一种有效的电线电缆安全状态评估系统的制作方法

本发明创造涉及电缆安全监测领域，具体涉及一种有效的电线电缆安全状态评估系统。

背景技术：

电线电缆通道内电缆线路增多，电力设备数量增大，通道结构日趋复杂，电缆及相关的电力设备的运行环境参量的要求非常严苛，环境监测变得困难。监测系统的实施、安装调试和运营维护难度的增加，也给安全用电和故障的排除带来了巨大的挑战。无线传感器网技术线路较少，组网灵活，可靠性大以及传输速率高，能够很好地解决这些问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提供一种有效的电线电缆安全状态评估系统。

本发明创造的目的通过以下技术方案实现：

一种有效的电线电缆安全状态评估系统，包括电缆监测终端、数据采集站、安全评估模块和系统显示模块，所述电缆监测终端的网络输出端与数据采集站的输入端连接，所述数据采集站的输出端与所述安全评估模块的输入端连接，所述安全评估模块的输出端与系统显示模块的输入端连接，所述电缆监测终端利用传感器集群监测安装在电缆管道内的电缆的温度数据，所述数据采集站用于获取所述传感器集群生成的监测数据，所述安全评估模块根据所述监测数据对电缆安全状态进行评估，所述系统显示模块用于实时显示安全评估模块的评估结果。

优选地，所述电缆监测终端的传感器集群通过分簇结构的无线传感器网络将监测数据传输至数据采集站。

优选地，对传感器集群中的传感器节点进行分簇，构造传感器节点i用于簇头选举的簇头选举函数f(i)为：

式中，ei表示传感器节点i当前的能量值，ej表示传感器节点j的当前能量值，m(i)表示传感器节点竞争半径内的传感器节点数，βj表示传感器节点j的监测信誉值，βi表示传感器节点i的监测信誉值，且βi的计算公式为：

式中，ki(t)表示传感器节点i在当前时刻t的监测可信率，各传感器节点i的监测可信率的初始值设置为1；设ci(t)表示传感器节点的监测异常因子，且其中，xi(med)表示传感器节点i的邻域集合中传感器节点的监测中值，xi(t)表示传感器节点i在当前时刻t的监测值；设f为设置的传感器节点的出错率，且f＝0.5，τ为设置的监测异常阈值，且τ＝0.6；当{ci(t)≤τ}且{ki(t)≥f}，则ki(t)＝ki(t-1)；当{ci(t)≤τ}且{ki(t)＜f}时，则当{ci(t)＞τ}且{ki(t)≥f}，则当{ci(t)＞τ}且{ki(t)＜f}时，则其中，ki(t-1)为传感器监测节点i在(t-1)时刻的监测可信率；

在传感器节点的竞争半径内选取簇头选举函数值最高的传感器节点为簇头节点，此外，当传感器节点的监测信誉值为0时，即令该传感器节点进行休眠。

优选地，分簇完成后，簇头节点用于将收集的监测数据进行融合后传输至数据采集站，设簇头节点cm当前待传输的监测数据包为ai，则簇头节点cm对监测数据包ai进行传输的方式为：

(1)当簇头节点cm满足且时，簇头节点cm将监测数据包ai直接传输至数据采集站，其中，t(ai)代表监测数据包ai的剩余有效传输时长，y(cm，g)代表簇头节点cm和数据采集站之间的传输时延，s(ai)代表监测数据包ai的大小，l(cm)代表簇头节点cm的通信覆盖范围，d(cm)代表簇头节点cm的剩余网络带宽，l(cm，g)代表簇头节点cm到数据采集站的距离，lmax(cm，g)代表簇头节点cm的邻居簇头节点到数据采集站距离的最大值，lmin(cm，g)代表簇头节点cm的邻居簇头节点到数据采集站距离的最小值；

(2)当簇头节点cm满足时，则簇头节点cm将监测数据包ai舍弃；

(3)当簇头节点cm满足且时，簇头节点cm在其邻居簇头节点集合中选择下一跳簇头节点对监测数据包ai进行传输。

优选地，簇头节点cm在其邻居簇头节点集合中选择下一跳簇头节点对监测数据包ai进行传输时，计算邻居簇头节点cn传输监测数据包ai的优先级g(cn)：

式中，cn为簇头节点cm的邻居簇头节点，e(cm，cn)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cn之间数据传输消耗的能耗，e0(cm)表示簇头节点cm的当前能量值，e0(cn)表示邻居簇头节点cn的当前能量值，l(cm，cn)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cn之间的距离，l(cm，cp)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cp之间的距离，b(cm)表示簇头节点cm的邻居簇头节点数，δ和μ为调节参数，且t(ai)为监测数据包ai的剩余有效传输时长，l(ai，g)表示监测数据包ai到数据采集站的距离，lmax(cm，g)和lmin(cm，g)分别表示簇头节点cm的邻居簇头节点到数据采集站距离的最大和最小值，μ＝1-δ，v(cm，cn)为判断函数，当时，v(cm，cn)＝1，当时，v(cm，cn)＝0；其中，l(cn，cm)表示邻居簇头节点cn到簇头节点cm的距离，l(cm)表示簇头节点cm的通信覆盖范围，l(cn，g)表示邻居簇头节点cn到数据采集站的距离，l(cm，g)表示簇头节点cm到数据采集站的距离，t(ai)表示监测数据包ai的剩余有效传输时长，l(aj，g)表示监测数据包ai到数据采集站的距离。

本发明创造的有益效果：通过传感器集群对电线电缆的温度进行监测，监测所得的数据通过无线传感器网络传回，所述无线传感器网络采用分簇结构，在对传感器网络进行分簇时，构造了簇头选举函数，在簇头节点的选举过程中，相较于传统的只考虑传感器节点能量值的选举方式，构造的簇头选举函数中，除了引入传感器节点当前能量值，同时引入了传感器节点监测信誉值的概念，并给出了传感器节点监测信誉值的计算方法，传感器节点的监测信誉值由传感器节点的监测可信率决定，设置监测异常阈值和监测出错率，根据传感器节点的监测异常因子和监测异常阈值以及监测可信率和监测出错率的比较结果对传感器节点的监测可信率进行动态调整，在对传感器节点可信率的调整过程中，由传感器节点的历史监测可信率和监测出错率对当前时刻的监测可信率进行综合调整，采用历史监测可信率对当前监测可信率进行调整，使得当此次调整过程中出现误差时，经过连续几次的调整，传感器节点的监测可信率也可以回归正确值，此外，采用历史监测可信率对当前可信率进行调整，避免了仅靠当前时刻监测结果决定传感器节点监测可信率的不可靠性，因此，采用的传感器节点监测信誉值的计算方法，保证了具有较高监测信誉值的传感器节点的监测数据具有较高的准确性，同时保证了该传感器节点具有较低的监测出错率，即该传感器具有较高的可靠性；当传感器节点的监测可信率为0时，说明该传感器节点的监测结果始终存在较大误差，此时，令该传感器节点进行休眠，减少了出错率高的传感器节点对监测数据准确度的影响；选取具有最大簇头选举函数值的传感器节点作为簇头节点，表明该簇头节点具有较大的能量值的同时，具有较高的监测信誉值，确保了获取的监测数据的准确性，进而提高了电缆安全状态评估结果的准确性；对簇头节点传输数据包的方式进行自适应选择，缓解了网络中簇头节点在和数据采集站传输数据过程中的能量消耗，并且平衡了网络中簇头节点的能量均衡，相较于传统的仅靠簇头节点到数据采集站的距离决定数据传输方式的方法，本申请更进一步的通过监测数据包的属性以及该数据包所在簇头节点的属性判断是否能够在该监测数据包的有效传输时长内将该监测数据包传输至数据采集站，从而避免了无效传输造成的资源浪费；在簇头节点的邻居簇头节点中选择下一跳簇头节点对当前监测数据包进行传输时，计算邻居簇头节点传输该监测数据包的优先级，在计算邻居簇头节点的优先级时，引入判断函数，所述判断函数根据待传输监测数据包剩余有效传输时长以及到数据采集站距离对邻居簇头节点进行限制，当邻居簇头节点不能够在待传输监测数据包的剩余有效传输时长内完成数据包的传输的时候即令该邻居簇头节点的判断函数值为0，即令该邻居簇头节点的优先级为0，因此，判断函数的作用是确保选取的邻居簇头节点能够保证在待传输监测数据包的剩余有效传输时长内保证该监测数据包可以传输至数据采集站；此外，在计算邻居簇头节点传输该监测数据包的优先级时，综合考虑了簇头节点和邻居簇头节点之间的距离以及簇头节点和邻居簇头节点之间传输数据的能量消耗这两个要素，使得选取的下一跳簇头节点具有较高的能量值，并且具有较高的传输效率；进一步的，在优先级的计算公式中，引入了调节参数δ和μ对权值公式中的两个要素的比重进行调节，所述调节参数值根据待传输监测数据包的属性动态的改变，当待传输的监测数据包剩余较少的有效传输时长时，即选取距离数据采集站较近的邻居簇头节点对该监测数据包进行传输，保证该监测数据包能够在其有效传输时长内传输至数据采集站，当待传输的监测数据包剩余较多的有效传输时长时，即选取具有较高能量值的邻居簇头节点对该监测数据包进行传输，从而保证了网络中簇头节点的能量均衡。

附图说明

利用附图对发明创造作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明创造的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明结构示意图。

附图标记：

电缆监测终端1；数据采集站2；安全评估模块3；系统显示模块4。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例的一种有效的电线电缆安全状态评估系统，包括电缆监测终端1、数据采集站2、安全评估模块3和系统显示模块4，所述电缆监测终端1的网络输出端与数据采集站2的输入端连接，所述数据采集站2的输出端与所述安全评估模块3的输入端连接，所述安全评估模块3的输出端与系统显示模块4的输入端连接，所述电缆监测终端1利用传感器集群监测安装在电缆管道内的电缆的温度数据，所述数据采集站2用于获取所述传感器集群生成的监测数据，所述安全评估模块3根据所述监测数据对电缆安全状态进行评估，所述系统显示模块4用于实时显示安全评估模块3的评估结果。

优选地，所述电缆监测终端1的传感器集群通过分簇结构的无线传感器网络将监测数据传输至数据采集站2。

本优选实施例通过温湿度传感器对电线电缆的温度数据进行监测，监测所得的数据通过无线传感器网络传回，并根据监测所得温度值对电线电缆安全状态进行评估，及时判断电线电缆的安全状态，实现了电线电缆的有效监测。

优选地，对传感器集群中的传感器节点进行分簇，构造传感器节点i用于簇头选举的簇头选举函数f(i)为：

式中，ei表示传感器节点i当前的能量值，ej表示传感器节点j的当前能量值，m(i)表示传感器节点竞争半径内的传感器节点数，βj表示传感器节点j的监测信誉值，βi表示传感器节点i的监测信誉值，且βi的计算公式为；

式中，ki(t)表示传感器节点i在当前时刻t的监测可信率，各传感器节点i的监测可信率的初始值设置为1；设ci(t)表示传感器节点的监测异常因子，且其中，xi(med)表示传感器节点i的邻域集合中传感器节点的监测中值，xi(t)表示传感器节点i在当前时刻t的监测值；设f为设置的传感器节点的出错率，且f＝0.5，τ为设置的监测异常阈值，且τ＝0.6；当{ci(t)≤τ}且{ki(t)≥f}，则ki(t)＝ki(t-1)；当{ci(t)≤τ}且{ki(t)＜f}时，则当{ci(t)＞τ}且{ki(t)≥f}，则当{ci(t)＞τ}且{ki(t)＜f}时，则其中，ki(t-1)为传感器监测节点i在(t-1)时刻的监测可信率；

在传感器节点的竞争半径内选取簇头选举函数值最高的传感器节点为簇头节点，此外，当传感器节点的监测信誉值为0时，即令该传感器节点进行休眠；

当簇头节点选取完成后，剩余传感器节点在其通信半径内选取距离其最近的簇头节点加入。

本优选实时例构造了簇头选举函数，在簇头节点的选举过程中，相较于传统的只考虑传感器节点能量值的选举方式，本优选实施例构造的簇头选举函数中，除了引入传感器节点当前能量值，同时引入了传感器节点监测信誉值的概念，并给出了传感器节点监测信誉值的计算方法，传感器节点的监测信誉值由传感器节点的监测可信率决定，设置监测异常阈值和监测出错率，根据传感器节点的监测异常因子和监测异常阈值以及监测可信率和监测出错率的比较结果对传感器节点的监测可信率进行动态调整，在对传感器节点可信率的调整过程中，由传感器节点的历史监测可信率和监测出错率对当前时刻的监测可信率进行综合调整，采用历史监测可信率对当前监测可信率进行调整，使得当此次调整过程中出现误差时，经过连续几次的调整，传感器节点的监测可信率也可以回归正确值，此外，采用历史监测可信率对当前可信率进行调整，避免了仅靠当前时刻监测结果决定传感器节点监测可信率的不可靠性，因此，本优选实施例中采用的传感器节点监测信誉值的计算方法，保证了具有较高监测信誉值的传感器节点的监测数据具有较高的准确性，同时保证了该传感器节点具有较低的监测出错率，即该传感器具有较高的可靠性；当传感器节点的监测可信率为0时，说明该传感器节点的监测结果始终存在较大误差，此时，令该传感器节点进行休眠，减少了出错率高的传感器节点对监测数据准确度的影响；本优选实施例选取具有最大簇头选举函数值的传感器节点作为簇头节点，表明该簇头节点具有较大的能量值的同时，具有较高的监测信誉值，确保了获取的监测数据的准确性，进而提高了电缆安全状态评估结果的准确性。

优选地，分簇完成后，簇头节点用于将收集的监测数据进行融合后传输至数据采集站2，设簇头节点cm当前待传输的监测数据包为ai，则簇头节点cm对监测数据包ai进行传输的方式为：

(1)当簇头节点cm满足且时，簇头节点cm将监测数据包ai直接传输至数据采集站2，其中，t(ai)代表监测数据包ai的剩余有效传输时长，y(cm，g)代表簇头节点cm和数据采集站2之间的传输时延，s(ai)代表监测数据包ai的大小，l(cm)代表簇头节点cm的通信覆盖范围，d(cm)代表簇头节点cm的剩余网络带宽，l(cm，g)代表簇头节点cm到数据采集站2的距离，lmax(cm，g)代表簇头节点cm的邻居簇头节点到数据采集站2距离的最大值，lmin(cm，g)代表簇头节点cm的邻居簇头节点到数据采集站2距离的最小值；

(2)当簇头节点cm满足时，则簇头节点cm将监测数据包ai舍弃；

(3)当簇头节点cm满足目时，簇头节点cm在其邻居簇头节点集合中选择下一跳簇头节点对监测数据包ai进行传输。

本优选实施例对簇头节点传输数据包的方式进行自适应选择，缓解了网络中簇头节点在和数据采集站2传输数据过程中的能量消耗，并且平衡了网络中簇头节点的能量均衡，相较于传统的仅靠簇头节点到数据采集站2的距离决定数据传输方式的方法，本优选实施例更进一步的通过监测数据包的属性以及该数据包所在簇头节点的属性判断是否能够在该监测数据包的有效传输时长内将该监测数据包传输至数据采集站2，从而避免了无效传输造成的资源浪费。

优选地，簇头节点cm在其邻居簇头节点集合中选择下一跳簇头节点对监测数据包ai进行传输时，计算邻居簇头节点cn传输监测数据包ai的优先级g(cn)：

式中，cn为簇头节点cm的邻居簇头节点，e(cm，cn)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cn之间数据传输消耗的能耗，e0(cm)表示簇头节点cm的当前能量值，e0(cn)表示邻居簇头节点cn的当前能量值，l(cm，cn)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cn之间的距离，l(cm，cp)表示簇头节点cm和邻居簇头节点cp之间的距离，b(cm)表示簇头节点cm的邻居簇头节点数，δ和μ为调节参数，且t(ai)为监测数据包ai的剩余有效传输时长，l(ai，g)表示监测数据包ai到数据采集站2的距离，lmax(cm，g)和lmin(cm，g)分别表示簇头节点cm的邻居簇头节点中到数据采集站2距离的最大和最小值，μ＝1-δ，v(cm，cn)为判断函数，当时，v(cm，cn)＝1，当时，v(cm，cn)＝0，其中，l(cn，cm)表示邻居簇头节点cn到簇头节点cm的距离，l(cm)表示簇头节点cm的通信覆盖范围，l(cn，g)表示邻居簇头节点cn到数据采集站2的距离，l(cm，g)表示簇头节点cm到数据采集站2的距离，t(ai)表示监测数据包ai的剩余有效传输时长，l(aj，g)表示监测数据包ai到数据采集站2的距离。

本优选实施例在簇头节点的邻居簇头节点中选择下一跳簇头节点对当前监测数据包进行传输时，计算邻居簇头节点传输该监测数据包的优先级，在计算邻居簇头节点的优先级时，引入判断函数，所述判断函数根据待传输监测数据包剩余有效传输时长以及到数据采集站2距离对邻居簇头节点进行限制，当邻居簇头节点不能够在待传输监测数据包的剩余有效传输时长内完成数据包的传输的时候即令该邻居簇头节点的判断函数值为0，即令该邻居簇头节点的优先级为0，因此，判断函数的作用是确保选取的邻居簇头节点能够保证在待传输监测数据包的剩余有效传输时长内保证该监测数据包可以传输至数据采集站2；此外，在计算邻居簇头节点传输该监测数据包的优先级时，综合考虑了簇头节点和邻居簇头节点之间的距离以及簇头节点和邻居簇头节点之间传输数据的能量消耗这两个要素，使得选取的下一跳簇头节点具有较高的能量值，并且具有较高的传输效率；进一步的，在优先级的计算公式中，引入了调节参数δ和μ对权值公式中的两个要素的比重进行调节，所述调节参数值根据待传输监测数据包的属性动态的改变，当待传输的监测数据包剩余较少的有效传输时长时，即选取距离数据采集站2较近的邻居簇头节点对该监测数据包进行传输，保证该监测数据包能够在其有效传输时长内传输至数据采集站2，当待传输的监测数据包剩余较多的有效传输时长时，即选取具有较高能量值的邻居簇头节点对该监测数据包进行传输，从而保证了网络中簇头节点的能量均衡。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。