高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法及系統(tǒng)，包括步驟：A、收集能量，通過能量采集單元將電能傳輸?shù)侥芰績Υ鎲卧?；B、傳感網(wǎng)負載系統(tǒng)的檢測單元實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度；C、傳感網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)的能量利用狀態(tài)匯聚單元匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度，以及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的當(dāng)前能量值；D、根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量需求權(quán)重；E、根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳感網(wǎng)負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給。
【專利說明】
高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及交通設(shè)施領(lǐng)域，特別是設(shè)及到監(jiān)測交通設(shè)施的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網(wǎng)絡(luò)，運些裝置 使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污 染物）。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場監(jiān)測等軍事應(yīng)用。而現(xiàn)今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被 應(yīng)用于很多民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家庭自動化、W及交通控制等。
[0003] 如今中國的高速鐵路技術(shù)發(fā)展迅速，高鐵覆蓋率、延伸長度日新月異，對于高速鐵 路基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測也日漸重要，其中能量管理技術(shù)的研究和應(yīng)用對高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān) 測檢測傳感網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用提出很大挑戰(zhàn)。在邊遠地區(qū)或者電力供應(yīng)困難的鐵路沿線，通 常使用光伏發(fā)電等新能源供電的方式來進行能量收集、儲存和使用，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電 效率和能量分配方式對提高整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率 會影響發(fā)電總量，提高發(fā)電效率可W節(jié)約系統(tǒng)成本;能量分配策略會影響能量利用效率，當(dāng) 各節(jié)點能量自發(fā)自用時，如果該節(jié)點耗能過小，會導(dǎo)致所發(fā)能量超過蓄電池容量而造成能 量浪費，如果該節(jié)點耗能過大，會導(dǎo)致所發(fā)電量不夠用導(dǎo)致蓄電池能量耗盡節(jié)點失效。
[0004] 提高光伏發(fā)電最大發(fā)電效率是通過MPPT(最大功率點跟蹤)技術(shù)實現(xiàn)的。光伏發(fā)電 輸出功率特性曲線為單峰值曲線，在最大功率點處功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零，采用變步長導(dǎo) 納增量法，在遠離最大功率點附近時，采用較大的固定步長進行跟蹤，保證跟蹤的快速性； 在靠近最大功率點附近時，采用步長逐漸減小的變步長進行跟蹤，保證跟蹤的穩(wěn)定性。通過 基于變步長導(dǎo)納增量的MPPT控制算法，使系統(tǒng)在外界環(huán)境變化的情況下，穩(wěn)定的工作在最 大功率點附近，使系統(tǒng)的發(fā)電效率最高。
[0005] 目前，大部分傳感網(wǎng)節(jié)點使用光伏供電時，都采用單節(jié)點發(fā)電-供電的模式，運樣 會導(dǎo)致能量浪費或者節(jié)點因能量耗盡而失效。集中式發(fā)電，按需進行能量調(diào)度的能量管理 模式可W很好的解決運一問題，綜合考慮各節(jié)點的剩余能量、功率及所傳輸數(shù)據(jù)的重要性 等因素，確定能量分配的方案，保證能量供給的均衡性，當(dāng)某個節(jié)點耗能小時，分配能量較 少，避免單點電池充滿導(dǎo)致所發(fā)能量浪費；當(dāng)某個節(jié)點耗能較大時，分配能量較大，避免單 點電池能量耗盡導(dǎo)致的節(jié)點失效。
[0006] 本發(fā)明針對無線傳感網(wǎng)能量供給不足進而影響傳感網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，研究一種 合理有效的基于MPPT控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，并采用能量優(yōu)化管理調(diào) 度的方法，在傳統(tǒng)電力供應(yīng)不足的情況下實現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)監(jiān)測檢測傳感網(wǎng) 系統(tǒng)的高效、持續(xù)、穩(wěn)定運行，對高鐵運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，確保高速鐵路的安全運營。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于此，本發(fā)明針對無線傳感網(wǎng)能量供給不足進而影響傳感網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題， 研究一種合理有效的基于MPPT控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，并采用能量優(yōu) 化管理調(diào)度的方法，在傳統(tǒng)電力供應(yīng)不足的情況下實現(xiàn)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)監(jiān)測檢 測傳感網(wǎng)系統(tǒng)的高效、持續(xù)、穩(wěn)定運行，對高鐵運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，確保高速鐵路的安 全運營。
[0008] 為了實現(xiàn)此目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0009] -種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法，包括步驟：
[0010] A、傳感網(wǎng)主電源系統(tǒng)先通過能量采集單元收集能量，通過能量采集單元將電能傳 輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校?br>[0011] B、傳感網(wǎng)負載系統(tǒng)的檢測單元實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和 傳輸數(shù)據(jù)的重要度；
[0012] C、傳感網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)的能量利用狀態(tài)匯聚單元匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的 初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度，W及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的 當(dāng)前能量值；
[0013] D、根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量需 求權(quán)重；
[0014] E、根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳感網(wǎng)負載各節(jié)點 的儲能單元進行能量配給。
[0015] 其中，步驟D中，根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié) 點的能量需求權(quán)重包括：
[0016] 各節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的能量值大于該節(jié)點傳輸耗能，
[0017] 傳感網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點凈剩能量保持均衡，
[0018] 傳輸數(shù)據(jù)重要度高的數(shù)據(jù)能量分配優(yōu)先級最高，所傳輸數(shù)據(jù)實時性要求高的數(shù)據(jù) 能量分配優(yōu)先級次之，傳感網(wǎng)節(jié)點剩余能量少的節(jié)點能量分配優(yōu)先級最低。
[0019] 此外，步驟E后，進一步包括:根據(jù)儲能系統(tǒng)總能量的變化來動態(tài)調(diào)整能量需求權(quán) 重系數(shù)，具體為：
[0020]
[0021] 其中《'為調(diào)整后的能量需求權(quán)重系數(shù)，、是調(diào)整前的能量需求權(quán)重系數(shù)，而EtU) 為儲能系統(tǒng)總能量。
[0022] 此外，本發(fā)明還保護另一種技術(shù)方案，具體如下：
[0023] -種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括能量采集單 元、能量儲存單元、檢測單元，能量利用狀態(tài)匯聚單元、能量需求權(quán)重確定單元和能量配給 單元，其中，
[0024] 能量采集單元用于收集能量，通過能量采集單元將電能傳輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校?br>[0025] 檢測單元用于實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要 度；
[0026] 能量利用狀態(tài)匯聚單元用于匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和 傳輸數(shù)據(jù)的重要度，W及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的當(dāng)前能量值；
[0027] 能量需求權(quán)重確定單元用于根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要 求，確定各節(jié)點的能量需求權(quán)重；
[0028] 能量配給單元用于根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳 感網(wǎng)負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給。
[0029] 通過采用本發(fā)明的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法及系統(tǒng)，針對 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測傳感網(wǎng)能量管理問題，采用"集中發(fā)電、動態(tài)調(diào)配"的方法對能量進 行動態(tài)分配，從而可W根據(jù)節(jié)點的剩余能量、傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)先級及實時性要求等指標(biāo)要求 動態(tài)調(diào)配能量，避免了傳統(tǒng)單個節(jié)點獨立供電導(dǎo)致的個別節(jié)點由于能量耗盡過早死亡，個 別節(jié)點由于耗能較少導(dǎo)致能量浪費等問題。因此，本發(fā)明的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng) 節(jié)點能量管理方法及系統(tǒng)對傳感網(wǎng)的穩(wěn)定和持續(xù)的能量供給提供了保證，有效提高了傳感 網(wǎng)的使用穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】中高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法的 流程圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明【具體實施方式】中高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法總 體結(jié)構(gòu)圖。
[0032] 圖3是本發(fā)明【具體實施方式】中基于光伏發(fā)電的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點 能量管理方法實例實現(xiàn)流程圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細說明。
[0034] W下公開詳細的示范實施例。然而，此處公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)僅僅是出于 描述示范實施例的目的。
[0035] 然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于公開的具體示范實施例，而是覆蓋落入本公開范 圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換物。在對全部附圖的描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元 件。
[0036] 同時應(yīng)該理解，如在此所用的術(shù)語"和/或"包括一個或多個相關(guān)的列出項的任意 和所有組合。另外應(yīng)該理解，當(dāng)部件或單元被稱為"連接"或"禪接"到另一部件或單元時，它 可W直接連接或禪接到其他部件或單元，或者也可W存在中間部件或單元。此外，用來描述 部件或單元之間關(guān)系的其他詞語應(yīng)該按照相同的方式理解(例如，"之間"對"直接之間"、 "相鄰'對"直接相鄰'等）。
[0037] 參照圖1，本發(fā)明【具體實施方式】中包括一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能 量管理優(yōu)化方法，所述具體方法包括：
[0038] 步驟1、傳感網(wǎng)主電源系統(tǒng)先通過能量采集單元收集能量，通過能量采集控制單元 將電能傳輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校?br>[0039] 步驟2、傳感網(wǎng)負載系統(tǒng)的檢測單元實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量與,(〇、 傳輸耗能傳輸數(shù)據(jù)的重要度Wi;
[0040] 步驟3、傳感網(wǎng)能量調(diào)度控制系統(tǒng)的能量利用狀態(tài)匯聚單元匯集各節(jié)點能量利用 狀態(tài)信息，包括各節(jié)點當(dāng)前時刻初始能量馬腳，/ = U…n;各節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的能量 61(*)4 = 1，2-化各節(jié)點當(dāng)前時刻傳輸消耗能苗.:€'.。(〇./' = 1.2~，<;;各節(jié)點當(dāng)前時刻所傳輸 數(shù)據(jù)的重要度Wi，i = 1，2，…n;各節(jié)點當(dāng)前時刻所傳輸數(shù)據(jù)的重要度Wi，i = 1，2，…n;能量采 集單元當(dāng)前電壓值Wt);能量儲存單元當(dāng)前能量值ET(t);
[0041] 步驟4、根據(jù)各節(jié)點能量利用狀態(tài)信息，基于能量調(diào)度的總體原則，選擇合適的能 量調(diào)度策略：
[0042]
1)各節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的能量值滿足該節(jié)點傳輸消耗能量工作需求，即
[0043] 2)傳感網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點凈剩能量保持均衡，目I
最小；
[0044] 3)所傳輸數(shù)據(jù)重要度高的數(shù)據(jù)，能量分配優(yōu)先級丫 1最高;所傳輸數(shù)據(jù)實時性要求 高的數(shù)據(jù)，能量分配優(yōu)先級丫 2次之;傳感網(wǎng)節(jié)點剩余能量少的節(jié)點，能量分配優(yōu)先級丫 3最 低；g
[0045] 根據(jù)各節(jié)點凈剩能量巧M、傳輸數(shù)據(jù)重要度Wi及實時性要求Tl,計算各節(jié)點能量需
求的權(quán)串Aj/ ?
[0046]
[0047] 其中，扣為度量節(jié)點凈剩能量的度量值，丫 1，丫 2, 丫 3分別為重要度，實時性和凈剩 能量的權(quán)值系數(shù)。
[0048] 傳輸數(shù)據(jù)重要度Wi和實時性要求Tl是由傳感網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點的功能單元決定的， 是根據(jù)節(jié)點預(yù)設(shè)的傳輸內(nèi)容來確定的，所W各節(jié)點的Wi和Tl的相對值都是定值，且滿足：
[0049]
[0化0]因此，節(jié)點的凈剩能量怎心為：
[0化1 ]

[0052]為了使能量越少的節(jié)點獲得越多的能量，用01為度量節(jié)點相對凈剩能量的度量 值：
[0化3]
[0054]各節(jié)點能量需求權(quán)重歸一化處理后，可得：
[0化5]
[0056] 步驟5、根據(jù)計算得到的各節(jié)點能量分配權(quán)重系數(shù)，計算各節(jié)點分配的能量，并給 傳感網(wǎng)負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給。
[0057] 納什均衡協(xié)議的效用函數(shù)為：
[0化引
[0059] 如果考慮如果能量收集系統(tǒng)的能量足夠多時，會導(dǎo)致部分傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時 性要求很高，但是能量消耗很少的節(jié)點分到的能量過多而造成能量浪費和不均衡分配，為 了避免運種情況的發(fā)生，需要根據(jù)儲能系統(tǒng)總能量EtU)的變化來動態(tài)地調(diào)整能量需求權(quán) 重系數(shù)、，令變化后的能量需求權(quán)重系數(shù)為i/，為了降低系統(tǒng)能量充足時，、對能量分配的 影響，對、開ET(t)次方，即：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 經(jīng)過上述處理，在總能量較少時4對系統(tǒng)有較大影響力，而總能量較多時，i,的影 響力減弱，體現(xiàn)了系統(tǒng)的公平性。因此4是各節(jié)點的動態(tài)自適應(yīng)能量分配函數(shù)。
[0064]
[00 化]
[0066]
[0067]可定義拉格朗日多項式 1化1(*)，〇,51，|0，其中〇<0,51<0，|1<04 = 1，...，6。 [006引
為 了使效用函數(shù)達到最大值，
[0069]
[0070]
[0071]
[0072] 綜上可得出當(dāng)前各節(jié)點分配到的能量為：
[0073]
[0074] 其中
弓系統(tǒng)在滿足各節(jié)點功率需求后剩余的能量。此結(jié)果反映了 系統(tǒng)在滿足各節(jié)點功率需求的基礎(chǔ)上，進行能量動態(tài)分配的過程。運樣既可W保證個別節(jié) 點不會因為能量耗盡而過早死亡，也可W避免個別節(jié)點耗能較少導(dǎo)致發(fā)電能量不能得到存 儲而浪費，該能量動態(tài)分配的方法對保證傳感網(wǎng)的穩(wěn)定和持續(xù)的能量供給提供了保證，有 效提高了傳感網(wǎng)的使用穩(wěn)定性。
[0075] 因此本發(fā)明包括一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法，包括步 驟：
[0076] A、傳感網(wǎng)主電源系統(tǒng)先通過能量采集單元收集能量，通過能量采集單元將電能傳 輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校?br>[0077] B、傳感網(wǎng)負載系統(tǒng)的檢測單元實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和 傳輸數(shù)據(jù)的重要度；
[0078] C、傳感網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)的能量利用狀態(tài)匯聚單元匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的 初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度，W及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的 當(dāng)前能量值；
[0079] D、根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量需 求權(quán)重；
[0080] E、根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳感網(wǎng)負載各節(jié)點 的儲能單元進行能量配給。
[0081] 其中根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量 需求權(quán)重包括：
[0082] 各節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的能量值大于該節(jié)點傳輸耗能，
[0083] 傳感網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點凈剩能量保持均衡，
[0084] 傳輸數(shù)據(jù)重要度高的數(shù)據(jù)，能量分配優(yōu)先級最高，所傳輸數(shù)據(jù)實時性要求高的數(shù) 據(jù)，能量分配優(yōu)先級次之，傳感網(wǎng)節(jié)點剩余能量少的節(jié)點，能量分配優(yōu)先級最低。
[0085] 另外，在步驟E后，進一步還包括:根據(jù)儲能系統(tǒng)總能量的變化來動態(tài)調(diào)整能量需 求權(quán)重系數(shù)，具體為：
[0086]
[0087] 其中r為調(diào)整后的能量需求權(quán)重系數(shù)，、是調(diào)整前的能量需求權(quán)重系數(shù)，而EtU) 為儲能系統(tǒng)總能量。
[0088] 參照圖2,示出了本發(fā)明【具體實施方式】中高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量 管理方法總體結(jié)構(gòu)圖，其主要思路為：
[0089] 本發(fā)明的傳感網(wǎng)節(jié)點供電系統(tǒng)由兩部分組成："光伏發(fā)電系統(tǒng)"和"儲能系統(tǒng)"。其 中，光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量一部分直接供給節(jié)點使用，另一部分儲存在儲能系統(tǒng)中。
[0090] 上述兩部分能量供給將送給"節(jié)點能量配置模塊"，通過采集各節(jié)點凈剩能量，傳 送數(shù)據(jù)的重要性及實時性等參數(shù)要求，計算各節(jié)點能量分配的權(quán)值，然后根據(jù)按需分配的 原則，計算各節(jié)點當(dāng)前時刻可W分配到的能量，經(jīng)過處理后，分配各個子節(jié)點。
[0091] 參照圖3,示出了基于光伏發(fā)電的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測傳感網(wǎng)能量管理優(yōu)化的 實例流程圖，具體步驟為：
[0092] 步驟1、采用光伏發(fā)電系統(tǒng)進行集中發(fā)電，通過MPPT充電控制器將能量儲存到能量 儲存系統(tǒng)的蓄電池中；
[0093] 步驟2、采集高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測傳感網(wǎng)內(nèi)分別負責(zé)傳輸線上設(shè)施、線下設(shè)施和 牽引變電設(shè)備等數(shù)據(jù)的各節(jié)點的初始能量心I，數(shù)據(jù)傳輸耗能巧傳輸數(shù)據(jù)的重要度Wi,傳 輸數(shù)據(jù)的實時性要求Tl等參數(shù)；
[0094] 步驟3、節(jié)點能量利用信息匯聚單元匯集各節(jié)點檢測到的狀態(tài)信息，包括各節(jié)點當(dāng)
前時刻初始能量 點當(dāng)前時刻分配到的能量61(〇4 = 1，2,3;各節(jié)點當(dāng) 前時刻傳輸消耗 各節(jié)點當(dāng)前時刻所傳輸數(shù)據(jù)的重要度Wi，i = 1，2，3;各 節(jié)點當(dāng)前時刻所傳輸數(shù)據(jù)的重要度Wi, i = l，2,3;光伏極板當(dāng)前電壓值V(t);蓄電池當(dāng)前電 量值ET(t);
[00M]步驟4、根據(jù)各節(jié)點凈剩能量巧g,、傳輸數(shù)據(jù)重要度Wi及實時性要求Tl,系統(tǒng)總能量 ET(t)計算各節(jié)點能景需求的權(quán)重:
[0096]
[0097] 其中，扣為度量節(jié)點凈剩能量的歸一化的值，丫 1，丫 2, 丫 3分別為重要度，實時性和 凈剩能量的權(quán)值系數(shù)。
[0098] 傳輸數(shù)據(jù)重要度Wi和實時性要求Tl是由傳感網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)=類節(jié)點分別傳輸?shù)木€上、 線下及牽引變電數(shù)據(jù)的重要性和實時性要求來預(yù)設(shè)的定值，且滿足：
[0099]
[0100] 節(jié)點的凈剩能量巧y為：
[0101]
[0102] 為了使能量越少的節(jié)點獲得越多的能量，用01為度量節(jié)點相對凈剩能量的度量 值：
[0103]
[0104] 各節(jié)點能量需求權(quán)軍V掃一化處理后，可得：
[0105]
[0106] 由于Pin和殘都與能量相關(guān)，所W我們將運兩個因素綜合考慮，把節(jié)點的凈剩能量 瑞,作為參考標(biāo)準(zhǔn)：
[0107] 當(dāng)前節(jié)點的凈剩能量為節(jié)點剩余能量與節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的光伏能量的和減 去節(jié)點功率(節(jié)點消耗能量），貨,：節(jié)點當(dāng)前凈剩能量；巧。:節(jié)點剩余能量；gv;節(jié)點當(dāng)前 分配到的光伏能量；錢;節(jié)點的工作功率；：
[010 引
[0109]對比該節(jié)點凈剩能量與系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點凈剩能量的差值，凈剩能量越多分配能量 越少，凈剩能量最多的節(jié)點不予分配能量:扣為該節(jié)點凈剩能量與系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點凈剩能量最 大值差值的絕對值：
[0110：
[0111：
[0112：
[0113] 綜合考慮節(jié)點凈剩能量參考值ru，傳送數(shù)據(jù)的重要度及傳送數(shù)據(jù)的實時性要 求ti，各節(jié)點能量需求的權(quán)重為：
[0114]
[0115] 其中，丫 i，i = l，2,3表示各個因素所占的權(quán)值；
[0116] 歸一化處理后，可得：
[0117]
[0118] 步驟5、根據(jù)計算得到的各節(jié)點能量分配權(quán)重，計算各節(jié)點分配的能量，并給傳感 網(wǎng)負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給；
[0119] 納什均衡協(xié)議的效用函數(shù)為：
[0120]
[0121] 考慮如果能量收集系統(tǒng)的能量足夠多時，會導(dǎo)致部分傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要 求很高，但是能量消耗很少的節(jié)點分到的能量過多而造成能量浪費和不均衡分配，為了避 免運種情況的發(fā)生，需要根據(jù)儲能系統(tǒng)總能量EtU)的變化來動態(tài)的調(diào)整能量分配權(quán)重系 數(shù)、，令變化后的權(quán)重系數(shù)為i/，為了降低系統(tǒng)能量充足時，、對能量分配的影響，對、開時 (t)次方，即：
[0122]
[0123]
[0124]
[01巧]經(jīng)過上述處理，在總能量較少時《對系統(tǒng)有較大影響力，而總能量較多時，《的影 響力減弱，體現(xiàn)了系統(tǒng)的公平性。因此j,.是各節(jié)點的動態(tài)自適應(yīng)能量分配函數(shù)。
[0126]
[0127]
[012 引
[01巧]可定義拉格朗日多項式1化1(*)，〇,51，|0，其中〇<0,51<0，|1<04 = 1，...，6。 「01301
為 了使效用函數(shù)達到最大值有，
[0131]
[0132]
[0133]
[0134]
[0135]
[0136] 其中
為系統(tǒng)在滿足各節(jié)點功率需求后剩余的能量。此結(jié)果反映了 系統(tǒng)在滿足各節(jié)點功率需求的基礎(chǔ)上，進行能量動態(tài)分配的過程。運樣既可W保證個別節(jié) 點不會因為能量耗盡而過早死亡，也可W避免個別節(jié)點耗能較少導(dǎo)致發(fā)電能量不能得到存 儲而浪費，該能量動態(tài)分配的方法對保證傳感網(wǎng)的穩(wěn)定和持續(xù)的能量供給提供了保證，有 效提高了傳感網(wǎng)的使用穩(wěn)定性。
[0137] 為了與本發(fā)明高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法相對應(yīng)，本發(fā)明具 體實施方式中還公開了一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包 括能量采集單元、能量儲存單元、檢測單元，能量利用狀態(tài)匯聚單元、能量需求權(quán)重確定單 元和能量配給單元，其中，
[0138] 能量采集單元用于收集能量，通過能量采集單元將電能傳輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校?br>[0139] 檢測單元用于實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要 度；
[0140] 能量利用狀態(tài)匯聚單元用于匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和 傳輸數(shù)據(jù)的重要度，W及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的當(dāng)前能量值；
[0141] 能量需求權(quán)重確定單元用于根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要 求，確定各節(jié)點的能量需求權(quán)重；
[0142] 能量配給單元用于根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳 感網(wǎng)負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給。
[0143] 需要說明的是，上述實施方式僅為本發(fā)明較佳的實施方案，不能將其理解為對本 發(fā)明保護范圍的限制，在未脫離本發(fā)明構(gòu)思前提下，對本發(fā)明所做的任何微小變化與修飾 均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法，包括步驟： A、 傳感網(wǎng)主電源系統(tǒng)先通過能量采集單元收集能量，通過能量采集單元將電能傳輸?shù)?能量儲存單元中； B、 傳感網(wǎng)負載系統(tǒng)的檢測單元實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸 數(shù)據(jù)的重要度； C、 傳感網(wǎng)能量調(diào)度系統(tǒng)的能量利用狀態(tài)匯聚單元匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的初始 能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度，以及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的當(dāng)前 能量值； D、 根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量需求權(quán) 重； E、 根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳感網(wǎng)負載各節(jié)點的儲 能單元進行能量配給。2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法，，其特征 在于， 根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求，確定各節(jié)點的能量需求權(quán)重 包括： 各節(jié)點當(dāng)前時刻分配到的能量值大于該節(jié)點傳輸耗能， 傳感網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點凈剩能量保持均衡， 傳輸數(shù)據(jù)重要度高的數(shù)據(jù)能量分配優(yōu)先級最高，所傳輸數(shù)據(jù)實時性要求高的數(shù)據(jù)能量 分配優(yōu)先級次之，傳感網(wǎng)節(jié)點剩余能量少的節(jié)點能量分配優(yōu)先級最低。3. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理方法，其特征 在于，步驟E后，進一步包括:根據(jù)儲能系統(tǒng)總能量的變化來動態(tài)調(diào)整能量需求權(quán)重系數(shù)，具 體為：其中#為調(diào)整后的能量需求權(quán)重系數(shù)，\是調(diào)整前的能量需求權(quán)重系數(shù)，而ET(t)為儲 能系統(tǒng)總能量。4. 一種高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測傳感網(wǎng)節(jié)點能量管理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括能量采集單 元、能量儲存單元、檢測單元，能量利用狀態(tài)匯聚單元、能量需求權(quán)重確定單元和能量配給 單元，其中， 能量采集單元用于收集能量，通過能量采集單元將電能傳輸?shù)侥芰績Υ鎲卧校? 檢測單元用于實時檢測本節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸數(shù)據(jù)的重要度； 能量利用狀態(tài)匯聚單元用于匯集各節(jié)點的節(jié)點當(dāng)前時刻的初始能量、傳輸耗能和傳輸 數(shù)據(jù)的重要度，以及能量采集單元當(dāng)前電壓值，能量儲存單元的當(dāng)前能量值； 能量需求權(quán)重確定單元用于根據(jù)各節(jié)點的凈剩能量、傳輸數(shù)據(jù)重要度和實時性要求， 確定各節(jié)點的能量需求權(quán)重； 能量配給單元用于根據(jù)各節(jié)點的能量需求權(quán)重，確定各節(jié)點分配的能量，并給傳感網(wǎng) 負載各節(jié)點的儲能單元進行能量配給。
【文檔編號】H04W52/18GK105828426SQ201511017634
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年12月29日
【發(fā)明人】賈利民, 馬小平, 董宏輝, 秦勇, 張馨文, 李鵬, 劉峰, 滕志偉
【申請人】北京交通大學(xué)