異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化布置方法研究.pdf

1、隨著國內(nèi)外結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展，與同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡不同，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(Heterogeneous WirelessSensorNetworks,HWSN)中的傳感器節(jié)點具備不同的資源配置，更能滿足實際監(jiān)測場景對無線傳感器網(wǎng)絡的需求。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡是由低成本、具備感知、數(shù)據(jù)處理、存儲和無線通信能力的多類型微型傳感器節(jié)點通過自組織方式形成的網(wǎng)絡。異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡被用來進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時，也存在著諸多的限制，如能耗、傳輸距離等，這

2、就需要對無線傳感器網(wǎng)絡中多類型傳感器節(jié)點進行合理的布設。本文通過無線傳感器節(jié)點對結(jié)構(gòu)的加速度和應變進行監(jiān)測，來識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)，建立提高結(jié)構(gòu)模態(tài)識別和降低異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡能耗的雙優(yōu)化目標，提出了一種適合異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點優(yōu)化布置方法。最后，依據(jù)該方法對平湖編組站大橋主橋進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案的設計。本文主要研究工作和成果如下：
　　由異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡得到的結(jié)構(gòu)模態(tài)之間并不存在正交性，故本文引用一種新的結(jié)構(gòu)模態(tài)評價準則

3、——模態(tài)識別指標。將模態(tài)清晰度準則（Modal Clarity Index, MCI）與模態(tài)相對誤差（ModalRelativeError,MRE）的比值來衡量模態(tài)識別指標，對結(jié)構(gòu)模態(tài)識別程度進行評價。本文借助于實驗室桁架模型展開研究，討論研究均勻布置方案和非均勻布置方案的模態(tài)識別指標。研究結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)上布置的兩類傳感器數(shù)量越多，異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋范圍越大，對結(jié)構(gòu)模態(tài)識別程度就越高。最終得出無線加速度和應變傳感器個數(shù)和相應位置對

4、模態(tài)識別的影響。
　　本文分析了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程中能量消耗的情況，確定數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、發(fā)送與傳輸以及數(shù)據(jù)接收作為網(wǎng)絡能耗的主要部分。本文提出球體能耗模型對網(wǎng)絡能耗進行分析，最終得出無線加速度和應變傳感器個數(shù)和相應位置對網(wǎng)絡能耗的影響。
　　基于結(jié)構(gòu)模態(tài)識別和異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡能耗構(gòu)建了一個目標優(yōu)化函數(shù)。該函數(shù)的建立是基于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡中加速度和應變傳感器節(jié)點的個數(shù)和間距等自變量。借助離散粒子群算法（Di

5、screte Particle Swarm Optimization, DPSO），對該函數(shù)進行求解，可以分別得到最優(yōu)的無線加速度傳感器和無線應變傳感器的個數(shù)和位置。按照該方案進行布置無線傳感器所形成的網(wǎng)絡，具有較強的結(jié)構(gòu)模態(tài)識別和較低的網(wǎng)絡能耗，達到了兩目標優(yōu)化的目的。同時對前一部分的均勻布置方案進行目標函數(shù)求解，得到均勻布置方案中異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡最優(yōu)布置方案，通過兩種方案中兩種類型傳感器的個數(shù)和位置進行對比，驗證了離散粒子群算法求

6、解的最優(yōu)方案具有可靠性。
　　對于兩種類型傳感器節(jié)點個數(shù)和位置均已經(jīng)確定的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡，本文對簇建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段能耗的研究，得到兩個階段下網(wǎng)絡能耗計算公式。運用數(shù)學上確定極值的方法，得到了基于實驗室桁架模型的無線傳感器網(wǎng)絡的最佳簇群數(shù)的確定方法。
　　基于本文所提出的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化布置方法和最佳路由方式，對平湖編組站大橋主橋部分進行了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)設計，提出異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡優(yōu)化布置方案。本文