基于刚性图理论与鸡群优化的矿井无线传感网络监测定位研究

摘要

在高温湿、人员设备密集、线路供电长的矿井中，现有矿井网络中普遍采用的有线树形结构的分布式监测系统，存在诸多缺陷，例如无法进一步扩充系统容量和系统传输效率；在某支出现故障时，该分支以下所有监测设备均失去通信能力；网络结构固定，无法适应矿井工作面动态变化等，不能满足现代矿井安全生产管理的要求。矿井无线传感器网络（WSN）灵活多变的自组网方式可以满足矿井监测环境下的各种要求，对矿井环境、生产设备的运行状态、生产人员位置及生命体征进行实时监测预警，为此矿井环境中将布设大量感知监测节点，对节点的定位是矿井无线传感器网络的关键技术之一。 本文以矿井为研究对象，把无线传感器网络（WSN）应用于矿山监测，结合矿井环境监测要求与无线传感器网络自身特点，给出了一种分布式节点定位算法，来提高井下巷道环境中监测节点定位精度及定位鲁棒性，主要研究包括以下三个方面： （1）选用分布式定位算法对节点进行精确定位。矿井环境复杂，与地面环境相比有较大的差异，具有巷道长窄，巷道分支多，节点布设密度需求较低，节点信号衰减快速，通信半径短等特点，均会导致矿井环境中无线传感器节点连通性降低，对井下节点定位精度有较大的不利影响。针对矿井环境特点，必须采用分布式定位算法。同时为保证定位精度，要求巷道节点布设过程中，锚节点需均匀布设； （2）提出一种基于刚性图理论的节点分簇算法。利用刚性图理论，将井下节点定位的唯一性问题转化为节点及其连通性所组成框架的全局刚性问题。虽然矿井下节点布设时，整体必然会满足全局刚性，但在分簇后，由于簇间节点无法直接连通，将会摧毁部分连通性，所以簇内节点框架是否为全局刚性仍未可知，若同簇节点的相对位置不唯一，则簇内相对定位无法保证唯一，并将影响整个网络的定位精确性，定位算法失败。本文利用所布设锚节点及其数个相互连通的邻居节点组成初始刚性簇并向周围扩展，其余节点通过判断其与刚性簇内节点的连通性，依次加入刚性簇内，使多个刚性簇同步扩展至整个网络； （3）提出一种基于鸡群优化理论的节点定位算法。将同一簇内的节点，根据簇内节点间的接收信号强度算出其间的距离，利用鸡群优化算法，以位置集为解集，各位置集所对应的节点距离与实际所测距离的相对误差之和为适应度函数，进行相对定位。簇内节点相对定位后，其实际位置可以簇内所属锚节点为中心，旋转一定角度得出。不同簇节点的实际位置利用鸡群优化算法，以不同簇旋转角度为解集，各角度集所对应位置时节点距离与实际所测距离的相对误差之和为适应度函数，进行绝对定位。 通过仿真验证，该定位算法在矿井模拟环境中，在不同巷道环境，节点密度，通信半径，锚节点比例情况下，精度均有较好表现，且具有较好的鲁棒性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 无线传感器网络架构

1.2.2 无线传感器网络节点结构

1.2.3 无线传感器网络的网络体系

1.2.4 无线传感器网络的特点

1.3 矿井无线传感器网络监测

1.4 国内外研究现状

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究路线

第2章 矿井与无线传感器网络定位

2.1 无线传感器网络定位技术

2.1.1 无线传感器网络定位技术简介

2.1.2 经典定位算法

2.1.3 经典算法比较

2.2 矿井无线传感器网络节点定位

2.2.1矿井环境特征及对定位制约

2.2.2 矿井节点定位要求

2.3 RCCSO定位算法

2.4 结论

第3章 基于刚性图理论的矿井无线传感器网络分簇

3.1 刚性图相关理论介绍

3.2 刚性图在无线传感器网络中的应用

3.3 基于刚性图的节点分簇算法

3.4 结论

第4章 基于鸡群优化的矿井无线传感器网络定位

4.1.1 最优化问题

4.1.2 群智能优化算法

4.2.鸡群优化算法

4.2.1 鸡群行为基础

4.2.2 鸡群优化算法

4.3 基于鸡群优化的相对定位

4.4.1 齐次坐标系

4.4.2 簇间全局定位

4.5 结论

第5章仿真分析

5.1 RCCSO收敛性分析

5.1.1迭代次数对收敛性影响

5.1.2鸡群总数对收敛性影响

5.1.3 鸡群比例对收敛性影响

5.2 RCCSO定位精度分析

5.2.1 节点数量对定位精度影响

5.2.2 锚节点比例对定位精度影响

5.2.3 测距误差对定位精度影响

5.2.4 通信范围对精度影响

5.2.5 巷道分支对精度影响

5.2.6 障碍物对精度影响

5.3 结论

第6章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢