一种兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法技术

本发明专利技术涉及一种兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，通过有限元分析获取被监测结构的真实模态矩阵；建立兼顾采集数据和传输的无线加速度计布设方案多目标评价函数；基于建立的无线加速度计布设方案多目标评价函数，利用容斥移动多目标离散萤火虫算法求解无线加速度计的优化布设方案；输出分别代表能够采集最有效振动响应数据、数据传输能量消耗最低、采集数据有效性与数据传输低能耗相平衡的三种无线加速度计优化布设方案；本发明专利技术能够从结构成百上千的可选测点中优化选取部分测点形成三种无线加速度计布设方案供用户选用，以实现无线加速度计优化布设问题的高效率和高质量求解，并使得求解结果满足不同用户的多种需求。多种需求。多种需求。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法


[0001]本专利技术涉及一种兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，属于土木结构健康监测领域。

技术介绍

[0002]利用无线加速度计对结构振动响应进行采集，具有施工方便、组网灵活、效率高、成本低等优点，已在多项实际工程中成功应用，是土木结构健康监测领域未来的重要发展方向。然而，由于结构监测成本的限制，用于振动响应采集的无线加速度计的数量常常远少于可选测点的数量。同时，无线加速度计的极限数据传输距离较短(一般为几十米)，而土木工程结构的尺寸庞大(可达几百米甚至几千米)，需要利用邻近的无线加速度计进行中转实现数据远距离传输。另外，无线加速度计大多采用能量非常有限的电池供电。因此，非常有必要对无线加速度计的布设位置进行优化，实现无线加速度计之间距离的调节，确保采集的数据能够传输至数据中心，并进一步保证采集的数据能够最有效地表征结构的振动响应以及数据传输的能量消耗尽可能低。
[0003]两种优化布设目标相互矛盾，不能同时达到最优，以采集数据有效性为目标的优化布设倾向于均匀布设无线加速度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤S1：通过有限元分析获取被监测结构维数为N
×
S的真实模态矩阵；步骤S2：建立兼顾采集数据和传输的无线加速度计布设方案多目标评价函数；步骤S3：基于步骤S2中建立的无线加速度计布设方案多目标评价函数，利用容斥移动多目标离散萤火虫算法求解无线加速度计的优化布设方案；步骤S4：输出分别代表能够采集最有效振动响应数据、数据传输能量消耗最低、采集数据有效性与数据传输低能耗相平衡的三种无线加速度计优化布设方案。2.根据权利要求1所述的兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，其特征在于：步骤S2中，建立无线加速度计布设方案多目标评价函数的具体步骤为：步骤S21：定义可用的无线加速度计的数量为R，针对某一种无线加速度计布设方案，根据无线加速度计布设的位置，将真实模态矩阵中的对应行抽出，组成采集模态矩阵Φ
采
；步骤S22：通过采集模态矩阵Φ
采
计算有效独立向量H，有效独立向量H的计算公式为：公式(2.1)中，Φ
采
表示采集模态矩阵，diag[
·
]表示求矩阵的对角线元素，上标T表示求矩阵转置；步骤S23：基于步骤S22中的有效独立向量H计算采集数据有效性的评价函数f
IE
，采集数据有效性的评价函数f
IE
的计算公式为：公式(2.2)中，f
IE
表示采集数据有效性的评价函数，H1,H2,
…
,H
R
表示有效独立向量H中的元素；步骤S24：无线加速度计布设方案组成无线传感网络，通过计算无线传感网络的邻接矩阵获取无线传感网络的连通系数Z；步骤S25：基于步骤S24获取的连通系数Z，计算数据传输能量消耗的评价函数f
NP
：公式(2.3)中，f
NP
表示数据传输能量消耗的评价函数，E
p
表示第p个无线加速度计完成一次采集数据和传输消耗的能量，其中p＝1,2,
…
,R，Z为连通系数；步骤S26：基于步骤S23获取的采集数据有效性的评价函数f
IE
和步骤S25获取的数据传输能量消耗的评价函数f
NP
建立兼顾采集数据和传输的无线加速度计布设方案多目标评价函数：Minimize f＝(f
IE
，f
NP
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2.4)。3.根据权利要求2所述的兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，其特征在于：步骤S24中通过计算无线传感网络的邻接矩阵获取无线传感网络的连通系数Z的具体步骤为：
步骤S241：计算无线传感网络的邻接矩阵A，邻接矩阵A的第p行、第q列元素A
pq
为公式(2.4.1)中，d
pq
表示第p个无线加速度计与第q个无线加速度计之间的几何距离，d
max
表示无线加速度计的最大数据传输距离，其中，p,q＝1,2,
…
,R；步骤S242：基于步骤S241获取的邻接矩阵A，计算判断矩阵D，判断矩阵D的计算公式为：公式(2.4.2)中，A
m
表示邻接矩阵A的第m次幂，其中，m取整数值，m＝1,2,
…
,R
‑
1；步骤S243：定义无线加速度计的初始能量为当判断矩阵D中存在0元素时，定义连通系数Z为当判断矩阵D中不存在0元素时，定义连通系数Z为0。4.根据权利要求1所述的兼顾采集数据和传输的无线加速度计优化布设方法，其特征在于：步骤S3中利用容斥移动多目标离散萤火虫算法求解无线加速度计的优化布设方案的具体步骤为：步骤S31：确定萤火虫种群中的萤火虫总数为偶数K，设定每只萤火虫代表一种无线加速度计布设方案，将萤火虫进行双结构编码，定义第i只萤火虫的编码为C
i
，i＝1,2,
…
,K，则第i只萤火虫的编码C
i
为：公式(3.1)中，x
i
表示位置编码，g
i
表示状态编码；当g
i,r
等于0，表示编号为x
i,r
的节点未布设无线加速度计；当g
i,r
等于1，表示编号为x
i,r
的节点布设了一只无线加速度计；其中r＝1,2,
…
,N；步骤S32：初始化萤火虫种群中所有萤火虫编码，获得K种无线加速度计的初始布设方案；步骤S33：按照步骤S21
‑
步骤S26，计算K种无线加速度计初始布设方案多目标评价函数f；步骤S34：划分萤火虫种群中所有萤火虫的支配等级；步骤S35：设定迭代次数N为0；步骤S36：确定萤火虫的性别，随机选择0.5K只萤火虫为雄性萤火虫，其余0.5K只萤火虫为雌性萤火虫；步骤S37：产生[0,1]之间的随机数作为权重系数β，计算每只萤火虫的随机亮度B
i
，随机亮度B
i
的计算公式为：公式(3.2)中，τ
i
表示第i只萤火虫的支配等级，f
IE,i
表示第i只萤火虫的采集数据有效
性的评价函数值，f
NP,i
表示第i只萤火虫的数据传输能量消耗的评价函数值；步骤S38：对所有萤火虫进行相容移动；步骤S39：按照步骤S21
‑
步骤S26，计算相容移动后萤火虫的评价函数f；步骤S310：合并相容移动前和相容移动后的所有萤火虫形成新的萤火虫种群，按照步骤S34划分新萤火虫种群中所有萤火虫的支配等级；步骤S311：对所有萤火虫进行相斥移动；步骤S312：按照步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：周广东，张佳宁，奚佳欢，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：