一種基于網(wǎng)絡(luò)效率的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點布設(shè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域，涉及無線監(jiān)測技術(shù)，特別涉及基于網(wǎng)絡(luò)效率的節(jié) 點優(yōu)化布設(shè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 橋梁結(jié)構(gòu)在長期的運營過程中，受到車輛荷載、風(fēng)荷載、環(huán)境侵蝕等各種外界荷載 綜合作用下，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)一定程度的損傷，這些損傷如不及時發(fā)現(xiàn)，積累的損傷會降低 橋梁抵抗外界荷載的能力，從而會影響橋梁的安全運營。為了評價橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況，可 采用動力測試的方法，動力測試的傳感器可選擇加速度傳感器。
[0003] 傳統(tǒng)的動力測試方法是采用有線加速度傳感器，利用線纜將加速度的數(shù)據(jù)信息傳 輸給數(shù)據(jù)接收基站。然而，有線傳感器的線纜布設(shè)距離長，布設(shè)線纜量大，會耗費大量的物 力人力。無線傳感器的應(yīng)用可以解決線纜布設(shè)問題，通過將加速度傳感器連接于無線傳感 節(jié)點上，組成無線加速度傳感器。無線節(jié)點安裝方便，組網(wǎng)也方便，無需布設(shè)線纜，因此，有 廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 無線加速度傳感器來監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)時，將數(shù)據(jù)接收基站安置于橋的一端，橋上的 無線傳感節(jié)點成直線排列，并通過多跳的方式，將遠(yuǎn)處的無線節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸給基站。數(shù)據(jù)傳 輸、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)接收是無線節(jié)點工作時主要的耗能過程。由此可見，距離基站近的無 線節(jié)點由于需要接收遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生過重的能量負(fù)擔(dān)，會提前耗盡能量，形成"能量洞"， 致使整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)失效，而遠(yuǎn)處的節(jié)點能量剩余還很多，從而導(dǎo)致能量的浪費，因此， 如何優(yōu)化節(jié)點布設(shè)使網(wǎng)絡(luò)效率最大化時十分重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是應(yīng)用無線傳感技術(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，重點是解決如何優(yōu)化布 設(shè)無線節(jié)點使整個無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)效率最大化。
[0006] 本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是：推導(dǎo)出一種網(wǎng)絡(luò)效率最大化的線性無線監(jiān)測系統(tǒng)節(jié) 點優(yōu)化布設(shè)方法，用以監(jiān)測橋梁的健康狀況。其特征在于：數(shù)據(jù)接收基站置于橋梁的一端， 根據(jù)已有的成熟算法設(shè)置并固定傳感節(jié)點的位置，在傳感節(jié)點之間增加中繼節(jié)點。中繼節(jié) 點負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)，而傳感節(jié)點具有接收數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)與采集數(shù)據(jù)的功能。網(wǎng)絡(luò) 效率定義為單位價錢內(nèi)的數(shù)據(jù)獲取量，決定于網(wǎng)絡(luò)壽命及節(jié)點總數(shù)。網(wǎng)絡(luò)壽命取決于單個 節(jié)點的最大耗能，如果傳感節(jié)點或中繼節(jié)點中任意一個節(jié)點能量提前耗盡，網(wǎng)絡(luò)壽命也就 終止。單個節(jié)點耗能取決于此節(jié)點需要處理的數(shù)據(jù)量以及傳輸距離，增加數(shù)據(jù)量或者傳輸 距離均會使節(jié)點耗能增加。本發(fā)明通過優(yōu)化布設(shè)傳感節(jié)點之間中繼節(jié)點的位置，使各個節(jié) 點的耗能近似相等，從而使網(wǎng)絡(luò)效率最大化。
[0007] -種基于網(wǎng)絡(luò)效率的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點布設(shè)方法，步驟如下：
[0008] 步驟一：中繼節(jié)點位置的初始設(shè)置
[0009] (1)將數(shù)據(jù)接收基站設(shè)置在橋的一端，并確定被測橋梁的長度；
[0010] (2)根據(jù)傳感器優(yōu)化布設(shè)方法，確定傳感節(jié)點數(shù)量n及位置，使其準(zhǔn)確測得橋梁的 各階模態(tài)，傳感節(jié)點記為Pi(i= 1，2,...n);
[0011] ⑶取i=n，設(shè)中繼節(jié)點的傳輸距離cn,R等于傳輸距離的閾值c0,艮Pcn,R=c0，采 用傳統(tǒng)耗能模型計算距離基站最遠(yuǎn)的中繼節(jié)點的耗能En>
[0012] (4)根據(jù)傳感節(jié)點與中繼節(jié)點耗能相等的原則，反推導(dǎo)求出傳感節(jié)點到最近中繼 節(jié)點的傳輸距離cliP;
[0013] (5)根據(jù)耗能相等的原則，利用能耗En,Q求中繼節(jié)點之間的傳輸距離c
[0014](6)以傳感節(jié)點到中繼節(jié)點的傳輸距離cliP以及中繼節(jié)點間的傳輸距離cliQ，求傳 感節(jié)點i到基站之間中繼節(jié)點的個數(shù)mi;若不能整除，取上整數(shù)；
[0015] (7)若步驟（6)不能整除，對傳輸距離CljPcliQ等比例調(diào)整，使其組合正好等于 傳感節(jié)點i到中繼節(jié)點的距離；
[0016] (8)根據(jù)調(diào)整后的傳輸距離，利用傳統(tǒng)耗能模型調(diào)整傳感節(jié)點的耗能EliP與中繼 節(jié)點的耗能EiiQ;
[0017] (9)循環(huán)i，求出所有和E1iQ;
[0018] (10)計算網(wǎng)絡(luò)效率w:
[0019]
[0020] 其中：E。表示節(jié)點的初始能量，并假設(shè)所有節(jié)點的初始能量均相同；1表示傳輸數(shù) 據(jù)為1比特長度；￥%分別表示傳感節(jié)點和中繼節(jié)點的單價，至此，中繼節(jié)點的初始位置已 經(jīng)完成，并記錄此時的網(wǎng)絡(luò)效率w為w_;
[0021] 步驟二：相近節(jié)點的融合，即節(jié)點相近時選取一個節(jié)點作為共享節(jié)點
[0022] (11)在完成步驟（7)后，得到中繼節(jié)點的位置坐標(biāo)序列心，用％表示元素， 即節(jié)點的坐標(biāo)值；并定義數(shù)據(jù)量xP為1比特長度的倍數(shù)，初始值設(shè)為1 ;
[0023](12)比較任意元素a#an，若|a「an| >e，e為提前設(shè)定的數(shù)值，表示兩節(jié)點 距離小于等于e時，兩節(jié)點可選取一個節(jié)點，則i由n-1到1循環(huán)i，重復(fù)比較&1與3";若 |a「an|彡￡，選擇距離基站近的點作為共享節(jié)點，令Xp=xp+1，并定義共享節(jié)點至IJ基站的 距離為共享節(jié)點到上一節(jié)點即遠(yuǎn)離基站方向節(jié)點的距離為c 定義共享節(jié)點到下一 節(jié)點的距離為caftCT。c_為已知，c 未知；
[0024] (13)若上一節(jié)點為傳感節(jié)點，則傳輸數(shù)據(jù)量為xP-l，接收數(shù)據(jù)量為xP-2 ;若上一節(jié) 點為中繼節(jié)點，則傳輸數(shù)據(jù)量與接收數(shù)據(jù)量為xP-l;求得上一節(jié)點的耗能E_;
[0025] (14)比較步驟⑶中調(diào)整后的En，Q和步驟（13)得到的E_，取其最大值，求出共享 節(jié)點到基站之間節(jié)點的距離caftCT，方法同步驟（6);若共享節(jié)點為中繼節(jié)點時，節(jié)點間距離 記為caftCT(i』;若共享節(jié)點為傳感節(jié)點時，先求傳感節(jié)點到中繼節(jié)點的距離，記為caftCT(iiP)， 再求中繼節(jié)點距離 Cafter(i，Q);
[0026](15)求共享節(jié)點到基站的中繼節(jié)點個數(shù)，并調(diào)整中繼節(jié)點間距；將步驟（6)、（7)、 (8)中的ciiP、ciiQ和傳感節(jié)點到基站之間距離替換成Cafter(i，P)、Cafter(i，Q)、Lnew' 執(zhí)行步驟（6)、 (7)、（8)，然后將En，Q與重新執(zhí)行步驟（8)后得到的EliP和EliQ進(jìn)行比較取其最大值，并定義 為E_;
[0027] (16)計算網(wǎng)絡(luò)效率w:
[0028]
[0029] 其中，中繼節(jié)點數(shù)叫有所改變，當(dāng)步驟（12)中滿足|ai_an| >e時，mi不變；然而 a「an|彡e時，共享節(jié)點之前即遠(yuǎn)離基站方向的中繼節(jié)點數(shù)不變，~內(nèi)共享節(jié)點之后的中 繼節(jié)點數(shù)清零，剩下的中繼節(jié)點數(shù)記為新的叫，An內(nèi)共享節(jié)點之后的中繼節(jié)點數(shù)等于步驟 (15)得到的重新布設(shè)的中繼節(jié)點數(shù)，與An內(nèi)共享節(jié)點之前的中繼節(jié)點數(shù)組成新的mn;
[0030] (17)比較步驟（16)中的u與步驟（10