一種地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于地下管網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的無線監(jiān)測定位系統(tǒng)，它是由未知節(jié)點、信標節(jié)點、Sink節(jié)點、上位機等組成；本發(fā)明公開了針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點定位方法，為基于在線優(yōu)化訓(xùn)練關(guān)系函數(shù)的遞增式測距定位算法，并采用多種方法對定位結(jié)果進行不斷修正的過程；本發(fā)明還公開了針對地下管網(wǎng)應(yīng)用的突發(fā)災(zāi)害事故源定位方法，包括時間差法、狀態(tài)曲線法、多參數(shù)組合法等方法，并采用多種方法進行定位修正，可實現(xiàn)較高精度定位；本發(fā)明還公開了以上定位算法實現(xiàn)過程的節(jié)能優(yōu)化方法。采用本發(fā)明的定位方法，不僅可實現(xiàn)地下管網(wǎng)自動化智能化監(jiān)測預(yù)警、突發(fā)災(zāi)害高效可靠定位等功能，而且具有數(shù)據(jù)準確、及時高效、低能耗、低成本等優(yōu)勢。
【專利說明】一種地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地下管網(wǎng)無線遠程監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，第一，本發(fā)明涉及地下管網(wǎng)無線遠程監(jiān)測定位系統(tǒng)設(shè)備；第二，本發(fā)明涉及無線監(jiān)測系統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)定位方法；第三，本發(fā)明涉及無線監(jiān)測系統(tǒng)在地下管網(wǎng)領(lǐng)域的突發(fā)事故定位實際應(yīng)用，具體為事件驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)突發(fā)事故源的快速定位；第四，本發(fā)明涉及定位算法實現(xiàn)過程的節(jié)能優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GPS(Global Positioning System)是目前使用的最著名的定位服務(wù)。但是，由于無線傳感器節(jié)點受到成本、能量和體積的限制，無法滿足GPS的成本和功耗要求。針對地下管道網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，GPS會由于接收不到衛(wèi)星信號而失效，這就使其應(yīng)用受到很大限制。在機器人研究領(lǐng)域，也有不少關(guān)于定位的研究，但所提出的一些算法一般不用關(guān)心計算復(fù)雜度和能量消耗問題，同時也有相應(yīng)的硬件設(shè)備支持，所以不適用于地下管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。
[0003]目前，無線監(jiān)測系統(tǒng)定位算法還處于理論研究階段，近年來已經(jīng)出現(xiàn)了許多針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位算法，如無參考節(jié)點算法的AFL(Anchor-Free Localization)、Cricket 和 ABC (Assumption Based Coordinates)等算法，有參考節(jié)點的 GPS-Free、DV-Hop (DistanceVector-Hop) > AHLos (Ad-Hoc Localization System) > LCB (LocalizableCollaborative Body)和 APIT(Approximate Point-1n-Triangulation Test)等 算法，集中式定位 MDS-MAP 算法，以及 SPA、LPS (Local Positioning System)、SpotON、HiRLoc(High-Resolution Robust Localization)、凸規(guī)劃(Convex Optimization)、RADAR、DPE (Directed Position Estimation)、MAP (MobileAnchor Points)、質(zhì)心算法(Centroid Algorithm)等等算法。已經(jīng)提出的定位算法都具有各自的適用條件,在特定條件下，某些算法在某些性能指標上可能優(yōu)于其他算法，而在其他方面可能處于劣勢。從一定意義上說，可公認為最優(yōu)秀的定位算法目前尚未產(chǎn)生。通過分析已有的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)即使很優(yōu)秀的定位算法也有待于提高整體性能?？偟膩碚f，獲得高效精確的定位算法還需要解決以下幾個問題，降低硬件配置、提高對于高能效、高精度的距離或角度的測量技術(shù)；定位算法的復(fù)雜度和算法自身引起的通信量要盡量低；降低因信標節(jié)點比例小或大而增加的成本；對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處于動態(tài)變化時的節(jié)點定位方法進行再次的深入研究。并且對地下管網(wǎng)無線監(jiān)測應(yīng)用環(huán)境的節(jié)點定位算法做進一步研究。
[0004]對地下管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急處置應(yīng)用而言，監(jiān)測節(jié)點必須明確自身位置才能詳細說明“在什么區(qū)域發(fā)生了特定事件”，實現(xiàn)對管網(wǎng)狀態(tài)信息以及突發(fā)災(zāi)害的定位和追蹤。此夕卜，了解監(jiān)測節(jié)點位置信息還可提高路由效率，為網(wǎng)絡(luò)提供命名空間，向部署者報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，優(yōu)化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡和網(wǎng)絡(luò)拓撲的自配置。在地下管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，監(jiān)測節(jié)點的微型化和有限的電池供電能力使其在節(jié)點硬件的選擇上受到了很大限制，低功耗是其最主要的設(shè)計目標。監(jiān)測節(jié)點能量有限、可靠性差、節(jié)點數(shù)目較大、節(jié)點部署具有不確定性，以及成本、功耗、擴展性等問題的限制，再加上節(jié)點的通信能力、數(shù)據(jù)處理能力、存儲能力有限，對定位算法和定位技術(shù)提出了較高的要求。主要包括:
[0005]自組織:地下管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)沒有全局基礎(chǔ)設(shè)施來支持協(xié)助定位；
[0006]魯棒性:監(jiān)測節(jié)點本身脆弱性，算法必須具有良好的容錯性和自適應(yīng)性；
[0007]節(jié)能性:盡可能降低算法的計算復(fù)雜性，減小節(jié)點之間由于定位算法引起的通信負載，盡量延長網(wǎng)絡(luò)的壽命；
[0008]分布式計算:減小信息收發(fā)，減小通信負載；
[0009]可擴展性:能夠及時適應(yīng)無線監(jiān)測節(jié)點的增加和退出；
[0010]低成本:系統(tǒng)的安裝時間、配置時間、定位時間要小，定位算法所需要的基礎(chǔ)設(shè)施和監(jiān)測節(jié)點數(shù)量、硬件尺寸以及所有設(shè)施的總費用等要足夠低。
[0011]因此必須針對其密集性及節(jié)點的計算、存儲、通信等能力都有限的特點設(shè)計有效的低功耗節(jié)點定位和突發(fā)事故源定位算法。
[0012]綜上，目前地下管網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域還沒有一種可以實現(xiàn)監(jiān)測節(jié)點定位和突發(fā)災(zāi)害事故源定位的系統(tǒng)方法，并同時兼顧大量監(jiān)測節(jié)點通信能力、數(shù)據(jù)處理能力、存儲能力、可靠性、成本、功耗、速度、效率等問題。在實際監(jiān)控預(yù)警與應(yīng)急處置應(yīng)用中，還需要對結(jié)果精確度的要求和能量消耗等方面進行綜合考慮，以確定最合適的定位方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明要解決的第一個問題是:提供一種適合于地下管網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的無線監(jiān)測定位系統(tǒng)，其目的是在地下管網(wǎng)設(shè)備上搭建出具有實時無線遠程監(jiān)測和定位功能的一套系統(tǒng)。
[0014]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:在本發(fā)明人前期發(fā)明專利“一種市政管網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)”(201010575533.4)的基礎(chǔ)上，改進原有無線監(jiān)測系統(tǒng)，使其不僅用于對被測管網(wǎng)壓力、流量、流速、成本、振動等等運行參數(shù)進行監(jiān)測，而且具有對監(jiān)測節(jié)點進行定位的能力，以及突發(fā)事故情況下應(yīng)急監(jiān)測和突發(fā)事故源進行定位的能力。
[0015]所述的無線監(jiān)測定位系統(tǒng)對原有無線監(jiān)測系統(tǒng)改進包括上位機服務(wù)器、Sink節(jié)點、信標節(jié)點、未知節(jié)點，某些特定應(yīng)用條件下，還會增加移動信標節(jié)點協(xié)助進行監(jiān)測節(jié)點定位。所述的上位機服務(wù)器主要增加節(jié)點融合定位修正算法、突發(fā)事故融合定位算法等，并將必要的修正信息發(fā)送給監(jiān)測節(jié)點；所述的Sink節(jié)點主要負責(zé)與監(jiān)測節(jié)點、與上位機進行通信，轉(zhuǎn)發(fā)定位信息及修正信息，并作為中心信標節(jié)點啟動節(jié)點定位過程等；所述的信標節(jié)點為安裝初期已測定精確地理位置的監(jiān)測節(jié)點，為其他監(jiān)測節(jié)點提供位置參考信息，信標節(jié)點主要負責(zé)采集定位信息和計算關(guān)系函數(shù)，協(xié)助鄰居未知節(jié)點進行節(jié)點定位、事故定位和定位修正，并獲取鄰居節(jié)點定位反饋信息對關(guān)系函數(shù)進行修正等；所述的未知節(jié)點為待定位節(jié)點，主要負責(zé)接收信標節(jié)點信息，計算自身位置并反饋位置結(jié)果等，并在定位完成后轉(zhuǎn)化為次級信標節(jié)點；所述的移動信標節(jié)點，為實時可追蹤移動軌跡的臨時節(jié)點，在監(jiān)測區(qū)域中移動并加入無線監(jiān)測自組織網(wǎng)絡(luò)中，主要負責(zé)周期性廣播其當前位置信息，協(xié)助鄰居未知節(jié)點等進行定位及修正，并將通信過程信息集中上傳給上位機服務(wù)器系統(tǒng)等。
[0016]所述的信標節(jié)點選定原則:以Sink節(jié)點為中心，一跳通信距離內(nèi)要有信標節(jié)點，信標節(jié)點間距離盡量遠。具體實施案例為，在某一方向Sink節(jié)點一跳通信距離內(nèi)盡量遠的區(qū)域選取第一個信標節(jié)點；在某一正交方向Sink節(jié)點一跳通信距離內(nèi)盡量遠的區(qū)域選取第二個信標節(jié)點；在信標節(jié)點多于3個的應(yīng)用環(huán)境，其它信標節(jié)點可自由隨機選取，基本原則為保證與已有信標節(jié)點盡量遠，又盡量靠近Sink節(jié)點。
[0017]所述的突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測，由第一個監(jiān)測到對象狀態(tài)信息突變的節(jié)點啟動，廣播啟動應(yīng)急事故監(jiān)測與定位信號，上下游監(jiān)測節(jié)點進入應(yīng)急事故監(jiān)測定位狀態(tài)，實時監(jiān)測對象狀態(tài)信息突變的時間和變化量，并進行應(yīng)急狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，計算突發(fā)災(zāi)害事故源位置信
肩、O
[0018]本發(fā)明要解決的第二個問題是:提供一種適合于地下管網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的無線監(jiān)測系統(tǒng)定位方法，其目的是在地下管網(wǎng)設(shè)備上實現(xiàn)實時無線遠程監(jiān)測節(jié)點定位。
[0019]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:Sink節(jié)點作為中心信標節(jié)點啟動節(jié)點定位過程，一級信標節(jié)點建立接收信號強度(RSSI)、電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離之間的關(guān)系函數(shù)，以Sink節(jié)點為中心，采用在線優(yōu)化訓(xùn)練關(guān)系函數(shù)的遞增式測距定位算法，并采用多種方法對定位結(jié)果進行不斷修正的過程。修正方法主要包括:到達時間(TOA)修正，關(guān)系函數(shù)中值修正，管道地理信息修正，監(jiān)測對象狀態(tài)信息的時空關(guān)系修正，增加移動信標節(jié)點對節(jié)點定位進行修正等方法。
[0020]所述的在線優(yōu)化訓(xùn)練關(guān)系函數(shù)的遞增式測距定位算法，具體實施過程為，地下管網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點安裝之初，選定部分節(jié)點(包括Sink節(jié)點)作為一級信標節(jié)點，Sink節(jié)點廣播定位信息，一級信標節(jié)點確定定位關(guān)系函數(shù)，一級信標節(jié)點廣播定位信息和定位關(guān)系函數(shù)，未知節(jié)點計算位置信息，未知節(jié)點轉(zhuǎn)化為二級信標節(jié)點，二級信標節(jié)點廣播定位信息和定位關(guān)系函數(shù)，一級信標節(jié)點修正定位關(guān)系函數(shù)，新的未知節(jié)點轉(zhuǎn)化為三級信標節(jié)點，三級信標節(jié)點廣播定位信息和定位關(guān)系函數(shù)，二級信標節(jié)點修正位置信息，新的未知節(jié)點轉(zhuǎn)化為四級信標節(jié)點，以此類推，直到所有節(jié)點成為信標節(jié)點。
[0021]所述的Sink節(jié)點廣播定位狀態(tài)信息包括發(fā)送電池電量、發(fā)送功率等。所述的定位關(guān)系函數(shù)，為一級信標節(jié)點根據(jù)接收到的節(jié)點間的定位狀態(tài)信息，求得RSS1、T0A、發(fā)送節(jié)點電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離之間的關(guān)系函數(shù)。所述的定位算法，盡量采用最小信標等級節(jié)點的定位信息，在接收到的節(jié)點定位信息大于2個時，采用最大似然估計算法；接收到的節(jié)點定位信息等于2個時，采用遞增三邊計算法；接收到的節(jié)點定位信息只有I個時，則向上級信標節(jié)點發(fā)送協(xié)助定位請求，由上級信標節(jié)點根據(jù)鄰居節(jié)點位置信息及鄰居節(jié)點通信覆蓋域，估算此未知節(jié)點的位置區(qū)域，此估算需要其它算法進行修正。未知節(jié)點轉(zhuǎn)化為信標節(jié)點時，信標等級為其采用的信標節(jié)點定位信息中最大等級加I。
[0022]所述的到達時間(TOA)修正，為通過信號在兩個目標之間來回傳播的時間差與信號傳播速度之間的關(guān)系求得兩節(jié)點間距離，對節(jié)點位置信息進行修正，即通過兩個節(jié)點的一收一發(fā)通信過程，記錄發(fā)送者和接收者的響應(yīng)處理時延，計算信號傳播時間，根據(jù)信號傳播速度求得兩節(jié)點間距離。
[0023]所述的關(guān)系函數(shù)中值修正，包括一次關(guān)系函數(shù)中值修正和二次關(guān)系函數(shù)中值修正。所述的一次關(guān)系函數(shù)中值修正，為兩節(jié)點在一收一發(fā)過程中，形成的兩組RSS1、電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離關(guān)系函數(shù)值，通過兩組關(guān)系函數(shù)的中值進行修正，可提高監(jiān)測節(jié)點定位的精度；所述的二次關(guān)系函數(shù)中值修正，為通過改變節(jié)點發(fā)送功率，產(chǎn)生新的RSS1、電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離關(guān)系函數(shù)值，進行二次關(guān)系函數(shù)中值修正。[0024]所述的管道地理信息修正，為結(jié)合無線監(jiān)測對象狀態(tài)信息修正的過程，具體為根據(jù)管道地理信息以及監(jiān)測節(jié)點上下游關(guān)系，并且監(jiān)測節(jié)點都部署在靠近管道的區(qū)域，進而修正監(jiān)測節(jié)點位置。
[0025]所述的監(jiān)測對象狀態(tài)時空關(guān)系修正，每個監(jiān)測節(jié)點測得對象狀態(tài)信息，與上下游監(jiān)測節(jié)點測得對象狀態(tài)信息具有一定的時空關(guān)系(比如壓力、流量、流速、成本、振動等)，在此基礎(chǔ)上確定監(jiān)測節(jié)點的上下游關(guān)系，建立上下游監(jiān)測節(jié)點對象狀態(tài)信息與上下游節(jié)點位置間的關(guān)系函數(shù)，在沒有突發(fā)災(zāi)害事故的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行狀態(tài)下，實時在線訓(xùn)練相應(yīng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系函數(shù)，根據(jù)節(jié)點位置和監(jiān)測對象狀態(tài)信息修正相應(yīng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系函數(shù)，同時也根據(jù)穩(wěn)態(tài)關(guān)系函數(shù)和監(jiān)測對象狀態(tài)信息修正監(jiān)測節(jié)點位置信息。
[0026]所述的增加移動信標節(jié)點對節(jié)點定位進行修正，為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)增加移動信標節(jié)點，初始化并同步入網(wǎng)后，只要保證移動信標節(jié)點的移動速度不高于一定數(shù)值，即以速度不高于2個通信周期內(nèi)移出單個節(jié)點的通信范圍為限，移動信標節(jié)點周期性廣播定位信息，每個鄰近的大于一級的信標節(jié)點，與移動信標節(jié)點通信不少于一次，信標節(jié)點根據(jù)幾組定位信息和移動信標節(jié)點移動位置計算自身位置，對定位結(jié)果進行修正，并反饋修正上級定位結(jié)果，以此類推。此外，移動信標節(jié)點記錄整個移動過程中通信過的所有鄰近信標節(jié)點通信信息，并集中上傳給上位機服務(wù)器系統(tǒng)，上位機服務(wù)器根據(jù)每個鄰近信標節(jié)點的定位信息以及移動信標節(jié)點的移動軌跡，并結(jié)合移動軌跡區(qū)域內(nèi)所有鄰近節(jié)點信息融合計算鄰近信標節(jié)點位置，最后將修正信息發(fā)送給對應(yīng)節(jié)點，以協(xié)助修正全網(wǎng)節(jié)點定位信息。
[0027]本發(fā)明所要解決的第三個問題是:提出地下管網(wǎng)突發(fā)災(zāi)害事故源定位方法，具體為事件驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)地下管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警的實時定位、突發(fā)災(zāi)害下的事故源實時定位，其目的是為實現(xiàn)快速高效的應(yīng)急處置與聯(lián)動提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
[0028]為了實現(xiàn)準確高效實時的事故源定位方法，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:根據(jù)監(jiān)測對象狀態(tài)信息與上下游監(jiān)測節(jié)點位置之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系函數(shù)，建立監(jiān)測對象狀態(tài)信息與整個管網(wǎng)管道之間關(guān)系函數(shù)。在突發(fā)災(zāi)害事故狀態(tài)下，根據(jù)上下游監(jiān)測節(jié)點實時監(jiān)測對象狀態(tài)信息的時間關(guān)系和突變量等，計算引起突變的管網(wǎng)管道位置，即事故源位置，再通過其它監(jiān)測節(jié)點和其它監(jiān)測參數(shù)變化協(xié)助修正突發(fā)災(zāi)害事故源定位。
[0029]所述的建立監(jiān)測對象狀態(tài)信息與整個管網(wǎng)管道之間關(guān)系函數(shù)，為將監(jiān)測對象狀態(tài)信息與上下游監(jiān)測節(jié)點位置之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系函數(shù)值，作為局部特征值，求得監(jiān)測對象狀態(tài)信息與整個管網(wǎng)管道之間的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)，并在管網(wǎng)穩(wěn)定運行期間不斷進行優(yōu)化修正。所述的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)，具體為在不同時間、不同管段、不同對象運行狀態(tài)等情況下形成的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)。所述的對象運行狀態(tài)，包括對象運行單種狀態(tài)參數(shù)和多種狀態(tài)參數(shù)等情況。
[0030]所述的計算事故源位置，有時間差法、狀態(tài)曲線法、多參數(shù)組合法等方法。所述的時間差法為根據(jù)上述線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)，以上下游監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測對象運行狀態(tài)突變發(fā)生的時間差，計算引起突變的事故源距上下游監(jiān)測節(jié)點的距離；所述的狀態(tài)曲線法為以突發(fā)事故引起的對象狀態(tài)參數(shù)變化差別最大兩個監(jiān)測節(jié)點間為事故源發(fā)生段，分別根據(jù)事故源發(fā)生段上游至少兩個、下游至少兩個監(jiān)測節(jié)點的事故狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得兩條事故段線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線，求其交點，即為事故源位置；所述的多參數(shù)組合法為多運行狀態(tài)參數(shù)組合定位方法，在具備多參數(shù)監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，根據(jù)上下游監(jiān)測節(jié)點的多參數(shù)的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線，求其事故段的拐點，即為事故源位置。
[0031]所述的其它監(jiān)測節(jié)點和其它監(jiān)測參數(shù)變化協(xié)助修正定位方法，為充分利用突發(fā)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測節(jié)點和所有監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)進行協(xié)助修正定位，條件不足時采用一種進行估計計算，定位精度較差，條件充分時，采用多種方法進行估計和修正，可實現(xiàn)較高精度定位。主要包括多監(jiān)測節(jié)點時間差協(xié)助修正、二次監(jiān)測時間差修正、二次狀態(tài)曲線修正法等。所述的多監(jiān)測節(jié)點時間差協(xié)助修正為充分利用上下游更多監(jiān)測節(jié)點的突變時間差，計算并修正事故源位置；所述的二次監(jiān)測時間差修正，為改變事故區(qū)域管網(wǎng)運行狀態(tài)(閥門調(diào)節(jié)、泵調(diào)節(jié)等)產(chǎn)生新突變，監(jiān)測節(jié)點二次監(jiān)測突變時間差，計算并修正事故源位置；所述的二次狀態(tài)曲線修正法，為在狀態(tài)曲線法基礎(chǔ)上，改變整個事故區(qū)域管網(wǎng)運行狀態(tài)(閥門調(diào)節(jié)、泵調(diào)節(jié)等)，分別根據(jù)事故源發(fā)生段上游至少兩個、下游至少兩個監(jiān)測節(jié)點的事故狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得兩條新的事故段線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線，求其交點，修正狀態(tài)曲線法的定位結(jié)果。
[0032]本發(fā)明所要解決的第四個問題是:以上所有定位算法實現(xiàn)過程的節(jié)能優(yōu)化方法，在保證監(jiān)測節(jié)點定位和突發(fā)事故源定位實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，盡量不增加無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信負載，減小監(jiān)測節(jié)點運算負載，降低無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點的能耗。
[0033]為了實現(xiàn)整個節(jié)點定位和突發(fā)事故源定位算法實現(xiàn)過程的節(jié)能，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:將所述的監(jiān)測節(jié)點的定位算法融合于無線網(wǎng)絡(luò)通信過程，融合通信數(shù)據(jù)包，采用分布式定位運算等。
[0034]所述的定位算法融合于無線網(wǎng)絡(luò)通信過程，為將定位算法融合于監(jiān)測節(jié)點的時間同步、自組織拓撲建立、數(shù)據(jù)通信等整個無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信過程，節(jié)點初步定位算法從節(jié)點同步階段開始，并于每個通信周期中進行更新修正，上位機僅將必要的修正信息發(fā)送給監(jiān)測節(jié)點，不增加節(jié)點間定位交互通信過程，減小網(wǎng)絡(luò)占空比，網(wǎng)絡(luò)通信負載，減小網(wǎng)絡(luò)能量消耗。
[0035]所述的融合通信數(shù)據(jù)包，對節(jié)點定位信息和修正信息進行壓縮融合，采用累積差量法減少定位修正信息的發(fā)送次數(shù)，并僅在通信數(shù)據(jù)包中增加監(jiān)測節(jié)點定位相關(guān)信息壓縮字段，盡量減少節(jié)點通信能耗。所述的累積差量法，為設(shè)定修正量閥值，監(jiān)測節(jié)點通過修正算法求得修正量小于閥值時暫不發(fā)送，記入累積量，當修正累積量超過閥值時，再將修正信息加入通信數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。
[0036]所述的分布式定位運算，主要采用上位機服務(wù)器負責(zé)大量數(shù)據(jù)的集中運算部分，包括監(jiān)測節(jié)點地理信息修正的算法、監(jiān)測節(jié)點時空關(guān)系修正的算法的實現(xiàn)，還負責(zé)事故源定位的狀態(tài)曲線法、二次狀態(tài)曲線修正法、多參數(shù)組合算法的實現(xiàn)；監(jiān)測節(jié)點只與上下一級監(jiān)測節(jié)點通信，負責(zé)簡單的初級運算，主要包括建立修正函數(shù)、到達時間(TOA)、關(guān)系函數(shù)中值、事故源定位的時間差法等算法的實現(xiàn)，定位和修正自身位置，并協(xié)助上下一級監(jiān)測進行定位和修正，減小監(jiān)測節(jié)點的運算負擔(dān)。
[0037]本發(fā)明采用上述的地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)，對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行智能分析、實時報警定位，可以實現(xiàn)對地下管網(wǎng)無線監(jiān)測節(jié)點的在線定位、對地下管網(wǎng)突發(fā)災(zāi)害事故源的實時定位，從而提高地下管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警的自動化、智能化水平，與地下管網(wǎng)的應(yīng)急處置聯(lián)動平臺結(jié)合還可以實現(xiàn)及時高效的管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警與突發(fā)災(zāi)害下的應(yīng)急控制。采用這種地下管網(wǎng)實時監(jiān)測定位系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)地下管網(wǎng)自動化智能化監(jiān)測預(yù)警、突發(fā)災(zāi)害高效可靠定位等功能，而且具有數(shù)據(jù)準確、及時高效、低能耗、低成本等優(yōu)勢。所以，上述地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)是現(xiàn)行管網(wǎng)監(jiān)測預(yù)警和事故源定位的最佳技術(shù)方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]下面對本說明書附圖所表達的內(nèi)容及圖中的標記作簡要說明:
[0039]附圖為本發(fā)明的無線監(jiān)測定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標記為:
[0040]1、傳感器，2、監(jiān)測節(jié)點(信標節(jié)點)，3、天線，4、Sink節(jié)點(信標節(jié)點)，5、公網(wǎng)通信模塊，6、公共網(wǎng)，7、上位機，8、監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)，9、監(jiān)測節(jié)點(信標節(jié)點)，10-16、監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)，17、移動信標節(jié)點，18、管網(wǎng)主干管，19、管網(wǎng)分支管,20、突發(fā)災(zāi)害事故位置。
【具體實施方式】
[0041]如附圖所表達的本發(fā)明地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)，本發(fā)明為一種地下管網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測定位系統(tǒng)，用于將被測管道的運行狀態(tài)參數(shù)值以及定位信息等，通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)到Sink節(jié)點處，Sink節(jié)點再通過公網(wǎng)發(fā)送到上位機上。網(wǎng)絡(luò)初始化階段需要設(shè)定信標節(jié)點，本實施案例中設(shè)定監(jiān)測節(jié)點2、4、9為信標節(jié)點，設(shè)定增加移動信標節(jié)點17，其余監(jiān)測節(jié)點需要通過定位算法進行節(jié)點定位。其中定位實現(xiàn)過程為:通過信標節(jié)點定位信息和定位算法，實現(xiàn)未知節(jié)點定位；通過上下游監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測的突發(fā)數(shù)據(jù)變化，實現(xiàn)事故源定位。
[0042]監(jiān)測節(jié)點定位實施例一:
[0043]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點中設(shè)傳感器1，所述的傳感器I通過傳感器信號線與監(jiān)測節(jié)點(信標節(jié)點)2中心電路相連，監(jiān)測節(jié)點(信標節(jié)點)2通過無線收發(fā)模塊與Sink節(jié)點4通信，建立定位算法，求得RSS1、Τ0Α、發(fā)送節(jié)點電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離的關(guān)系函數(shù)。
[0044]監(jiān)測節(jié)點定位實施例二:
[0045]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)8通過接收信標節(jié)點2、9與Sink節(jié)點4的定位信息，采用最大似然估計算法，求得監(jiān)測節(jié)點8的位置信息，監(jiān)測節(jié)點8轉(zhuǎn)化為二級信標節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點8反饋位置信息，信標節(jié)點2、9修正關(guān)系函數(shù)。
[0046]監(jiān)測節(jié)點定位實施例三:
[0047]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)15通過接收信標節(jié)點2、9的定位信息，采用遞增三邊計算法，求得監(jiān)測節(jié)點15的位置信息，通過接收二級信標節(jié)點8的定位信息修正監(jiān)測節(jié)點15的位置信息，監(jiān)測節(jié)點15轉(zhuǎn)化為二級信標節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點15反饋位置信息，信標節(jié)點2、9修正關(guān)系函數(shù)。
[0048]監(jiān)測節(jié)點定位實施例四:
[0049]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)14通過接收一級信標節(jié)點9和二級信標節(jié)點15的定位信息，采用遞增三邊計算法，根據(jù)監(jiān)測節(jié)點14在以Sink節(jié)點為中心的增量沿，求得監(jiān)測節(jié)點14的位置信息，監(jiān)測節(jié)點14轉(zhuǎn)化為三級信標節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點14反饋位置信息，二級信標節(jié)點15修正位置信息,信標節(jié)點9修正關(guān)系函數(shù)。
[0050]監(jiān)測節(jié)點定位實施例五:
[0051]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)16通過接收三級信標節(jié)點14的定位信息,無法直接計算節(jié)點位置，反饋協(xié)助定位請求，三級信標節(jié)點14根據(jù)二級信標節(jié)點15和信標節(jié)點9的位置信息及通信覆蓋域，并通過到達時間(TOA)、關(guān)系函數(shù)中值等修正算法，估算此監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)16的位置區(qū)域。
[0052]監(jiān)測節(jié)點定位實施例六:
[0053]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)12通過接收二級信標節(jié)點10和三級信標節(jié)點11的定位信息，采用遞增三邊計算法，根據(jù)監(jiān)測節(jié)點12在以Sink節(jié)點為中心的增量沿，并根據(jù)管道地理信息監(jiān)測節(jié)點12在主干管上，監(jiān)測對象狀態(tài)信息的時空關(guān)系監(jiān)測節(jié)點12在二級信標節(jié)點10的下游進行位置修正，求得監(jiān)測節(jié)點12的位置信息，監(jiān)測節(jié)點12轉(zhuǎn)化為四級信標節(jié)點，監(jiān)測節(jié)點12反饋位置信息，二級信標節(jié)點10和三級信標節(jié)點11修正位置信息。
[0054]監(jiān)測節(jié)點定位實施例七:
[0055]本發(fā)明所述的監(jiān)測節(jié)點(未知節(jié)點)13通過遞增式測距定位算法，求得位置信息，轉(zhuǎn)化為三級信標節(jié)點。增加移動信標節(jié)點17后，三級信標節(jié)點13通過接收不同時刻移動信標節(jié)點17來自不同位置的定位信息，采用三邊計算法，求得三級信標節(jié)點13的位置信息，修正原位置信息，監(jiān)測節(jié)點13反饋位置信息，二級信標節(jié)點10修正位置信息，信標節(jié)點9修正關(guān)系函數(shù)。
[0056]事故源定位實施例八:
[0057]本發(fā)明所述的突發(fā)災(zāi)害事故20，通過監(jiān)測節(jié)點9、10監(jiān)測到管網(wǎng)運行狀態(tài)突變信號的時間不同，根據(jù)時間差算法，求得突發(fā)災(zāi)害事故位置20與監(jiān)測節(jié)點9、10的距離，確定突發(fā)災(zāi)害事故20位置，通過突變信號到達監(jiān)測節(jié)點11、12、13、15的時間，計算突發(fā)事故20距監(jiān)測節(jié)點11、12、13、15的距離，修正突發(fā)事故20的位置。
[0058]事故源定位實施例九:
[0059]本發(fā)明所述的突發(fā)災(zāi)害事故20，以監(jiān)測節(jié)點9、10、11、12、13、15在管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時在線訓(xùn)練的狀態(tài)曲線為基礎(chǔ)，監(jiān)測節(jié)點9、10監(jiān)測到的狀態(tài)參數(shù)變化差別最大，確定突發(fā)事故發(fā)生在監(jiān)測節(jié)點9、10之間，以監(jiān)測節(jié)點9、15的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算狀態(tài)曲線，以監(jiān)測節(jié)點
10、11、12、13的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算狀態(tài)曲線，采用狀態(tài)曲線法，求得這兩條狀態(tài)曲線在監(jiān)測節(jié)點
9、10之間的交點，即為突發(fā)災(zāi)害事故20位置，調(diào)節(jié)管網(wǎng)干管18上的控制設(shè)備(閥門調(diào)節(jié)、泵等)改變事故區(qū)域管網(wǎng)運行狀態(tài)，以改變運行狀態(tài)后監(jiān)測節(jié)點9、15的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算狀態(tài)曲線，監(jiān)測節(jié)點10、11、12、13的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算狀態(tài)曲線，采用二次狀態(tài)曲線修正算法，修正突發(fā)災(zāi)害事故20位置。
[0060]事故源定位實施例十:
[0061]本發(fā)明所述的突發(fā)災(zāi)害事故20，管網(wǎng)主干管18上監(jiān)測節(jié)點9、10、12、13、15等監(jiān)測對象的多種狀態(tài)參數(shù)，以監(jiān)測節(jié)點9、10、12、13、15在管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行時在線訓(xùn)練的多參數(shù)線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線為基礎(chǔ)，在突發(fā)事故災(zāi)害情況下，監(jiān)測節(jié)點9、10監(jiān)測到的狀態(tài)參數(shù)變化差別最大，確定突發(fā)災(zāi)害事故發(fā)生在監(jiān)測節(jié)點9、10之間，根據(jù)監(jiān)測節(jié)點9、10、12、13、15的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算多參數(shù)的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線，采用多參數(shù)組合法，求其在監(jiān)測節(jié)點9、10之間的拐點，即為事故源位置。調(diào)節(jié)管網(wǎng)干管18上的控制設(shè)備(閥門調(diào)節(jié)、泵等)改變事故區(qū)域管網(wǎng)運行狀態(tài)，以改變運行狀態(tài)后監(jiān)測節(jié)點9、10、11、12、13的監(jiān)測數(shù)據(jù)計算多參數(shù)的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)曲線，采用二次狀態(tài)曲線修正算法，修正突發(fā)事故20位置。[0062]本發(fā)明通過以上實施例對定位方法進行描述，還應(yīng)包括以上實施例的交叉組合、對象參數(shù)的改變和等效替換等，實現(xiàn)節(jié)點和事故源定位與修正的實施例，都屬于本發(fā)明保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種地下管網(wǎng)無線監(jiān)測定位系統(tǒng)，用于對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測節(jié)點進行定位，對突發(fā)災(zāi)害事故源進行實時定位，還包括定位算法實現(xiàn)過程的節(jié)能優(yōu)化方法等。所述的無線監(jiān)測定位系統(tǒng)包括上位機服務(wù)器、Sink節(jié)點、信標節(jié)點、未知節(jié)點，以及移動信標節(jié)點等；所述的上位機服務(wù)器節(jié)點進行融合定位修正、事故融合定位等，并將必要的修正信息發(fā)送給監(jiān)測節(jié)點；所述的Sink節(jié)點與監(jiān)測節(jié)點、與上位機進行通信，轉(zhuǎn)發(fā)定位信息及修正信息等；所述的信標節(jié)點采集定位信息和計算關(guān)系函數(shù)，協(xié)助鄰居未知節(jié)點進行節(jié)點定位、事故定位和定位修正，并獲取鄰居節(jié)點定位反饋信息對關(guān)系函數(shù)進行修正等；所述的未知節(jié)點為待定位節(jié)點，接收信標節(jié)點信息，計算自身位置并反饋位置結(jié)果等，并在定位完成后轉(zhuǎn)化為次級信標節(jié)點；所述的移動信標節(jié)點，在監(jiān)測區(qū)域中移動并加入無線監(jiān)測自組織網(wǎng)絡(luò)中，周期性廣播其當前位置信息，協(xié)助鄰近未知節(jié)點等進行定位及修正，并將通信過程信息集中上傳給上位機服務(wù)器系統(tǒng)等。
2.如權(quán)利要求1所述的監(jiān)測節(jié)點定位，其特征在于=Sink節(jié)點作為中心信標節(jié)點啟動節(jié)點定位過程，一級信標節(jié)點建立接收信號強度(RSSI)、電池電量、發(fā)送功率等參數(shù)與節(jié)點距離之間的關(guān)系函數(shù)，以Sink節(jié)點為中心，采用在線優(yōu)化訓(xùn)練關(guān)系函數(shù)的遞增式測距定位算法對監(jiān)測節(jié)點進行定位，并采用到達時間(TOA)、關(guān)系函數(shù)中值、管道地理信息、監(jiān)測對象狀態(tài)信息時空關(guān)系、增加移動信標節(jié)點等方法修正定位結(jié)果。
3.如權(quán)利要求1所述的突發(fā)災(zāi)害事故源實時定位，其特征在于:在管網(wǎng)穩(wěn)定運行期間建立監(jiān)測對象狀態(tài)信息與整個管網(wǎng)管道之間的線性連續(xù)關(guān)系函數(shù)，并不斷修正關(guān)系函數(shù)；在突發(fā)事故情況下，由第一個監(jiān)測到對象狀態(tài)信息突變的節(jié)點啟動突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測與定位，上下游監(jiān)測節(jié)點進入應(yīng)急事故監(jiān)測定位狀態(tài)，實時監(jiān)測對象狀態(tài)信息突變的時間和變化量等，采用時間差法、狀態(tài)曲線法、多參數(shù)組合法等方法對突發(fā)事故源進行定位，并采用多監(jiān)測節(jié)點時間差協(xié)助、二次監(jiān)測時間差、二次狀態(tài)曲線等方法修正突發(fā)事故源定位結(jié)果。
4.如權(quán)利要求1所述的定位算法實現(xiàn)過程節(jié)能優(yōu)化方法，其特征在于:定位過程融合于監(jiān)測節(jié)點的時間同步、自組織拓撲建立、數(shù)據(jù)通信等整個無線網(wǎng)絡(luò)通信過程。上位機服務(wù)器進行監(jiān)測節(jié)點的管道地理信息修正、監(jiān)測對象狀態(tài)時空關(guān)系修正、事故源定位的狀態(tài)曲線法、二次狀態(tài)曲線修正法、多參數(shù)組合等算法集中運算，并將必要的修正信息發(fā)送給監(jiān)測節(jié)點；監(jiān)測節(jié)點進行建立和修正關(guān)系函數(shù)、到達時間(TOA)、關(guān)系函數(shù)中值、事故源定位的時間差法等算法的運算，定位和修正自身位置，并壓縮融合定位信息和修正信息，采用累積差量法選擇性組包通信，減少定位修正信息的發(fā)送次數(shù)，僅在通信數(shù)據(jù)包中增加定位相關(guān)信息的壓縮字段，協(xié)助上下一級監(jiān)測節(jié)點進行定位和修正。
【文檔編號】H04W84/18GK103687079SQ201310345094
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月9日
【發(fā)明者】張利強, 楊前進, 韓新民, 田寶慶, 張彥伯 申請人:機械科學(xué)研究總院, 中機生產(chǎn)力促進中心