一种面向水资源监测的多移动节点感知调度方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向水资源监测的多移动节点感知调度方法及系统，本发明专利技术考虑了一种广域水资源监测场景下的移动节点感知问题，在受到移动感知节点数量、水资源监测状态信息不确定等因素的约束下，将监测范围划分为多个子区域，利用有限数量的感知节点在不同的时段、不同区域之间进行切换，来应对不同区域上水资源状态的动态性，提出时空域内最优节点感知调度方案，实现对广域范围内的全方位感知以及监测收益最大化。本发明专利技术对监测量的不确定性进行建模，并对不确定性模型问题转换成凸优化问题，且通过改机的分支定界算法求取考虑监测量不确定性的监测收益以确定最终的调度方案。本发明专利技术方案具有可靠性高，容错性好的技术优势。容错性好的技术优势。容错性好的技术优势。

【技术实现步骤摘要】
一种面向水资源监测的多移动节点感知调度方法及系统


[0001]本专利技术属于水资源监测资源调度
，更具体地，涉及一种面向水资源监测的多移动节点感知调度方法及系统。

技术介绍

[0002]水资源是人类赖以生存的重要资源，水资源监测在水电行业的水情感知、水环境治理等众多领域发挥着重要作用。传统水资源监测的主要方式是通过在被监测水域中建立监测点来完成。由于各个监测点位置固定，且监测范围受限。面向广域监测需求，考虑成本等因素，难以实现整个水域范围的全覆盖。移动监测可以有效弥补固定监测的局限性，特别是随着信息技术的发展，各类可移动测量设备(例如无人船、无人机)开始被应用于水资源监测场景。通过部署移动测量设备实现远距离全天候、全范围的水资源监测具有广泛的应用前景。
[0003]目前关于移动水资源监测的应用研究还主要集中于单节点的任务执行，但是无论是从硬件制造水平还是能源效率、覆盖范围方面考虑，仅仅依靠单个节点依然无法实现对广域水资源的感知与检测，因此利用多节点协同感知从而实现广域水资源监测的研究具有理论与现实意义，而这一问题的研究尚不多见。此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向水资源监测的多移动节点感知调度方法，其特征在于，包括如下步骤：根据广域水资源监测目标量的空间分布特点将广域水资源划分为N个子区域；所述监测目标量为所要采集的水资源参数；将监测任务划分为T个时间段，每个移动监测节点在指定时间段内对指定子区域进行目标量检测；所述移动监测节点共S个，S小于N；N、S以及T均为大于1的整数；确定T个时间段上所有可行的节点调度方案集合；所述节点调度方案指示每个移动监测节点在哪个时间段被分配到哪个子区域进行检测，每个时间段上被分配进行检测的移动监测节点的总数小于等于S；根据每个子区域在各个时间段中的目标量的数值、所述可行的节点调度方案集合以及移动监测节点在各个时间段在对应子区域感知到目标量的概率确定每种节点调度方案对应的监测收益；所述监测收益指的是监测获得的总的目标量的数值；根据每个移动监测节点从一个子区域切换到另一个子区域的代价，以及所述可行的节点调度方案集和确定每种节点调度方案对应的总代价；将每种节点调度方案对应的监测收益减去对应的总代价得到每个节点调度方案的策略感知收益；在每个节点调度方案的策略感知收益中考虑每个时间段中目标量数值的不确定性情况，确定所有可行的节点调度方案集和中策略感知收益值最大时的节点调度方案，将其作为所述广域水资源监测的多移动节点感知调度方案。2.根据权利要求1所述的多移动节点感知调度方法，其特征在于，所述每个节点调度方案的策略感知收益，具体为：其中，u(P,A)为节点调度方案的策略感知收益，P表示一个感知周期T内的节点调度方案，A表示节点调度方案P对应的切换策略，T为总时间段数，t表示第t个时间段，p
t
为P的列向量，即第t个时间段的节点监控子域的部署方案，A
t
为时间段t内的节点监控子域的切换策略，g
t
(p
t
)为节点调度方案p
t
的实际监测收益，c
t
(A
t
)为节点执行切换策略A
t
所要消耗的总代价；矩阵P与区域切换策略A之间相关性由以下约束决定：其中，α
n,j,t+1
为节点在时间段t+1从子域n切换到了子域j，p
n,t
为有节点在第t个时间段内被分配到第n个监测子域内进行检测，α
i,n,t
为节点在时间段t从子域i切换到了子域n，N表示监控子区域的总数量；上述约束条件的可行集Ω(T)＝{(P,A)}。3.根据权利要求2所述的多移动节点感知调度方法，其特征在于，所述在每个节点调度方案的策略感知收益中考虑每个时间段中目标量数值的不确定性情况，具体为：在T个时间段内，广域范围内的监测目标量表示为矩阵R，其中每个元素r
n,t
(n∈N,t∈
T)表示第n个子区域内在第t个时间段中目标量的值；考虑到子区域内目标监测量的动态性和测量误差，测量值r
n,t
可能会随机波动，采用最坏情况模型描述目标监测量的统计，假定监测目标量测量值被限定在凸集合中，在同一个子区域内，每个时间段t中的测量值r
t
可表示为其中，是监测量的正常估计值，Δ表示监测量的误差估计值，假设Δ的二范数上界为δ
t
，则r
t
的不确定集U
t
(δ
t
)为：其中，δ
t
越大，意味着r
t
的波动越剧烈。4.根据权利要求3所述的多移动节点感知调度方法，其特征在于，所述确定所有可行的节点调度方案集和中策略感知收益值最大时的节点调度方案，具体为：针对监测目标量矩阵R中每个元素的不确定性情况，最大化最差情况下的每个节点调度方案的感知收益，最大化模型如下所示：约束条件为：其中，g
t
表示最差情况下的感知收益；表示第t个时间段的节点监控收益；p
t
表示第t个时间段的节点监控子域的部署方案；通过S定理，将上述最大化模型转化为凸优化模型：通过S定理，将上述最大化模型转化为凸优化模型：通过S定理，将上述最大化模型转化为凸优化模型：其中，k
t
表示松弛变量，δ＝δ
t
；在所述凸优化模型中将变量p
n,t
∈{0,1}和α
i,n,t
∈{0,1}松弛为连续变量，得到重构的凸优化模型，即p
n,t
∈[0,1]和α
i,n,t
∈[0,1]；通过解半定规划问题得到所述重构的凸优化模型的最优解和然后，逐行对(p
t
,A
t
)矩阵进行二值解析，直至和全部二值化；和表示求解的中间参数；如果非二值解，通过检查α
m,n,t
的值，以进一步改进子节点分配策略：如果α
m,n,t
>0，表示在子区域m上的部分子节点在时间段t中可以被重新分配到子域n上；定义U
n,t
∈U
t
表示在时间段t内被调度在子域n上的子节点集合；最初，设如果α
n,m,t
>0，则修正U
n,t
＝U
n,t
∪{m}；在每个时间段t中，对于每个非空集合U
n,t
中的元素k∈U
n,t
，将可行区域划分为离散化的子集D
n,k,t
，即设置表示时间
段t内部署节点监控子域k，设置U
n,t
中的其他元素为0；对每个分组评估其上界；如果D的上界小于当前的上界，则它将被从集合D中删除，并且不需要在D上进行进一步分解，意味着所有的均已经被二值化，则可以推进到下一个时间段。5.一种面向水资源监测的多移动节点感知调度系统，其特征在于，包括：子区域划分单元，用于根据广域水资源监测目...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗霄凌，曾春年，徐晶，张梦禾，李成涛，韩月琪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：