[發(fā)明專利]一種基于粒子群的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810045751.3
• 申請(qǐng)日: 2018-01-17
• 公開（公告）號(hào): CN108064047B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫茜;王小藝;王立;許繼平;于家斌;趙峙堯;金學(xué)波;申志平;余幸運(yùn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工商大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W16/20
• 分類號(hào): H04W16/20;H04W16/22;H04W24/02;H04W84/18;G06F30/18
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發(fā)明提出了一種基于粒子群的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法，包括建立水域特征模型和傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署兩個(gè)基本步驟。步驟一，利用主成分分析方法，對(duì)待監(jiān)測(cè)水域進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)分析，并利用高斯煙羽模型確定重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響范圍，建立水域特征模型。步驟二，利用加權(quán)因子調(diào)整的粒子群算法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署。本發(fā)明通過建立重點(diǎn)水域的特征模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署，可靈活有效的解決復(fù)雜水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測(cè)和傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于粒子群的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法的研究。

背景技術(shù)

水是生命之源，也是人類賴以繁殖的必要資源。然而，近幾十年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，水資源供需矛盾日益突出。根據(jù)《2016中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》，2016年全國(guó)225個(gè)地級(jí)市行政區(qū)的6124個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況中，水質(zhì)為優(yōu)良級(jí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比例僅為10.1％，較差級(jí)的觀測(cè)點(diǎn)占比達(dá)到45.4％。就整個(gè)地表水而言，受到嚴(yán)重污染的劣V類水體所占比例較高，全國(guó)約8.6％。

近年來，科學(xué)地監(jiān)測(cè)水環(huán)境受到越來越多的重視。在對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)的過程中，傳感器網(wǎng)絡(luò)占據(jù)了十分重要的地位。由于水質(zhì)傳感器成本較高，希望能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)環(huán)境中的重點(diǎn)區(qū)域部署更多的傳感器以提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量，節(jié)約成本。因此，需要找到待監(jiān)測(cè)水域內(nèi)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的區(qū)域，并通過有效的傳感器部署策略實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，為進(jìn)行精確的水環(huán)境監(jiān)測(cè)提供充實(shí)的理論依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于粒子群的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法，可為水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署提供理論基礎(chǔ)，可廣泛應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水污染的預(yù)測(cè)和治理等領(lǐng)域。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種基于粒子群的水質(zhì)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法，具體包括建立水域特征模型和傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署兩個(gè)基本步驟。

步驟一，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述建立水域特征模型進(jìn)一步包括：針對(duì)采集到的水域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用主成分分析法對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析，對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行降維處理，提取出水質(zhì)評(píng)價(jià)的代表成分，其數(shù)學(xué)模型為：

其中，i為樣本個(gè)數(shù)；j為因子個(gè)數(shù)；n為主成分分析后的主成分個(gè)數(shù)；a_1j，a_2j，…，a_nj是原始變量矩陣在各主成分上的載荷；X_i1，X_i2，…，X_ij是原始變量矩陣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值；z_i1，z_i2，……，z_in表示經(jīng)過主成分分析后各個(gè)主成分的值；

由主成分分析得出的每個(gè)樣本的主成分z_in值，能夠得到相應(yīng)的主成分評(píng)價(jià)函數(shù)Z_i，作為評(píng)判重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)：

其中，Z_i是每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的主成分評(píng)價(jià)得分值；λ_i1，λ_i2，……，λ_in是矩陣[X_i1，X_i2，……，X_ij]初始特征值對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率；

通過主成分分析對(duì)某區(qū)域水質(zhì)參數(shù)的分析，可以得出該區(qū)域在時(shí)間變化上的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)得分Z_i，求取這些得分的方差值，可以評(píng)價(jià)該水域的水質(zhì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定或者波動(dòng)的情況，同理，可求得各片水域的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)得分的方差值，比較各水域的方差值大小，將方差值最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并以此作為水域基本模型；

然后，利用高斯煙羽模型確定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響范圍；從理論上說，污染物在水域中的分布與毒物在大氣中的擴(kuò)散相似，是對(duì)無限空間擴(kuò)散方程式的正態(tài)分布解，其數(shù)學(xué)模型如下式所示：