【技術實現步驟摘要】
一種兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法
[0001]本專利技術涉及一種兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法，屬于土木結構健康監測領域。
技術介紹
[0002]利用無線加速度計對結構振動響應進行采集，具有施工方便、組網靈活、效率高、成本低等優點，已在多項實際工程中成功應用，是土木結構健康監測領域未來的重要發展方向。然而，由于結構監測成本的限制，用于振動響應采集的無線加速度計的數量常常遠少于可選測點的數量。同時，無線加速度計的極限數據傳輸距離較短(一般為幾十米)，而土木工程結構的尺寸龐大(可達幾百米甚至幾千米)，需要利用鄰近的無線加速度計進行中轉實現數據遠距離傳輸。另外，無線加速度計大多采用能量非常有限的電池供電。因此，非常有必要對無線加速度計的布設位置進行優化，實現無線加速度計之間距離的調節，確保采集的數據能夠傳輸至數據中心，并進一步保證采集的數據能夠最有效地表征結構的振動響應以及數據傳輸的能量消耗盡可能低。
[0003]兩種優化布設目標相互矛盾，不能同時達到最優，以采集數據有效性為目標的優化布設傾向于均勻布設無線加速度計，以數據傳輸能量消耗為目標的優化布設傾向于將無線加速度計布設于數據中心附近。因此，已有的優化方法常常將兩種目標加權和變成單目標，這種優化策略存在兩個方面的弊病：一方面，權重系數難以合理選擇，存在很強的主觀性；另一方面，僅有一種最優結果，不能適用于多種場景。比如，對于無線加速度計的優化布設，有的用戶更注重采集數據的有效性，另一些用戶更注重數據傳輸的能量消耗，還有一些用戶注重采集...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法，其特征在于：具體包括以下步驟：步驟S1：通過有限元分析獲取被監測結構維數為N
×
S的真實模態矩陣；步驟S2：建立兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計布設方案多目標評價函數；步驟S3：基于步驟S2中建立的無線加速度計布設方案多目標評價函數，利用容斥移動多目標離散螢火蟲算法求解無線加速度計的優化布設方案；步驟S4：輸出分別代表能夠采集最有效振動響應數據、數據傳輸能量消耗最低、采集數據有效性與數據傳輸低能耗相平衡的三種無線加速度計優化布設方案。2.根據權利要求1所述的兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法，其特征在于：步驟S2中，建立無線加速度計布設方案多目標評價函數的具體步驟為：步驟S21：定義可用的無線加速度計的數量為R，針對某一種無線加速度計布設方案，根據無線加速度計布設的位置，將真實模態矩陣中的對應行抽出，組成采集模態矩陣Φ
采
；步驟S22：通過采集模態矩陣Φ
采
計算有效獨立向量H，有效獨立向量H的計算公式為：公式(2.1)中，Φ
采
表示采集模態矩陣，diag[
·
]表示求矩陣的對角線元素，上標T表示求矩陣轉置；步驟S23：基于步驟S22中的有效獨立向量H計算采集數據有效性的評價函數f
IE
，采集數據有效性的評價函數f
IE
的計算公式為：公式(2.2)中，f
IE
表示采集數據有效性的評價函數，H1,H2,
…
,H
R
表示有效獨立向量H中的元素；步驟S24：無線加速度計布設方案組成無線傳感網絡，通過計算無線傳感網絡的鄰接矩陣獲取無線傳感網絡的連通系數Z；步驟S25：基于步驟S24獲取的連通系數Z，計算數據傳輸能量消耗的評價函數f
NP
：公式(2.3)中，f
NP
表示數據傳輸能量消耗的評價函數，E
p
表示第p個無線加速度計完成一次采集數據和傳輸消耗的能量，其中p＝1,2,
…
,R，Z為連通系數；步驟S26：基于步驟S23獲取的采集數據有效性的評價函數f
IE
和步驟S25獲取的數據傳輸能量消耗的評價函數f
NP
建立兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計布設方案多目標評價函數：Minimize f＝(f
IE
，f
NP
)
????????
(2.4)。3.根據權利要求2所述的兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法，其特征在于：步驟S24中通過計算無線傳感網絡的鄰接矩陣獲取無線傳感網絡的連通系數Z的具體步驟為：
步驟S241：計算無線傳感網絡的鄰接矩陣A，鄰接矩陣A的第p行、第q列元素A
pq
為公式(2.4.1)中，d
pq
表示第p個無線加速度計與第q個無線加速度計之間的幾何距離，d
max
表示無線加速度計的最大數據傳輸距離，其中，p,q＝1,2,
…
,R；步驟S242：基于步驟S241獲取的鄰接矩陣A，計算判斷矩陣D，判斷矩陣D的計算公式為：公式(2.4.2)中，A
m
表示鄰接矩陣A的第m次冪，其中，m取整數值，m＝1,2,
…
,R
?
1；步驟S243：定義無線加速度計的初始能量為當判斷矩陣D中存在0元素時，定義連通系數Z為當判斷矩陣D中不存在0元素時，定義連通系數Z為0。4.根據權利要求1所述的兼顧采集數據和傳輸的無線加速度計優化布設方法，其特征在于：步驟S3中利用容斥移動多目標離散螢火蟲算法求解無線加速度計的優化布設方案的具體步驟為：步驟S31：確定螢火蟲種群中的螢火蟲總數為偶數K，設定每只螢火蟲代表一種無線加速度計布設方案，將螢火蟲進行雙結構編碼，定義第i只螢火蟲的編碼為C
i
，i＝1,2,
…
,K，則第i只螢火蟲的編碼C
i
為：公式(3.1)中，x
i
表示位置編碼，g
i
表示狀態編碼；當g
i,r
等于0，表示編號為x
i,r
的節點未布設無線加速度計；當g
i,r
等于1，表示編號為x
i,r
的節點布設了一只無線加速度計；其中r＝1,2,
…
,N；步驟S32：初始化螢火蟲種群中所有螢火蟲編碼，獲得K種無線加速度計的初始布設方案；步驟S33：按照步驟S21
?
步驟S26，計算K種無線加速度計初始布設方案多目標評價函數f；步驟S34：劃分螢火蟲種群中所有螢火蟲的支配等級；步驟S35：設定迭代次數N為0；步驟S36：確定螢火蟲的性別，隨機選擇0.5K只螢火蟲為雄性螢火蟲，其余0.5K只螢火蟲為雌性螢火蟲；步驟S37：產生[0,1]之間的隨機數作為權重系數β，計算每只螢火蟲的隨機亮度B
i
，隨機亮度B
i
的計算公式為：公式(3.2)中，τ
i
表示第i只螢火蟲的支配等級，f
IE,i
表示第i只螢火蟲的采集數據有效
性的評價函數值，f
NP,i
表示第i只螢火蟲的數據傳輸能量消耗的評價函數值；步驟S38：對所有螢火蟲進行相容移動；步驟S39：按照步驟S21
?
步驟S26，計算相容移動后螢火蟲的評價函數f；步驟S310：合并相容移動前和相容移動后的所有螢火蟲形成新的螢火蟲種群，按照步驟S34劃分新螢火蟲種群中所有螢火蟲的支配等級；步驟S311：對所有螢火蟲進行相斥移動；步驟S312：按照步驟...
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