一种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于桥梁结构监测领域，涉及无线监测技术，特别涉及基于网络效率的节 点优化布设方法。
【背景技术】
[0002] 桥梁结构在长期的运营过程中，受到车辆荷载、风荷载、环境侵蚀等各种外界荷载 综合作用下，会导致桥梁结构一定程度的损伤，这些损伤如不及时发现，积累的损伤会降低 桥梁抵抗外界荷载的能力，从而会影响桥梁的安全运营。为了评价桥梁结构的健康状况，可 采用动力测试的方法，动力测试的传感器可选择加速度传感器。
[0003] 传统的动力测试方法是采用有线加速度传感器，利用线缆将加速度的数据信息传 输给数据接收基站。然而，有线传感器的线缆布设距离长，布设线缆量大，会耗费大量的物 力人力。无线传感器的应用可以解决线缆布设问题，通过将加速度传感器连接于无线传感 节点上，组成无线加速度传感器。无线节点安装方便，组网也方便，无需布设线缆，因此，有 广阔的应用前景。
[0004] 无线加速度传感器来监测桥梁结构时，将数据接收基站安置于桥的一端，桥上的 无线传感节点成直线排列，并通过多跳的方式，将远处的无线节点数据传输给基站。数据传 输、数据采集以及数据接收是无线节点工作时主要的耗能过程。由此可见，距离基站近的无 线节点由于需要接收远处的数据而产生过重的能量负担，会提前耗尽能量，形成"能量洞"， 致使整个无线传感网络失效，而远处的节点能量剩余还很多，从而导致能量的浪费，因此， 如何优化节点布设使网络效率最大化时十分重要的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是应用无线传感技术对桥梁结构进行监测，重点是解决如何优化布 设无线节点使整个无线监测网络的网络效率最大化。
[0006] 本发明所提供的技术方案是：推导出一种网络效率最大化的线性无线监测系统节 点优化布设方法，用以监测桥梁的健康状况。其特征在于：数据接收基站置于桥梁的一端， 根据已有的成熟算法设置并固定传感节点的位置，在传感节点之间增加中继节点。中继节 点负责接收数据与传输数据，而传感节点具有接收数据、传输数据与采集数据的功能。网络 效率定义为单位价钱内的数据获取量，决定于网络寿命及节点总数。网络寿命取决于单个 节点的最大耗能，如果传感节点或中继节点中任意一个节点能量提前耗尽，网络寿命也就 终止。单个节点耗能取决于此节点需要处理的数据量以及传输距离，增加数据量或者传输 距离均会使节点耗能增加。本发明通过优化布设传感节点之间中继节点的位置，使各个节 点的耗能近似相等，从而使网络效率最大化。
[0007] -种基于网络效率的桥梁监测系统节点布设方法，步骤如下：
[0008] 步骤一：中继节点位置的初始设置
[0009] (1)将数据接收基站设置在桥的一端，并确定被测桥梁的长度；
[0010] (2)根据传感器优化布设方法，确定传感节点数量n及位置，使其准确测得桥梁的 各阶模态，传感节点记为Pi(i= 1，2,...n);
[0011] ⑶取i=n，设中继节点的传输距离cn,R等于传输距离的阈值c0,艮Pcn,R=c0，采 用传统耗能模型计算距离基站最远的中继节点的耗能En>
[0012] (4)根据传感节点与中继节点耗能相等的原则，反推导求出传感节点到最近中继 节点的传输距离cliP;
[0013] (5)根据耗能相等的原则，利用能耗En,Q求中继节点之间的传输距离c
[0014](6)以传感节点到中继节点的传输距离cliP以及中继节点间的传输距离cliQ，求传 感节点i到基站之间中继节点的个数mi;若不能整除，取上整数；
[0015] (7)若步骤（6)不能整除，对传输距离CljPcliQ等比例调整，使其组合正好等于 传感节点i到中继节点的距离；
[0016] (8)根据调整后的传输距离，利用传统耗能模型调整传感节点的耗能EliP与中继 节点的耗能EiiQ;
[0017] (9)循环i，求出所有和E1iQ;
[0018] (10)计算网络效率w:
[0019]
[0020] 其中：E。表示节点的初始能量，并假设所有节点的初始能量均相同；1表示传输数 据为1比特长度；￥%分别表示传感节点和中继节点的单价，至此，中继节点的初始位置已 经完成，并记录此时的网络效率w为w_;
[0021] 步骤二：相近节点的融合，即节点相近时选取一个节点作为共享节点
[0022] (11)在完成步骤（7)后，得到中继节点的位置坐标序列心，用％表示元素， 即节点的坐标值；并定义数据量xP为1比特长度的倍数，初始值设为1 ;
[0023](12)比较任意元素a#an，若|a「an| >e，e为提前设定的数值，表示两节点 距离小于等于e时，两节点可选取一个节点，则i由n-1到1循环i，重复比较&1与3";若 |a「an|彡￡，选择距离基站近的点作为共享节点，令Xp=xp+1，并定义共享节点至IJ基站的 距离为共享节点到上一节点即远离基站方向节点的距离为c 定义共享节点到下一 节点的距离为caftCT。c_为已知，c 未知；
[0024] (13)若上一节点为传感节点，则传输数据量为xP-l，接收数据量为xP-2 ;若上一节 点为中继节点，则传输数据量与接收数据量为xP-l;求得上一节点的耗能E_;
[0025] (14)比较步骤⑶中调整后的En，Q和步骤（13)得到的E_，取其最大值，求出共享 节点到基站之间节点的距离caftCT，方法同步骤（6);若共享节点为中继节点时，节点间距离 记为caftCT(i』;若共享节点为传感节点时，先求传感节点到中继节点的距离，记为caftCT(iiP)， 再求中继节点距离 Cafter(i，Q);
[0026](15)求共享节点到基站的中继节点个数，并调整中继节点间距；将步骤（6)、（7)、 (8)中的ciiP、ciiQ和传感节点到基站之间距离替换成Cafter(i，P)、Cafter(i，Q)、Lnew' 执行步骤（6)、 (7)、（8)，然后将En，Q与重新执行步骤（8)后得到的EliP和EliQ进行比较取其最大值，并定义 为E_;
[0027] (16)计算网络效率w:
[0028]
[0029] 其中，中继节点数叫有所改变，当步骤（12)中满足|ai_an| >e时，mi不变；然而 a「an|彡e时，共享节点之前即远离基站方向的中继节点数不变，~内共享节点之后的中 继节点数清零，剩下的中继节点数记为新的叫，An内共享节点之后的中继节点数等于步骤 (15)得到的重新布设的中继节点数，与An内共享节点之前的中继节点数组成新的mn;
[0030] (17)比较步骤（16)中的u与步骤（10