【技术实现步骤摘要】
一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法
本专利技术涉及环境监测和传感器网络领域,尤其涉及一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法的研究。
技术介绍
水是生命之源,也是人类赖以繁殖的必要资源。然而,近几十年,随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,水资源供需矛盾日益突出。根据《2016中国环境状况公报》,2016年全国225个地级市行政区的6124个监测点的地下水水质监测情况中,水质为优良级的监测点比例仅为10.1%,较差级的观测点占比达到45.4%。就整个地表水而言,受到严重污染的劣V类水体所占比例较高,全国约8.6%。近年来,科学地监测水环境受到越来越多的重视。在对水环境监测的过程中,传感器网络占据了十分重要的地位。由于水质传感器成本较高,希望能够对监测环境中的重点区域部署更多的传感器以提高监测质量,节约成本。因此,需要找到待监测水域内需要重点监测的区域,并通过有效的传感器部署策略实现对传感器网络的部署,为进行精确的水环境监测提供充实的理论依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法,可为水质传感器网络的部署提供理论基础,可广泛应用于水环境监测、水污染的预测和治理等领域。为达到上述目的,本专利技术提出一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法,具体包括建立水域特征模型和传感器网络的优化部署两个基本步骤。步骤一,在本专利技术的一个实施例中,所述建立水域特征模型进一步包括:针对采集到的水域监测数据,利用主成分分析法对各个因素进行分析,对水质参数进行降维处理,提取出水质评价的代表成分,其数学模型为:其中,i ...
【技术保护点】
一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法,其特征在于:包括建立水域特征模型和传感器网络的优化部署两个基本步骤;所述建立水域特征模型包括:(1)建立基于综合水质评价的水域基本模型:针对采集到的水域监测数据,利用主成分分析法对各个因素进行分析,对水质参数进行降维处理,提取出水质评价的代表成分,其数学模型为:
【技术特征摘要】
1.一种基于粒子群的水质传感器网络优化部署方法,其特征在于:包括建立水域特征模型和传感器网络的优化部署两个基本步骤;所述建立水域特征模型包括:(1)建立基于综合水质评价的水域基本模型:针对采集到的水域监测数据,利用主成分分析法对各个因素进行分析,对水质参数进行降维处理,提取出水质评价的代表成分,其数学模型为:其中,i为样本个数;j为因子个数;n为主成分分析后的主成分个数;a1j,a2j,...,anj是原始变量矩阵在各主成分上的载荷;Xi1,Xi2,...,Xij是原始变量矩阵经过标准化处理的值;zi1,zi2,......,zin表示经过主成分分析后各个主成分的值;由主成分分析得出的每个样本的主成分zin值,能够得到相应的主成分评价函数Zi,作为评判重点监测点的数据基础:其中,Zi是每个样本对应的主成分评价得分值;λi1,λi2,......,λin是矩阵[Xi1,Xi2,......,Xij]初始特征值对应的方差贡献率;通过主成分分析对某区域水质参数的分析,可以得出该区域在时间变化上的综合水质评价得分Zi,求取这些得分的方差值,可以评价该水域的水质数据稳定或者波动的情况,同理,可求得各片水域的综合水质评价得分的方差值,比较各水域的方差值大小,将方差值最大的监测点作为重点监测点,并以此作为水域基本模型;(2)利用高斯烟羽模型确定重点监测点的影响范围:从理论上说,污染物在水域中的分布与毒物在大气中的扩散相似,是对无限空间扩散方程式的正态分布解,其数学模型如公式(3)所示:式中,x,y,z分别为距离重点监测点的水平、垂直及横向距离,其中x方向定义为重点监测点水质的扩散方向;C(x,y,z)为(x,y,z)点上受重点监测点影响的程度,是个无量纲的量;q为重点监测点扩散源的影响力;μ是重点监测点水质浓度的传播速度;σy和σz是x的函数,分别为重点监测点在y和z方向的分布参数;由于重点监测点的影响范围受多个不确定因素的影响,在完全理想的无限空间进行扩散现象的推导,令σy=σz=σ,y2+z2=r2,r为扩散半径,则有:根据Robert公式,K为扩散系数,于是:由于q,μ,K与重点监测点的水质情况以及周围其他水域水质状况有关,作进一步假设,由量纲分析设K=ax,这里a为常量,a∈(0.15,1);此时:只考虑x和y方向的水质浓度传播速度,即z=0,r2=y2;其中,r为扩散半径,服从正态分布,取置信度为0.95,r的置信区间为取则上式可写成:借助引力场理论进行模拟,重点监测点扩散源的影响力q表示为公式(8);式中,P为重点监测点的面积,通过以重点监测点为圆心,以传感器...
【专利技术属性】
技术研发人员:孙茜,王小艺,王立,许继平,于家斌,赵峙尧,金学波,申志平,余幸运,
申请(专利权)人:北京工商大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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