一種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的wsn時延優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法，該方法包括基于局部搜索思想的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法和多層次組網(wǎng)方法。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署方法是在傳統(tǒng)長鏈型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過引入遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，形成能夠直接與數(shù)據(jù)中心通信的無線鏈路，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)時延。多層次組網(wǎng)方法在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮實(shí)際中可能出現(xiàn)的同一區(qū)域內(nèi)連續(xù)多個桿塔的數(shù)據(jù)量均很大，僅利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署無法有效分散該類區(qū)域桿塔數(shù)據(jù)量的情況，借鑒隱式分簇理論的基本思想，提出多層次組網(wǎng)方法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)時延。所述方法能夠有效解決傳統(tǒng)長鏈型網(wǎng)絡(luò)中存在的傳輸路徑長、網(wǎng)絡(luò)時延大以及匯聚節(jié)點(diǎn)的瓶頸效應(yīng)，提高輸電線路監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信能力。
【專利說明】-種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及輸電線路狀態(tài)在線監(jiān)測領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的 WSN時延優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 輸電線路是輸送電能的主要通道。我國輸電線路分布廣、跨度大，部分工作地區(qū) 氣候條件惡劣，自然災(zāi)害多發(fā)，這些因素都嚴(yán)重影響著輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對輸電線 路的工作環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測意義重大。隨著WSN在工業(yè)監(jiān)控中的廣泛應(yīng)用和智 能電網(wǎng)發(fā)展的迫切需要，將WSN應(yīng)用于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測成為研究熱點(diǎn)。目前應(yīng)用于輸電 線路在線監(jiān)測的WSN主要是以IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是 一種近距離、低功耗、低成本的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、家居、軍事、商 業(yè)、工業(yè)等其它眾多領(lǐng)域。
[0003] 在線監(jiān)測要求實(shí)時性數(shù)據(jù)，研究表明，正常運(yùn)行的SCADA系統(tǒng)接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù) 延時如果超過50ms就會導(dǎo)致錯誤的控制策略。因此對網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以保證 輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行，還可以提高監(jiān)測系統(tǒng)的決策化水平。而輸電線路在線監(jiān)測的WSN由 于受輸電線路結(jié)構(gòu)的影響而呈長鏈型，這種長鏈型網(wǎng)絡(luò)存在傳輸路徑長、網(wǎng)絡(luò)時延大的問 題，具體而言，由于長鏈型網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)位于線路兩端，處于線路中間部分的傳感器節(jié)點(diǎn) 要沿著較長的傳輸路徑進(jìn)行多跳將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，較多的跳數(shù)會增加信道沖突的幾 率，并且匯聚節(jié)點(diǎn)成為整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，容易造成數(shù)據(jù)擁塞，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、 可靠性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于輸電 線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān) 測的WSN時延優(yōu)化方法，采用輸電線路異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，所述輸電線路異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包 括位于輸電線路兩端的變電站、多個桿塔，每個桿塔附近均布設(shè)有多個傳感器節(jié)點(diǎn)，每個桿 塔頂端布設(shè)一個中繼節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包單跳匯集至該傳感器節(jié)點(diǎn)所 在桿塔的中繼節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)利用GSM鏈路將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包傳輸至公 網(wǎng)基站，距離變電站較近的中繼節(jié)點(diǎn)采用無線接力傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包，即相鄰的 中繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過多跳將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包傳輸至變電站；距離變電站較遠(yuǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)采 用混合傳輸方式，首先將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包通過無線接力傳輸至附近的遠(yuǎn)傳節(jié) 點(diǎn)，該遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)再通過GSM鏈路將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包發(fā)送至公網(wǎng)基站，包括以下步驟：
[0006] 1)構(gòu)建異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)全局網(wǎng)絡(luò)時延模型Dmax:D max= max {D ⑴，DKe (2)， DLG(l)，...DLG(g)};其中，DKG(1)，D KG(2)為靠近變壓器兩端的兩個中繼網(wǎng)段的最大時 延，DJ1)，...Mg)為各遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的最大時延，g為遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；所述中繼網(wǎng)段 是指通過無線接力傳輸方式傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)群；所述遠(yuǎn)傳網(wǎng)段是指 通過混合傳輸方式傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)群；中繼網(wǎng)段的最大時延DKe包 括DmdhD%(2)，根據(jù)中繼網(wǎng)段的數(shù)據(jù)傳輸方式知，中繼網(wǎng)段最大時延在網(wǎng)段末端節(jié) 點(diǎn)b處，因此

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法，采用輸電線路異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng) 絡(luò)，所述輸電線路異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括位于輸電線路兩端的變電站、多個桿塔，每個桿塔附 近均布設(shè)有多個傳感器節(jié)點(diǎn)，每個桿塔頂端布設(shè)一個中繼節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)采 樣數(shù)據(jù)包單跳匯集至該傳感器節(jié)點(diǎn)所在桿塔的中繼節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)利用GSM鏈 路將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包傳輸至公網(wǎng)基站，距離變電站較近的中繼節(jié)點(diǎn)采用無線接力傳 輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包，即相鄰的中繼節(jié)點(diǎn)經(jīng)過多跳將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包傳輸至變 電站；距離變電站較遠(yuǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)采用混合傳輸方式，首先將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù) 包通過無線接力傳輸至附近的遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)，該遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)再通過GSM鏈路將傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù) 據(jù)包發(fā)送至公網(wǎng)基站，其特征在于，包括以下步驟： 1) 構(gòu)建異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)全局網(wǎng)絡(luò)時延模型Dmax:Dmax=HiaxUlhDffi⑵，M 1)，...Du^gM;其中，0^(1),0^(2)為靠近變壓器兩端的兩個中繼網(wǎng)段的最大時延， Dlg(I), ...D^g)為各遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的最大時延，g為遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；所述中繼網(wǎng)段是 指通過無線接力傳輸方式傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)群；所述遠(yuǎn)傳網(wǎng)段是指 通過混合傳輸方式傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)群；中繼網(wǎng)段的最大時延Dffi包 括Dffi(I),Dffi(2)，根據(jù)中繼網(wǎng)段的數(shù)據(jù)傳輸方式知，中繼網(wǎng)段最大時延在網(wǎng)段末端節(jié) b g 點(diǎn)b處，因此Dkg=Db，Dft=C'x//(/)) +Z~^x//(./·)，c=dtrans+dpMC，dtrans為j節(jié) j-=fO 點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包Sj的傳輸時間，dproc為j節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采 樣數(shù)據(jù)包Sj的處理時間；H(b)為中繼網(wǎng)段末端節(jié)點(diǎn)b的數(shù)據(jù)包到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總路由跳 數(shù)；H(j)為j節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)包Sj到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總路由跳數(shù)；f，b分別 為中繼網(wǎng)段的首末端點(diǎn)；R。為無線通信速率；遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的最大時延Du;包括Du;(i)，i= 1,2......，g，根據(jù)遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的數(shù)據(jù)傳輸方式知，遠(yuǎn)傳網(wǎng)段最大時延在網(wǎng)段的兩個末端節(jié) 點(diǎn) 1，r處，因此Dlg=max(DDr)，=C...x("(/) - 1) +Σ~^·χ(//(./_)-I) +Xf， yj=1 rigΛrg 化=Γχ(//(Γ)-ι)+Σ +Σ^k為遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的位置編號；心為公網(wǎng)傳 j=k+iIvK〇 J Kd ， 輸速率，H(r)為遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的右末端節(jié)點(diǎn)r的采樣數(shù)據(jù)包到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總路由跳數(shù)；H(I)為 遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的左末端節(jié)點(diǎn)1的采樣數(shù)據(jù)包到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的總路由跳數(shù)； 2) 利用下式求解上述全局網(wǎng)絡(luò)時延模型Dmax的最優(yōu)解； minDmax=max{DEG (I),Deg (2),Dlg (I),. . .Dlg(g)} s.t0<1 (i) <1 (i+1)<ni=I, 2......,g-1 0<r(i)<r(i+1)<n I(i)<k(i)<r(i) r(i) =I(i+l)-l； 其中n為中繼節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)總數(shù)，i為遠(yuǎn)傳網(wǎng)段編號，LG為遠(yuǎn)傳網(wǎng)段，RG為中繼網(wǎng) 段，I(i)為第i個遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的左邊界位置編號，r(i)為第i個遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的右邊界位置編號， k(i)為第i個遠(yuǎn)傳網(wǎng)段中的遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)所在的位置編號； 3)根據(jù)上述最優(yōu)解確定各個中繼網(wǎng)段和遠(yuǎn)傳所包含的具體桿塔，以及遠(yuǎn)傳網(wǎng)段中遠(yuǎn)傳 節(jié)點(diǎn)所在桿塔的具體位置，在遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)所在桿塔上安裝無線公網(wǎng)通信模塊，即完成異構(gòu)型 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的初步搭建，利用初步搭建的異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)完成WSN時延優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法，其特征在于， 利用下述方法優(yōu)化所述初步搭建的異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)后，再利用優(yōu)化后的異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)完 成WSN時延優(yōu)化： 1) 確定異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將要劃分的層次z，設(shè)定不同層次對應(yīng)的基礎(chǔ)跳數(shù)為1，2···，z， 變電站一側(cè)的匯聚節(jié)點(diǎn)以一個桿塔檔距的通信距離d向全網(wǎng)廣播分層信息幀，幀內(nèi)包含不 同層次對應(yīng)的基礎(chǔ)跳數(shù)以及使用的信道頻段，并記錄信息幀傳輸跳數(shù)，初始值為1 ; 2) 中繼節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)在收到組網(wǎng)信息幀后，保存基礎(chǔ)跳數(shù)與記錄的信息幀傳輸跳數(shù) 成倍數(shù)關(guān)系的層次所對應(yīng)的信道頻段，將記錄的信息幀傳輸跳數(shù)加1并按通信距離d轉(zhuǎn)發(fā) 信息幀，然后將信道調(diào)整到記錄的信道頻段，增大發(fā)射功率使通信距離為z*d; 3) 對側(cè)變電站匯聚節(jié)點(diǎn)接收到信息幀后，確認(rèn)分層完成，任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)和 遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)段成員和頻段信息，匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)廣播組網(wǎng)消息，組網(wǎng)消息包含網(wǎng) 段成員和對應(yīng)頻段，中繼節(jié)點(diǎn)接收到消息后加入對應(yīng)的網(wǎng)段，完成多層次組網(wǎng)，即得到優(yōu)化 后的異構(gòu)型監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的應(yīng)用于輸電線路在線監(jiān)測的WSN時延優(yōu)化方法，其特征在于， 時延模型Dmax的最優(yōu)解求解過程如下： 1) 隨機(jī)生成可行解xQ; 2) 執(zhí)行"遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)最佳位置搜索"，計(jì)算Xtl中每一個遠(yuǎn)傳網(wǎng)段的最大時延，對于每一個 遠(yuǎn)傳網(wǎng)段，判斷網(wǎng)段的最大值是在左末端節(jié)點(diǎn)或者右末端節(jié)點(diǎn)取得，若最大值在左/右末 端節(jié)點(diǎn)處取得，則將遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的位置編號k的值減/加一，即遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)向左/右移動一個位 置，重新計(jì)算此時各個網(wǎng)段的最大時延；如果該最大時延比初始解Xtl中計(jì)算的時延大，則初 始解Xtl中遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的位置即是遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的最佳位置；如果該最大時延比初始解X。計(jì)算的時 延小，則遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)繼續(xù)向左/右移動一個位置，直到計(jì)算的最大時延比初始解^計(jì)算出的 時延大，此時遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的位置即是其最佳位置；保持Xtl中每個網(wǎng)段的邊界位置不變，遠(yuǎn)傳節(jié) 點(diǎn)的位置為找到的最佳位置，即形成新解x1; 3) 執(zhí)行"網(wǎng)段劃分"，根據(jù)Dmax求解范圍知，在形成的所有網(wǎng)段中，存在一個時延上界最 大的網(wǎng)段m。若m為遠(yuǎn)傳網(wǎng)段，要使該遠(yuǎn)傳網(wǎng)段時延減小，則遠(yuǎn)傳網(wǎng)段m的左末端節(jié)點(diǎn)1向 右移動一個位置或者右末端節(jié)點(diǎn)r向左移動一個位置，即減小遠(yuǎn)傳網(wǎng)段m的節(jié)點(diǎn)規(guī)模以減 小其時延，并相應(yīng)改變相鄰網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)位置；若m為中繼網(wǎng)段，同樣的中繼網(wǎng)段的邊界節(jié)點(diǎn) 向使中繼網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)規(guī)模減小的方向移動，并相應(yīng)改變相鄰網(wǎng)段的節(jié)點(diǎn)位置。利用"遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn) 最佳位置搜索"和減小網(wǎng)段節(jié)點(diǎn)規(guī)模的方法保證其他網(wǎng)段的時延均比網(wǎng)段m的時延小，在此 前提下，更新各網(wǎng)段的邊界位置及遠(yuǎn)傳節(jié)點(diǎn)的位置生成新解x2; 4) 根據(jù)新解X2重新計(jì)算Dmax，若Dmax減小，則令X1= X2，返回3)繼續(xù)搜索，否則輸出X1 為最優(yōu)解。
【文檔編號】G08C17/02GK104469823SQ201410788601
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】黃小慶, 肖娟霞, 白純, 張開達(dá), 薛武, 曹敏, 高尚飛 申請人:湖南大學(xué), 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司