一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法技术

本发明专利技术公开了一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法，本发明专利技术创造性地将流速和浓度统一起来考虑，即污染物推流迁移通量，统一起来的优势在于，通量可以更好判断和跟踪污染源扩散的主流，即污染物扩散的主通路或主路径，降低了传统溯源方法中因片面地依赖污染物浓度或流速而引起的误差，本发明专利技术在传统天牛须搜索算法的基础上，实现了无人船数量从一到多的改变，具有收敛快，不易陷入局部最优的特点，无人船左右两侧搭载有浓度传感器、红外传感器和流速计，可实时监测污染物浓度和流速，通过改良天牛须搜索算法计算出无人船下一步的位置，并且还具有能进行避障的优点。并且还具有能进行避障的优点。并且还具有能进行避障的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法


[0001]本专利技术属于水污染溯源领域，涉及一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法。

技术介绍

[0002][0003]目前常见的水污染溯源方法有静态溯源方法和动态溯源方法，静态溯源方法是利用传感器阵列的监测值进行反演概率计算，动态溯源方法是移动检测结合行为规划法进行主动搜索，动态溯源算法有浓度梯度算法和各种启发式算法相结合，它们存在以下几种缺点，首先上述算法一般应用于单无人船溯源领域，所以导致运行速度慢，无法快速地找到污染物源头，第二个缺点是因为算法的不完善导致无人船容易陷入局部最优，第三个缺点是现在的水污染溯源无人船大多缺少避障功能，第四个缺点是当前的溯源算法大多只单独依据污染物的浓度或者流速，如逆流算法是仅利用流速信息U，梯度算法仅利用污染物浓度信息C，而本专利技术中的算法优势在于该算法流速和浓度统一起来考虑，即污染物推流迁移通量，降低了传统溯源方法中因片面地依赖污染物浓度或流速而引起的误差，并且该算法可用于多无人船溯源任务，还具有能进行避障和运行速度快等优点。
[0004]天牛须算法是由Jiang等人于2017年提出的一种智能优化算法，与其他仿生类算法不同，天牛须算法是一种单体搜索算法，具有原理简单、参数少、计算量少等优点，天牛须搜索算法模仿自然界中天牛觅食行为，在天牛觅食过程中，食物会产生特殊气味，吸引天牛向着食物前进，天牛通过其两只触角对空气中的食物气味进行感知，且根据食物距离两只触角的距离远近不同，两只触角所感知的气味浓度也有所差异，当食物处于天牛左侧时，左侧触角感知的气味浓度强于右侧触角感知的气味浓度，天牛根据两只触角所感知的浓度差，向着浓度强的一侧随机前进，通过一次次迭代，最终找到食物的位置，而天牛群搜索算法(beetle swarm optimization，BSO)结合了个体进化和群体学习的优势，并且现在还未见该算法应用于水污染溯源领域。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了弥补水污染溯源领域的技术不足，结合溯源实际场景的因素，将天牛群搜索算法应用于水污染溯源中，并将流速U和浓度C 统一起来考虑，得到污染物推流迁移通量F＝U
×
C，统一起来的优势在于，F可以更好判断和跟踪污染源扩散的主流，即污染物扩散的主通路或主路径，降低了传统溯源方法中因片面地依赖污染物浓度或流速而引起的误差，并且该算法相较于天牛须搜索算法，可用于多无人船溯源任务，具有收敛快，不易陷入局部最优的特点，另外还加入了基于流速方向来进行避障的算法。
[0006]一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法，包含如下步骤：
[0007]步骤1：根据群众举报以及水质监测装置检测到水体污染后无人船到达污染区域；
[0008]步骤2：n艘无人船到达河流污染区域的下游位置，n艘无人船的初始位置坐标为X
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，
[0009]其中k代表第k艘无人船，n代表无人船的数量；
[0010]步骤3：n艘无人船的左右两侧对称安装有目标污染物传感器和流速计，污染物传感器距离无人船质心的距离为L，同时无人船上装有正面朝前的超声波传感器，左右两边装有红外传感器，用于识别障碍物；
[0011]步骤4：n艘无人船的传感器测量出污染物浓度C
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n， t＝1代表初始时刻)，无人船流速计测量出当前的流速为U
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n， t＝1代表初始时刻)，计算这n艘无人船当前的推流迁移通量为F
t
(k)＝C
t
(k)
×ꢀ
U
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，比较两侧通量数值大小，取其中较大值，利用改良天牛须搜索算法分别得出n艘无人船下一位置为X
t
(k) (k＝1,2,3,
……
,n，t＝t+1)；
[0012]步骤5：然后比较n艘无人船位置的推流迁移通量大小，得到通量最大的F
best
，并记录当时该艘无人船位置X
best
；
[0013]步骤6：其他无人船向检测出通量值最大的无人船进行靠拢，得到其他无人船新的位置为：
[0014]X
t+1
(k)＝X
t
(k)+(X
best
‑
X
t
(k))*random(0，0.005)(k为除通量最大的其他船)
[0015]步骤7：若C
t
(k)>C
max
(C
max
代表浓度阈值，表示有任意一艘无人船检测到的浓度大于阈值)则找到污染源头，否则返回至步骤4；
[0016]上述步骤4中提到的改良天牛须搜索算法，其迭代流程步骤如下：
[0017]步骤1：以无人船质心为中心，随机旋转任意角度，此时传感器所朝方向的单位向量为：
[0018][0019]其中rands(2,1)表示在x和y方向上随机选取一个[0,1]的值，用以计算方向单位向量；
[0020]计算出无人船左侧传感器位置和右侧传感器位置为：
[0021][0022]其中x为当前无人船质心的位置，x
l
为无人船左侧传感器的位置， x
r
为无人船右侧传感器的位置；
[0023]步骤2：获取无人船左侧通量值F
left
和右侧通量值F
right
，比较两侧通量值，取其中较高值；
[0024]步骤3：若左侧通量值高，则输出下一位置为：
[0025][0026]若右侧通量值高，则输出下一位置为：
[0027][0028]其中δ为步长，其中x
t
为无人船当前位置，x
t+1
为无人船下一步的位置；
[0029]在步骤3中，当无人船按上述公式航行时，超声波传感器感应到前方有障碍物，无
人船通过船两侧的红外传感器检测到障碍物大致位置，此时船的航行距离为m，船头方向为水流流速方向为在偏离障碍物的一侧方向且与船头垂直方向为逆流速方向与之间的夹角为β，无人船将船头方向转向逆流速方向和方向夹角β中的随机方向移动(δ
‑
m)。
[0030]本专利技术的有益效果在于：本专利技术创造性地将流速和浓度统一起来考虑，即污染物推流迁移通量，统一起来的优势在于，通量可以更好判断和跟踪污染源扩散的主流，即污染物扩散的主通路或主路径，降低了传统溯源方法中因片面地依赖污染物浓度或流速而引起的误差，相较于天牛须搜索算法，该算法可用于多无人船溯源任务，具有收敛快，不易陷入局部最优的特点，还具有能进行避障和运行速度快等优点。
附图说明
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于推流迁移通量的天牛群水污染溯源方法，包含如下步骤：步骤1：根据群众举报或水质监测装置检测到水体污染后无人船到达污染区域；步骤2：n艘无人船到达河流污染区域的下游位置，n艘无人船的初始位置坐标为X
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，其中k代表第k搜无人船，n代表无人船的数量；步骤3：n艘无人船的左右两侧对称安装有目标污染物传感器和流速计，污染物传感器距离无人船质心的距离为L，同时无人船上装有正面朝前的超声波传感器，左右两边装有红外传感器，用于识别障碍物；步骤4：n艘无人船的传感器测量出污染物浓度C
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，无人船流速计测量出当前的流速为U
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，计算这n艘无人船当前的推流迁移通量为F
t
(k)＝C
t
(k)
×
U
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝1代表初始时刻)，比较两侧通量数值大小，取其中较大值，利用改良天牛须搜索算法分别得出n艘无人船下一位置为X
t
(k)(k＝1,2,3,
……
,n，t＝t+1)；步骤5：然后比较n艘无人船位置的推流迁移通量，得到通量最大的F
best
，并记录当时该艘无人船位置X
best
；步骤6：其他无人船向检测出通量值最大的无人船进行靠拢，得到其他无人船新的位置为：X
t+1
(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄宇栋，丁涛，高奇石，胡立芳，王凯炜，张鼎一，张伟杰，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：