorithm, re definition of mutation, crossover and selection, which can be used in discrete problems, experiments show that the discrete differential evolution algorithm in solving discrete problems, as with the continuous version, have good performance. At the same time, in order to further prove the performance of this method in solving the sensor scheduling problem in wireless sensor networks, this method is compared with the improved ant colony algorithm proposed by Lee et al. In the five maps of the proportion of different sensors and monitoring targets, the method can be used to obtain the average value of thirty times of each method, and the efficiency of the method is high. Compared with the improved version of the ant colony algorithm, the method of the invention can be the whole network work time 10% 20%.

【技术实现步骤摘要】
离散差分进化算法生成无线传感器最优化调度方案的方法
本专利技术涉及无线传感网络领域，更具体地，涉及一种运用离散差分进化算法生成无线传感网络中无线传感器最优化调度方案的方法。
技术介绍
无线传感网络综合了传感器技术、嵌入式操作系统技术、无线通信技术、信息安全技术、数据融合和数据管理技术等。将多个同构或异构的传感器和其他相关设备组织成一个网络，该网络就称无线传感网络。无线传感网络能够对目标区域内的目标物体的状态进行全方位监控，并具备对所收集到的信息进行实时的收集、处理、分析等功能。基于上述性质，无线传感网络在实践中已经被用于多个领域，包括实时环境监控、智能家居、军事跟踪、工业生产等。无线传感网络的一般结构如图1所示。使用无线传感网络进行目标跟踪时一般分为以下几个步骤：1)确定目标；2)划定目标区域；3)部署传感器；4)调控传感器。无线传感器在网络中的部署位置通常分为确定性部署和任意性投放。无线传感器结点的工作方式可分为全唤醒模式、随机唤醒模式、特定调度机制唤醒模式、任务循环唤醒模式等等。通常特定调度机制唤醒模式进行唤醒是比较理想的方式，根据当前网络的拓扑结构及全部传感器的能量状态，根据特定的调度算法选择合适的传感器节点进行唤醒，有利于充分使用传感器能量，延长网络的工作时间。现有的生成无线传感器调度方案的方法分为两大类，一是将网络中的所有传感器分为多个不重叠的传感器子集，然后依次唤醒这些传感器子集，每个工作中的传感器子集一经调度则工作至这个传感器子集的能量耗尽，功能失效为止。另一类则是，将传感器工作时间和系统工作时间划分为同等大小的刻度，然后为每一个系统时间刻度选择合适的传感器进行唤醒，被唤醒的传感器子集只工作到该时间刻度结束为止。第一种方法中，时间划分粒度较大，导致传感器能量不能被有效的使用；而第二种方法中，当网络中无线传感器的数量增多时，算法计算复杂度增加，同时算法迭代次数也随之增加，但时间粒度划分的减少，可充分利用无线传感器的能量。本专利技术所提供的方法正是针对第二类传感器唤醒方法。由于一个时间刻度的调度方案会对下一个时间刻度的调度方案产生影响，因此采用一般的深度搜索解空间的方法需要较高的时间复杂度。该问题已经被证明是一种非确定多项式复杂度(NP)完全问题[1]。现有的研究工作中已经开始尝试将进化算法应用在生成优化的传感器调度方案中。例如，蚁群算法(ACO)、遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)都已经被应用在解决该问题中。其中，Lin等人利用蚁群算法产生传感器和中继器同时存在时最大设备子集的配置方案[2]。Lee则利用遗传算法、粒子群算法和蚁群算法产生在时间粒度较小的情况下每个时间粒度的调度方案，同时制定了一种衡量一个时间粒度内解调度方案的评判标准[3]。如上所述，将设备划分几个不重复的设备子集的方法并不能充分使用无线传感设备的整体电量，而利用传统的解决离散问题的进化算法不能给问题带来新的突破，同时利用电量单一衡量每一时间刻度解优劣的方法过于片面。[1]M.Cardei,D.Z.Du.Improvingwirelesssensornetworklifetimethroughpowerawareorganization.WirelessNetworks,2005,11(3):333-340.[2]Y.Lin,J.Zhang,H.S.H.Chung.Anantcolonyoptimizationapproachformaximizingthelifetimeofheterogeneouswirelesssensornetworks.IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics,PartC(ApplicationsandReviews),2012,42(3):408-420.[3]J.W.Lee,J.JLee.Ant-colony-basedschedulingalgorithmforenergy-efficientcoverageofWSN.SensorsJournal,IEEE,2012,12(10):3036-3046.[4]LiuY,ChenWN,ZhanZH,etal.ASet-BasedDiscreteDifferentialEvolutionAlgorithm,2013IEEEInternationalConferenceonSystems,Man,andCybernetics.IEEE,2013:1347-1352.
技术实现思路
本专利技术为解决以上现有技术的难题，提供了一种基于离散差分进化算法生成无线传感器最优化调度方案的方法，该方法用于解决无线传感网络中无线传感器的调度问题。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：离散差分进化算法生成无线传感器最优调度方案的方法，用于为无线传感网络中将工作时间和电量平均划分为k份的无线传感器生成最优调度方案，该传感器在一份时间内消耗一份电量，其特征在于：对于每个时间刻度，该方法基于离散差分进化算法生成最优调度方案的过程包括以下步骤：S1.初始化解空间，随机生成NP个解：其中表示为第i个初始化的解，分别表示无线传感网络中Nse个传感器的状态，其状态用0或1表示；其中0表示传感器处于睡眠状态，1表示传感器处于唤醒状态；S2.初始化解空间后，进入步骤S3～S6的迭代过程；S3.变异：将当前解空间中的每一个解当做一个目标集合，然后对每一个目标集合执行一次变异操作，产生一个变异集合vj＝xr1+F·(xr2-xr3)，j＝1,2,…,Nse；其中k表示迭代次数；其中r1、r2和r3为在1-NP之间随机产生的数，r1、r2和r3之间互不相等，且均不等于i；F表示用于控制放缩大小的控制参数；S4.交叉：对于每一个变异集合产生一个实验集合其构造方式如下：其中CR为交叉参数，用来控制变异集合对目标集合的影响，jrand为[1,jrand]的随机整数，用于保证实验集合的扰动性；S5.选择：比较实验集合和目标集合的适应值函数的大小：若实验集合的适应值函数小于目标集合的适应值函数，则选择实验集合作为目标集合参与下一次迭代，否则继续选择目标集合参与下一次迭代；S6.重复步骤S3～S5直至迭代次数达到设定值，此时将目标集合X中适应值函数最小的集合作为最优解进行输出，输出的最优解即为当前时间刻度无线传感网络中传感器的最优调度方案。优选地，所述适应值函数具体表示如下：其中n表示第n个时间刻度，表示第n个时间刻度结束后监测目标p的被覆盖率，Np表示监测目标的数量；ej表示传感器j在当前剩余的电量；其中dpj表示传感器j和监测目标p之间的欧式距离，rs和ru分别表示传感器j的小传感边界和大传感边界，a和m为与传感器j种类有关的两个参数。优选地，在进行步骤S1前，先判断唤醒当前还有能量剩余的传感器时能否满足所有监测目标的覆盖要求，若是，则执行步骤S1。优选地，利用下式来确定传感器能否满足所有监测目标的覆盖要求：ppj表示为传感器j对监测目标p的感知概率，xj表示是否调度传感器j，xj可用1或0表示，1表示调度传感器j，0表示不调度，ε表示感知阈值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的生成最优调度方案的方法通过引入离散差分进化算法，并对变本文档来自技高网...

【技术保护点】
离散差分进化算法生成无线传感器最优调度方案的方法，用于为无线传感网络中将工作时间和电量平均划分为k份的无线传感器生成最优调度方案，该传感器在一份时间内消耗一份电量，其特征在于：对于每个时间刻度，该方法基于离散差分进化算法生成最优调度方案的过程包括以下步骤：S1.初始化解空间，随机生成NP个解：

【技术特征摘要】
1.离散差分进化算法生成无线传感器最优调度方案的方法，用于为无线传感网络中将工作时间和电量平均划分为k份的无线传感器生成最优调度方案，该传感器在一份时间内消耗一份电量，其特征在于：对于每个时间刻度，该方法基于离散差分进化算法生成最优调度方案的过程包括以下步骤：S1.初始化解空间，随机生成NP个解：其中表示为第i个初始化的解，分别表示无线传感网络中Nse个传感器的状态，其状态用0或1表示；其中0表示传感器处于睡眠状态，1表示传感器处于唤醒状态；S2.初始化解空间后，进入步骤S3～S6的迭代过程；S3.变异：将当前解空间中的每一个解当做一个目标集合，然后对每一个目标集合执行一次变异操作，产生一个变异集合vj＝xr1+F·(xr2-xr3)，j＝1,2,…,Nse；其中k表示迭代次数；其中r1、r2和r3为在1-NP之间随机产生的数，r1、r2和r3之间互不相等，且均不等于i；F表示用于控制放缩大小的控制参数；S4.交叉：对于每一个变异集合产生一个实验集合其构造方式如下：其中CR为交叉参数，用来控制变异集合对目标集合的影响，jrand为[1,jrand]的随机整数，用于保证实验集合的扰动性。S5.选择：比较实验集合和目标集合的适应值函数的大小：若实验集合的适应值函数小于目标集合的适应值函数，则选择实验集合作为目标集合参与下一次迭代，否则继续选择目标集合参与...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇，凌应标，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44