專利名稱：海上搜救無線傳感網及其能量動態分配方法
技術領域：
本發明涉及ー種海事安全領域及無線傳感網技術領域的無線搜救技術，具體涉及ー種海上搜救無線傳感網及其能量動態分配方法。
背景技術：
現有海上搜救技術主要依賴于搜救方的搜尋工作，搜尋目標本身幾乎不能為搜尋工作提供與搜尋工作相關的有益信息，較為被動。隨著物聯網時代的來臨，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)技術也逐漸成熟,其對監測區域內目標的實時監測與多跳的無線通信方式，可以將海上搜救中搜救目標的信息采集并發送給搜救部門，為目標的快速搜尋提供有益的信息。目前WSN技術在海事領域的應用也開始逐漸普及，如海上溢油檢測、海事監控等。WSN技術作為物聯網關鍵技術之一，其低成本、體積小、快速自組織、自適應性強等特性，為其廣泛應用提供可能，也為其在海上搜救領域的應用帶來很多益處。在海上搜救當中應用WSN技術時，要解決的ー個重要問題就是盡可能延長網絡的生命期，并且在延長生命期的過程中同時保證節點與匯聚節點的連通，以此才能保證在搜救部門前來搜救時網絡的信息可以有 效地傳輸給搜救網絡中心。WSN的拓撲控制問題是在滿足網絡覆蓋和聯通度的前提下，通過功率控制盒骨干網節點選擇，剔除節點間不必要的通信鏈路生成一個高效的數據轉發的網絡的拓撲結構。通過拓撲控制可以減少網絡能量消耗，延長網絡的生存時間，提高網絡的健壯性與穩定性。現有的拓撲控制方法主要基于功率控制和層次型拓撲控制兩個方面，并已取得了初歩的進展，但由于資金、設備條件等因素，大部分拓撲控制方法仍處于理論研究階段，所進行的實驗也僅限于在仿真環境下觀察方法的優劣，沒有充分注意到在實際環境應用中要面臨的諸多挑戰。而對于海上搜救的環境而言，該網絡節點動態性很強，節點不可替換，且要求網絡生命期盡可能長，因此需要一種新的方法延長網絡生命期并適應該動態環境。
發明內容
本發明提供ー種海上搜救無線傳感網及其能量動態分配方法，解決海上搜救無線傳感網中節點能量分配實時適應網絡動態性的問題，可以適應動態性較高的網絡，并可以減少不必要的能量消耗。為實現上述目的，本發明提供ー種海上搜救無線傳感網，其特點是，該傳感網包含
船舶終端，其設置于船舶，通過外接的衛星與互聯網建立通信連接；
匯聚節點，其設置于救生艇筏，該匯聚節點與船舶終端無線通訊連接；以及，
傳感器節點，其設置于救生衣，該傳感器節點實時探測匯聚節點并與匯聚節點無線通訊連接；
上述傳感器節點傳輸該傳感器節點的位置信號至匯聚節點，匯聚節點將該匯聚節點及傳感器節點的位置信息傳輸至船舶終端。上述的傳感網包含若干個傳感器節點，若干個該傳感器節點分布在海上并通過無線通訊形成無線傳感器網絡，該無線傳感器網絡實時探測匯聚節點；
上述無線傳感器網絡中任意一個傳感器節點探測到匯聚節點，即將該無線傳感器網絡中所有傳感器節點的位置信號都傳輸至匯聚節點。ー種如上述的海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，其特點是，該方法基于精英移民遺傳方法，將上一代解中的較優解作為精英解保留并生成移民解，對上一代中不適用于新環境的劣質解進行遺傳優化操作；
該方法包含
步驟1、通過各傳感器節點與匯聚節點的距離遠近對傳感器節點進行編碼并對其發射功率進行初始化，使得傳感器節點的發射距離滿足可以與編號小于該傳感器節點的鄰居節點進行通信的功率水平，實現該傳感器節點可與其鄰居節點進行通信；
步驟2、將初始化的傳感器節點的發射功率作為后續優化操作的一組待選解；
步驟3、建立起適于延長該無線傳感器網絡生命期的適應度函數；適應度函數為每個傳感器節點發射功率與全部節傳感器節點發射功率和的比值；平均功率與全部傳感器節點發射功率和的比值作為參考值；
判斷無線傳感器網絡中各個傳感器節點的發射功率是否大于平均發射功率；
若是，則將該發射功率大于平均發射功率的傳感器節點作為待優化對象；
若否，則該發射功率低于 平均發射功率的傳感器節點作為精英解遺傳到下一代種群
中；
上述的每個傳感器節點發射功率與全部節傳感器節點發射功率和的比值如下
權利要求
1.ー種海上搜救無線傳感網，其特征在于，該傳感網包含 船舶終端(I)，其設置于船舶，通過外接的衛星(4 )與互聯網建立通信連接； 匯聚節點(2)，其設置于救生艇筏，該匯聚節點(2)與所述的船舶終端(I)無線通訊連接；以及， 傳感器節點(3)，其設置于救生衣，該傳感器節點(3)實時探測所述匯聚節點(2)并與所述的匯聚節點(2)無線通訊連接； 所述傳感器節點(3)傳輸該傳感器節點(3)的位置信號至匯聚節點(2)，匯聚節點(2)將該匯聚節點(2)及傳感器節點(3)的位置信息傳輸至船舶終端(I)。
2.如權利要求1所述的海上搜救無線傳感網，其特征在于，所述的傳感網包含若干個傳感器節點(3)，若干個該傳感器節點(3)分布在海上并通過無線通訊形成無線傳感器網絡(31)，該無線傳感器網絡(31)實時探測所述匯聚節點(2)； 所述無線傳感器網絡(31)中任意一個傳感器節點(3)探測到匯聚節點(2)，即將該無線傳感器網絡(31)中所有傳感器節點(3)的位置信號都傳輸至匯聚節點(2)。
3.—種如權利要求1所述的海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，其特征在干，該方法基于精英移民遺傳方法，將上一代解中的較優解作為精英解保留并生成移民解，對上一代中不適用于新環境的劣質解進行遺傳優化操作； 該方法包含 步驟1、通過各傳感器節點(3)與匯聚節點(2)的距離遠近對傳感器節點(3)進行編碼并對其發射功率進行初始化，使得傳感器節點(3)的發射距離滿足可以與編號小于該傳感器節點(3)的鄰居節點進行通信的功率水平，實現該傳感器節點(3)可與其鄰居節點進行通信； 步驟2、將初始化的傳感器節點(3)的發射功率作為后續優化操作的一組待選解； 步驟3、建立起適于延長該無線傳感器網絡(31)生命期的適應度函數；適應度函數為每個傳感器節點(3)發射功率與全部節傳感器節點(3)發射功率和的比值；平均功率與全部傳感器節點(3)發射功率和的比值作為參考值； 步驟4、依據該能量動態分配方法的解X的適應度函數值對各個傳感器節點(3)的能量分配進行優化選擇操作；該選擇操作基于精英移民的遺傳方法來對傳感器節點(3)的能量分配進行優化。
4.如權利要求3所述的適用于海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，其特征在于，所述的每個傳感器節點(3)發射功率與全部節傳感器節點(3)發射功率和的比值如下
5.如權利要求3或4所述的適用于海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，其特征在于，所述的步驟3包含以下步驟判斷無線傳感器網絡(31)中各個傳感器節點(3)的發射功率是否大于平均發射功率； 若是，則將該發射功率大于平均發射功率的傳感器節點(3)作為待優化對象； 若否，則該發射功率低于平均發射功率的傳感器節點(3)作為精英解遺傳到下一代種群中。
6.如權利要求3或4所述的適用于海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，其特征在于，所述步驟4包含 對染色體Cj的內基因進行單點交叉，染色體Cj的內基因包含xlj (t)，x2 j (t),…，xnj (t) ；xnj (t)的交叉對象為步驟3中選取的移民解； 交叉后更新公式如式(2):
全文摘要
本發明公開一種海上搜救無線傳感網的能量動態分配方法，該方法包含1、通過各傳感器節點與匯聚節點的距離遠近對傳感器節點進行編碼并對其發射功率進行初始化；2、將初始化的傳感器節點的發射功率作為后續優化操作的一組待選解；3、建立起適于延長該無線傳感器網絡生命期的適應度函數；4、依據該能量動態分配方法的解的適應度函數值對各個傳感器節點的能量分配進行優化選擇操作；該選擇操作基于精英移民的遺傳方法來對傳感器節點的能量分配進行優化。本發明可利用原環境的優質解而盡快收斂于現在的最優解；對環境及節點的動態性進行了充分考慮；有效利用精英移民遺傳算法對動態環境的適應性，可適應動態性較高的網絡，減少不必要的能量消耗。
文檔編號H04W84/18GK103067510SQ20121058783
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者吳華鋒, 張倩楠, 楊磊 申請人:上海海事大學