一种水库生态环境实时监控方法技术

本发明专利技术涉及生态环境监控的技术领域，揭露了一种水库生态环境实时监控方法，所述方法包括：获取目标区域的传感器可部署位置，构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布；基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，得到传感器分组结果以及传感器部署位置；构建自适应路由发现模型，得到当前运行传感器的数据包传输路由并对数据包进行路由传输。本发明专利技术结合传感器可部署位置的感知内容分布将现有传感器可部署位置进行分组处理，结合每组传感器感知内容的互信息衡量每组传感器对目标区域的监测效果，在保证每组分组结果的最低监测效果情况达到当前最大的条件下，在同一时刻仅运行一组传感器，提高传感器的使用寿命。传感器的使用寿命。传感器的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种水库生态环境实时监控方法


[0001]本专利技术涉及生态环境监控的
，尤其涉及一种水库生态环境实时监控方法。

技术介绍

[0002]近年来，全球气候不断变化，环境问题突出，湖泊以及水库的富营养化问题依旧很突出，藻类水华大面积繁殖是我国以及世界性的水环境问题之一。浮游植物在水生态系统占有重要的地位，它不仅是初级生产者，与此同时还是水生食物网的基础，和水生生态系统的能量流动、物质循环、信息传递有着密切的关系。除此之外，环境对生态系统的影响可通过浮游植物群落的结构变化来反映，浮游植物可以指示水生态系统的健康和稳定。水质和水生态作为饮用水源地最为重要的监测指标，对饮用水源地来说，即使监测污染物浓度很低，然而长期低剂量的暴露仍然可能对人体健康造成一定的伤害，因此需要对水库生态环境进行传感器布局实施实时监控，本专利技术针对水库传感器部署设置问题进行研究，实现水库生态环境实时监控。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术提供一种水库生态环境实时监控方法，目的在于：1）基于传感器可部署位置感知内容的概率分布构建水库生态传感器分组环境监控模型，通过将现有传感器可部署位置进行分组处理，每组包含若干传感器，结合每组传感器感知内容的互信息衡量每组传感器对目标区域的监测效果，在保证每组分组结果的最低监测效果情况下，在同一时刻仅运行一组传感器，有效提高传感器的使用寿命，并保证对水库生态环境的监控效果，并对当前处于运行状态的传感器，采用结合跳数以及传感器电量的自适应路由发现策略实时确定数据包传输路径，进行传感器所采集数据包的传输以及解析，得到实时的水库环境信息；2）基于双层目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，所述目标函数的待求解参数为每组分组结果所包含传感器可部署位置集合，基于目标函数的求解结果确定用于监控水库生态环境的每组传感器部署位置，实现分组结果中传感器感知内容分布最小值的最大化，进而使得每组传感器均可独自完成目标区域的环境监控，通过构建离散编码表示方案对多组分组结果进行离散表示，构建上层离散粒子对每组分组结果进行表示，在上层优化部分确定整体监控效果最佳的若干主体方案，对于当前若干组主体方案，选取主体方案中上层离散粒子最小适应度成本达到最大的主体方案作为离散优化求解结果，快速实现目标水库区域的传感器分组部署。
[0004]实现上述目的，本专利技术提供的一种水库生态环境实时监控方法，包括以下步骤：S1：获取目标区域的传感器可部署位置，并构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布；S2：构建水库生态传感器分组环境监控模型，所构建模型以现有传感器可部署位置以及传感器数目为输入，以传感器分组结果以及传感器部署位置为输出，以最大化传感
器感知内容分布为目标函数；S3：基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，得到传感器分组结果以及传感器部署位置；S4：对当前分组运行的传感器集合构建自适应路由发现模型，所构建模型以当前运行传感器位置为输入，以数据包传输路由为输出；S5：根据计算得到的数据包传输路由，对当前运行传感器采集的数据包进行路由传输。
[0005]作为本专利技术的进一步改进方法：可选地，所述S1步骤中获取目标区域的传感器可部署位置，并构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布，包括：获取目标区域V的传感器可部署位置坐标集合，其中目标区域V中传感器可部署位置总数为K，表示目标区域V中第k个传感器可部署位置，K>n，n表示最少传感器可部署位置数量，所述目标区域表示水库环境区域；在同一时间范围内调整现有传感器位置，并利用调整位置后的传感器获取目标区域V中不同可部署位置的传感器感知内容，其中目标区域中第k个传感器可部署位置在感知时间内的感知内容均值以及标准差分别为,其中表示第k个传感器可部署位置在感知时间内所感知内容的均值，表示第k个传感器可部署位置在感知时间内所感知内容的标准差，所述传感器感知内容表示传感器采集到的水库环境信息，在本专利技术实施例中，其中环境信息包括土壤湿度、土壤温度、土壤中各元素以及化学物比例、空气温度、空气湿度以及空气中颗粒物含量；在本专利技术实施例中，每个传感器可部署位置的传感器感知时间相同；构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布：；；其中：T表示转置；表示部署传感器感知内容的标准差矩阵；表示第k个传感器可部署位置感知到观测值s的概率，所述第k个传感器可部署位置感知到观测值s表示采集到水库环境信息s。
[0006]可选地，所述S2步骤中构建水库生态传感器分组环境监控模型，包括：根据传感器可部署位置的传感器感知内容分布构建水库生态传感器分组环境监控模型，所构建模型以现有传感器可部署位置以及传感器数目为输入，以传感器分组结果以及传感器部署位置为输出；基于目标区域大小确定传感器分组数：；
其中：M表示传感器分组数，S表示目标区域V的面积，R表示传感器的信息感知半径， 表示决策系数，将设置为3；其中现有待部署传感器数目为num，传感器分组数为M，第m组分组结果中包含的传感器可部署位置集合为，第m组分组结果中包含的传感器数目为，。
[0007]可选地，所述S2步骤中水库生态传感器分组环境监控模型的目标函数为：；；；；；；其中：表示第m组分组结果的传感器感知内容分布，表示M组分组结果的传感器感知内容分布最小值；表示K个传感器可部署位置的感知内容均值，表示第m组分组结果的感知内容均值；所述目标函数的待求解参数为M组分组结果中，每组分组结果所包含传感器可部署位置集合，基于目标函数的求解结果确定用于监控水库生态环境的每组传感器部署位置，实现M组分组结果中传感器感知内容分布最小值的最大化，使得每组传感器均可独自完成目标区域的环境监控。
[0008]可选地，所述S3步骤中基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，包括：基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，其中离散优化求解流程为：S31：设置优化求解次数为Max，生成G个上层离散编码表示方案，每个上层离散编码表示方案包含M种粒子，每种粒子对应一组分组结果中传感器可部署位置集合，其中第个离散编码表示方案的形式为：；；其中：
表示第个离散编码表示方案的形式；表示中的第m种粒子，对应第m种分组结果；表示中个传感器可部署位置集合的编码表示，其中每种粒子所包含传感器可部署位置互不相同，且每种粒子所包含传感器可部署位置的数目大于0；S32：确定上层离散粒子的适应度函数：；其中：表示计算传感器感知内容分布；表示上层离散粒子的适应度函数，适应度函数的计算结果即为上层离散粒子的适应度成本；计算得到离散编码表示方案的适应度成本：；其中：表示第个离散编码表示方案的适应度成本；S33：选取适应度成本最大的U种离散编码表示方案作为主体方案，其余方案作为附属方案，计算第u种主体方案的归一化适应度成本：；其中：表示U种主体方案中的最大适应度成本；表示第u种主体方案的适应度成本，表示第u种主体方案的归一化适应度成本；S34：计算第u种主体方案所拥有的附属方案数量：；其中：表示取整函数，G表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水库生态环境实时监控方法，其特征在于，所述方法包括：S1：获取目标区域的传感器可部署位置，并构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布；S2：构建水库生态传感器分组环境监控模型，所构建模型以现有传感器可部署位置以及传感器数目为输入，以传感器分组结果以及传感器部署位置为输出，以最大化传感器感知内容分布为目标函数；S3：基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，得到传感器分组结果以及传感器部署位置；S4：对当前分组运行的传感器集合构建自适应路由发现模型，所构建模型以当前运行传感器位置为输入，以数据包传输路由为输出；S5：根据计算得到的数据包传输路由，对当前运行传感器采集的数据包进行路由传输；其中，所述S1步骤中获取目标区域的传感器可部署位置，并构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布，包括：获取目标区域V的传感器可部署位置坐标集合，其中目标区域V中传感器可部署位置总数为K，表示目标区域V中第k个传感器可部署位置，K>n，n表示最少传感器可部署位置数量，所述目标区域表示水库环境区域；在同一时间范围内调整现有传感器位置，并利用调整位置后的传感器获取目标区域V中不同可部署位置的传感器感知内容，其中目标区域中第k个传感器可部署位置在感知时间内的感知内容均值以及标准差分别为,其中表示第k个传感器可部署位置在感知时间内所感知内容的均值，表示第k个传感器可部署位置在感知时间内所感知内容的标准差，所述传感器感知内容表示传感器采集到的水库环境信息；构建每个传感器可部署位置的传感器感知内容分布：；；其中：T表示转置，表示部署传感器感知内容的标准差矩阵；表示第k个传感器可部署位置感知到观测值s的概率，所述第k个传感器可部署位置感知到观测值s表示采集到水库环境信息s。2.如权利要求1所述的一种水库生态环境实时监控方法，其特征在于，所述S2步骤中构建水库生态传感器分组环境监控模型，包括：根据传感器可部署位置的传感器感知内容分布构建水库生态传感器分组环境监控模型，所构建模型以现有传感器可部署位置以及传感器数目为输入，以传感器分组结果以及传感器部署位置为输出；基于目标区域大小确定传感器分组数：
；其中：M表示传感器分组数，S表示目标区域V的面积，R表示传感器的信息感知半径， 表示决策系数，将设置为3；其中现有待部署传感器数目为num，传感器分组数为M，第m组分组结果中包含的传感器可部署位置集合为，第m组分组结果中包含的传感器数目为，。3.如权利要求2所述的一种水库生态环境实时监控方法，其特征在于，所述S2步骤中水库生态传感器分组环境监控模型的目标函数为：；；；；；；其中：表示第m组分组结果中包含的传感器数目；表示第m组分组结果的传感器感知内容分布，表示M组分组结果的传感器感知内容分布最小值；表示K个传感器可部署位置的感知内容均值，表示第m组分组结果的感知内容均值；所述目标函数的待求解参数为M组分组结果中，每组分组结果所包含传感器可部署位置集合，基于目标函数的求解结果确定用于监控水库生态环境的每组传感器部署位置。4.如权利要求3所述的一种水库生态环境实时监控方法，其特征在于，所述S3步骤中基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，包括：基于目标函数对水库生态传感器分组环境监控模型进行离散优化求解，其中离散优化求解流程为：S31：设置优化求解次数为Max，生成G个上层离散编码表示方案，每个上层离散编码表示方案包含M种粒子，每种粒子对应一组分组结果中传感器可部署位置集合，其中第个离散编码表示方案的形式为：
；；其中：表示第个离散编码表示方案的形式；表示中的第m种粒子，对应第m种分组结果；表示中个传感器可部署位置集合的编码表示，其中每种粒子所包含传感器可部署位置互不相同，且每种粒子所包含传感器可部署位置的数目大于0；S32：确定上层离散粒子的适应度函数：；其中：表示计算传感器感知内容分布；表示上层离散粒子的适应度函数，适应度函数的计算结果即为上层离散粒子的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艳，
申请(专利权)人：湖南省水务规划设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：