基于光纖傳感網魯棒性評估的傳感器一維布設方法
【專利摘要】一種基于光纖傳感網魯棒性評估的傳感器一維布設方法。該方法包括：通過測量獲得傳感網所要監(jiān)測區(qū)域的長度L；根據工程要求確定傳感網中所需光纖傳感器種類；通過實驗初始化所需參數：衰減系數及閾值，；根據光纖傳感網魯棒性評估模型計算得到相鄰兩傳感器間距范圍；以及兩傳感器間的最佳距離；最后根據求得的最佳距離確定監(jiān)測長度為L的監(jiān)測區(qū)域所需光纖傳感器個數m及其分布。本發(fā)明根據光纖傳感網魯棒性評估模型對一維光纖傳感網傳感器間距的量化計算，能夠優(yōu)化大型一維光纖傳感網，在不減弱傳感網的監(jiān)測能力的前提下有效的減少傳感器數量，降低傳感網不必要的冗余，降低工程成本，使一維光纖傳感網魯棒性達到最高。
【專利說明】基于光纖傳感網魯棒性評估的傳感器一維布設方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖智能傳感【技術領域】，具體涉及一種一維光纖傳感網傳感器布設的方法，適用于一切分立式光纖傳感器。
【背景技術】
[0002]光纖傳感器網可以被廣泛的定義為:一組由兩個或兩個以上的光纖傳感器復用在一起，布設在被測物里面或非常接近被測物，對其各個性能參數進行測量的一種傳感網絡。能夠實現多參量、多點的監(jiān)測和控制，在光纖傳感網絡中，多個傳感器可以共享終端設備，由此帶來的經濟效益不但在于設備成本的節(jié)省，而且也涵蓋了包括安裝和維護在內的更主要的環(huán)節(jié)。光纖傳感網提供了幾乎所有對于應用和環(huán)境的傳感解決方案:從大規(guī)模結構，包括橋梁和建筑，到大型的自然環(huán)境。
傳感網絡是由多個光纖傳感器通過復用技術聯合成網，從而實現對傳感網監(jiān)測區(qū)域內的物理量進行監(jiān)測。對于較大區(qū)域的監(jiān)測，布設大量光纖傳感器復用的光纖傳感網絡的確能夠實現對整個區(qū)域進行全面監(jiān)測，但隨著傳感器數量的不斷增加，對于測量精度及整體工程的成本都有一定的損害。專利CN101694674A介紹了一種基于布設點的彈性力學受力來調整多數量多類型的傳感網傳感器區(qū)域布設，以便使傳感器間的數據融合能夠達到更好的結果。專利CN101247303A提出了一種弧線型規(guī)則帶狀無線傳感網絡布設方法，這種方法通過計算相鄰節(jié)點最大部署間距，以滿足給定連通度要求，并實現在給定要求下網絡規(guī)模最小化。
[0003]目前針對光纖傳感網的 傳感器布設方法少之又少，在實際工程中傳感器布設除關鍵部位外主要是依靠工程師的實際經驗。本發(fā)明依據光纖傳感網魯棒性評估模型，提供了一種一維光纖傳感網的傳感器布設方法,使得一維光纖傳感網在保證魯棒性最高的前提下，使用的傳感器數量最少。這樣在傳感網絡較為龐大，傳感器數量較多的情況下，可以在滿足要求的前提下，即不影響傳感網的監(jiān)測能力，又可以優(yōu)化傳感網減少傳感器數量，節(jié)約成本。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明目的是提供一種基于魯棒性評估模型的一維光纖傳感網傳感器布設方法，利用這一方法可以優(yōu)化大型一維光纖傳感網，在不減弱傳感網的監(jiān)測能力的前提下有效的減少傳感器數量，降低傳感網不必要的冗余，使得一維光纖傳感網魯棒性達到最高，從而降低工程成本。
[0005]這一方法適用于光纖傳感網的不同拓撲結構，同時適用于溫度和應力的一維區(qū)域監(jiān)測。
[0006]本發(fā)明提供的基于光纖傳感網魯棒性評估的傳感器一維布設方法的步驟如下:
第1、通過測量獲得傳感網所要監(jiān)測區(qū)域的橫向寬度L ;根據工程要求確定傳感網中所
需光纖傳感器種類；通過實驗初始化所需參數:衰減系數α及閾值^ , O <^€1 ；第1.1、監(jiān)測能力
在魯棒性評估模型中，將在監(jiān)測區(qū)域內傳感器S能夠檢測到區(qū)域內某一點P上所施加的物理量變化的概率定義為傳感器S對P點的監(jiān)測能力，記作單個光纖傳感器監(jiān)測能力:
/ =廠柄,表征傳感器S對P點的監(jiān)測能力隨S與P距離的增大，呈e指數衰減趨勢，其
中己為傳感器S的矢徑；$為P點的矢徑；并定義了閾值^，以確定傳感器S何時不再能有效監(jiān)測點P上的物理量變化:若/ay則認為s能夠有效監(jiān)測P點物理量變化；若/ <y則認為s不能有效監(jiān)測P點物理量變化；
第1.2、衰減系數α的確定
衰減系數與光纖傳感器的種類有關，不同種類的光纖傳感器的衰減系數不同；
為得到該種傳感器的衰減系數α,選取一個傳感器S任意布設在監(jiān)測區(qū)域內，在距該
傳感器\的位置施加待測物理量，采集傳感器數據；之后利用支持向量機(SVM)進行數據
處理，用采集的數據對SVM進行訓練和檢測，得到均方差mse ;由于SVM對數據的檢測精度
與mse成反比，即精度越高，mse越小，因此將"^作為判斷傳感器對一點能否有效監(jiān)測
的參量，用f表示，記為^ = -T^=;根據第1.1步中單個傳感器S對監(jiān)測區(qū)域內一點的監(jiān)

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測能力公式:/= 得到該種傳感器的衰減系數O；;依據此法能夠依次得到光纖傳感網
中η種傳感器的衰減系數；`
第1.3、閾值7
閾值1與傳感網所要達到的精度有關，其取值范圍為ο <ySI，精度越高I取值越?。辉趯嶋H工程中可以根據所要達到的精度定乂1的值；
第2、通過計算得到相鄰兩傳感器間距范圍;
第2.1、最大間距計算方法
設傳感網中兩個傳感器I和2的坐標分別為(0，0)和(? , ^2),為評價兩傳感器間的距離，選取兩傳感器的中點A作為評價點，即當A點被監(jiān)測到的概率剛好為r時，我們認為兩個傳感器間的距離達到了一個最大的極限，記這一最大間距為《4? ;A的坐標為
根據第1.1步中單個光纖傳感器S對監(jiān)測區(qū)域內一點的監(jiān)測能力公式，可以
得到光纖傳感網中多個光纖傳感器聯合對一點的監(jiān)測能力公式，即光纖傳感網監(jiān)測能力公
式:/=其中;r為第i個傳感器的矢徑；為監(jiān)測點的矢徑;m為傳感網
1-1rfr
中光纖傳感器總個數:
Y<jA = \-(\-s f2 2 ?得到
【權利要求】
1.一種基于光纖傳感網魯棒性評估的傳感器一維布設方法，其特征在于該方法的步驟如下: 第1、通過測量獲得傳感網所要監(jiān)測區(qū)域的長度L ;根據工程要求確定傳感網中所需光纖傳感器種類；通過實驗初始化所需參數:衰減系數￡1及閾值Ζ , O < y ≤ 1; 第1.1、監(jiān)測能力 在魯棒性評估模型中，將在監(jiān)測區(qū)域內傳感器S能夠檢測到區(qū)域內某一點P上所施加的物理量變化的概率定義為傳感器S對P點的監(jiān)測能力，記作單個光纖傳感器監(jiān)測能力:f =e-aYm-Yn,表征傳感器S對P點的監(jiān)測能力隨S與P距離的增大，呈e指數衰減趨勢，其中&為傳感器S的矢徑，G力P點的矢徑；并定義了閾值Y，以確定傳感器S何時不再能有效監(jiān)測點P上的物理量變化:若f≥r則認為S能夠有效監(jiān)測P點物理量變化；若f<r則認為S不能有效監(jiān)測P點物理量變化； 第1.2、衰減系數的確定 衰減系數I與光纖傳感器的種類有關，不同種類的光纖傳感器的衰減系數不同； 為得到該種傳感器的衰減系數α,選取一個傳感器S任意布設在監(jiān)測區(qū)域內，在距該傳感器J的位置施加待測物理量，采集傳感器數據；之后利用支持向量機(SVM)進行數據處理，用采集的數據對SVM進行訓練和檢測，得到均方差mse ;由于SVM對數據的檢測精度與mse成反比，即精度越高，mse越小，因此將1/√mse作為判斷傳感網對一點能否有效監(jiān)測的參量，用/表示，記為1/√mse根據第1.1步中單個傳感器s對監(jiān)測區(qū)域內一點的監(jiān)測能力公式:f=e-axde 得到該種傳感器的衰減系數O；;依據此法能夠依次得到光纖傳感網中η種傳感器的衰減系數； 第1.3、閾值r 閾值r與傳感網所要達到的精度有關，其取值范圍為O <r^i,精度越高I取值越??；在實際工程中可以根據所要達到的精度定義Z的值； 第2、通過計算得到相鄰兩傳感器間距范圍； 第2.1、最大間距式MS計算方法 設傳感網中兩個傳感器I和2的坐標分別為(0，0)和U2 , )，為評價兩傳感器間的距離，選取兩傳感器的中點作為評價點A，則當A點被監(jiān)測到的概率剛好力 > 時，我們認為兩個傳感器間的距離達到了一個最大的極限，記這一最大間距為dmax的坐標為（1/2x2.1/2y2)，根據第1.1步中單個光纖傳感器S對監(jiān)測區(qū)域內一點的監(jiān)測能力公式，可以得到光纖傳感網中多個光纖傳感器聯合對一點的監(jiān)測能力公式，即光纖傳感網監(jiān)測能力公式:
【文檔編號】G06F17/50GK103870638SQ201410066182
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權日:2014年2月26日
【發(fā)明者】張紅霞, 宮語含, 賈大功, 劉鐵根, 張以謨 申請人:天津大學