结构振动监测无线传感网络 能量均衡路由算法谢美希 河海大学 周广东 河海大学201 7引言结论研究思路与方法仿真实验与分析CONTENTSCONTENTS 目录0 1引言引引 言言80年代中后期各种规模的桥梁健康监测系统开始建 立！英国 Foyle大桥美国 Sunshine Skyway大桥英国在总长为552m的三跨变 高度连续钢箱梁Foyle桥上布 设传感器，是最早安装的较 为完整的监测系统之一实时监测实时分析数据网络共享引引 言言香港 汲水门大桥香港 青马大桥江阴长江大桥我国自90年代起也在一些大型重要桥梁上建立不同规 模的结构健康监测系统！引引 言言1234随着人们对结构安全性的重视以及各种监测技术的发展，结构健康监测技术已经成为保障土木工程结构安全运营的重要手段由于无线传感器网络具有不需布线、安装方便、成本低、具有分布式数据处理能力等突出优点，近年来在结构振动监测领域得到了广泛应用无线传感节点一般采用电池供电，能量难以补充，节点能量消耗的快慢就成了影响无线传感网络寿命长短的决定性因素需均衡消耗无线网络节点能量，避免某些节点能量消耗过快导致网络死亡，从而延长无线传感网络寿命健康监测系统无线传感网络传感网络寿命网络寿命优化02研究思路与方法研研 究究 思思 路路源节点目的节点结构振动监测无线传感器网络模型无线传感网络特征传感节点一般根据结构测试 的需要确定位置，布置完毕 后就不再移动;结构振动监测传感器一般 采用连续采集方式;无线传感网络的规模一般较 小，节点数量不超过100;研研 究究 思思 路路无线传感网络持续性：无线传感网络中节点有限的能量能够 得到充分利用，最大化网络寿命，实现工程结构的长期、连续 监测。
数据处理单元 能量供给单元数据感知单元数据传输单元无线传感节点能量消耗αληλεεdETRTT)(++=数据收发能量消耗：节点负载传输距离数据收发高出多个数量级高出多个数量级数据感知数据感知数据处理数据处理+ +节点负载和传输距离是影响无线 传感节点能耗的关键因素因此 应选择传输距离较短和跳数少的 路径进行数据的传输研研 究究 思思 路路无线传感网络持续性：无线传感网络中节点有限的能量能够 得到充分利用，最大化网络寿命，实现工程结构的长期、连续 监测无线传感网络数据传输示意图源节点目的节点利用剩余能量多的节点承担 更多的数据转发任务，均衡 网络中节点的负载R,balanceminlcEEEEα=数据传输路径中节点的平均剩余能量数据传输路径中节 点的最小剩余能量路径总消耗 能量无线传感网络服务性：合理分配无线传感网络的可用数据传 输带宽，避免数据丢包和拥挤，保证工程结构的可靠、稳定监 测研研 究究 思思 路路无线传感网络数据传输示意图源节点目的节点选择较为空闲的路径进行数 据传输，避免无线传感网络 拥堵，提高可靠性serviceminRIn Inα=⋅路径节点最小空闲路径节点平均空闲研研 究究 思思 路路无线传感网络综合评估数据传输负载不同数据传输距离不同节点能耗并不一致部分节点过早死亡形成能量空洞缩短网络寿命路径繁忙程度不同节点繁忙程度不同数据传输路径拥堵节点不能收发数据数据丢失严重网络可靠性差一种新的路由性能指标节点能耗均衡性路径数据传输质量中间节点平均剩余能量 数据传输总能量消耗 中间节点最小剩余能量 路径长度 跳数中间节点平均空闲 中间节点最低空闲123 4 minmin11ppp plcERPIEIn InELN=⋅研研 究究 思思 路路NP完全问题VS节点能耗均衡数据传输质量由于路由评价指标包含多个约束，难以用经典优化 算法求解；萤火虫算法所为一种新型仿生群智能算 法，在多模态函数优化方面表现出良好的性能。
研研 究究 方方 法法源节点目的节点1154230无线传感网络数据传输示意图编码与解码以左图为例，假定从节点1到节点30的最 短路径为， 即编码前路径为 X={1,4,2,15,30}为方 便计算，需保证每条路径中源节点和目 的节点的编号固定且跳数一致，因此当 某些路径编码的有效位数不足时，增加 虚拟0节点，那么编码后的路径为 X'={1,4,2,15,0,...,0,30} 1421530→→→→算法实施步骤研研 究究 方方 法法初始化节点位置，并根据节点最大传输距离构建每个节点的邻近节点矩阵01设置每个节点的初始能量，并将N-1只萤火虫放置在N-1个节点02根据概率转移公式计算每个节点上的萤火虫飞向其邻近节点的概率，构建概率转移矩阵03采用轮盘赌法选择数据传输节点，根据每只萤火虫选择移动节点的情况，更新概率转移矩阵04形成每个节点到目的节点的M条有效路径05对每个节点到目的节点的M条有效路径用路由指标进行评价，并保留最佳传输路径方案06研研 究究 方方 法法01020403关键点编码方式采用整数编码，并对 有效位数不足的路径， 补0，保证每条路径跳 数一致，方便运算；概率转移公式 根据萤火虫转移情况， 及时更新概率转移矩阵， 避免在一条数据传输路 径中，节点被重复选择， 导致无用转发，从而影 响网络性能；能量通知机制 在进行一定数量数据包传 输后，启用能量通知机制， 从而产生新的数据传输方 案，避免某些节点过量使 用，导致能量消耗过快， 网络过早死亡；路由评价指标 综合考虑无线传感网络 连续性和服务性，保证 数据有效，稳定的转发 和处理；03仿真实验与分析仿真实验与分析仿真实验与分析仿真条件范围：100m×100m；节点个数：60； 节点最大通信范围： 40m；节点初始能量：1J；数据包大小：100bit；路径每传输500个数据包表示网络运行1轮，T表示网络运行到第T轮。
网络每运行1轮，启动一次剩余能量通知机制当某一节点能量低于50mJ表示网络死亡最短路径算法能量均衡算法网络寿命(T)40006000 812数据包个数仿真实验与分析仿真实验与分析01002003004005006007008009001000147 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58能量消耗（能量消耗（mJ））节点编号节点编号最短路径算法下各节点的能量消耗分布图 （T=7）01002003004005006007008009001000147 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58能量消耗（能量消耗（mJ））节点编号节点编号 能量均衡算法下各节点的能量消耗分布图 （T=7）能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法；最短路径算法下网络的能耗很不均匀，个别节点能量消 耗很大，最大达到886mJ；04结论结结论论在路径最优情况下，无线传感网络最多可运行8轮； 而在能量均衡最优情况下，无线传感网络可运行12 轮，数据传输量增加50%能量均衡算法的路径方案总能耗小于最短路径算法， 这是因为在路径评价指标中，也考虑到了节点能耗， 空闲程度，路径长度和跳数等因素，从而减少了每个 节点的能量消耗。
与路径最优情况进行对比，在能量均衡情况下，每个 节点的能量消耗较均匀，这是因为数据进行传递时， 总是选择剩余能量多的节点，从而保证网络中各节点 能量的均匀消耗敬请各位老师指正谢美希 河海大学201 7THANKS。