傅質(zhì)馨 ，駱 陽(yáng) ，丁國(guó)榮 ，袁 越

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司上饒供電分公司，江西 上饒 334000）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為一種發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、清潔環(huán)保的發(fā)電形式，得到了政府和發(fā)電企業(yè)的大力推廣。然而，風(fēng)電機(jī)組大多處于環(huán)境惡劣地區(qū)，容易發(fā)生故障，可進(jìn)入性差、人工維護(hù)困難，這大幅增加了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的迅猛增長(zhǎng)也給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)［1-5］。因此，如何對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控成為了目前的研究熱點(diǎn)之一。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)控、動(dòng)態(tài)性能強(qiáng)、設(shè)施安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)勢(shì)。因此，WSN技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控中具有良好的應(yīng)用前景［6］?；赪SN構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過(guò)合理部署傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成有效的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取并傳遞風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)信息，即保證監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性和連通性。同時(shí)，考慮到風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境較為惡劣、節(jié)點(diǎn)更換不便等因素，在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中還應(yīng)能夠均衡、充分地利用節(jié)點(diǎn)能量，以延長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命。近年來(lái)，基于WSN技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)方面的研究成果不斷涌現(xiàn)。文獻(xiàn)［7］給出了一種WSN不等級(jí)能級(jí)環(huán)模型的節(jié)點(diǎn)部署方案，該方案只需要測(cè)量被監(jiān)測(cè)部件的物理參數(shù)即可構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，但僅在理論上提出如何部署節(jié)點(diǎn)，并未結(jié)合具體的應(yīng)用領(lǐng)域；文獻(xiàn)［8］提出了一種基于網(wǎng)格掃描的傳感器節(jié)點(diǎn)部署方案，該方案簡(jiǎn)單易行，但僅考慮了二維平面的部署情況；文獻(xiàn)［9］通過(guò)在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部部署振動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取部件的振動(dòng)狀態(tài)信息，并通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連通性，但沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)能量均衡利用的問(wèn)題；文獻(xiàn)［10］提出了一套風(fēng)電機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，包括從最初的數(shù)據(jù)采集到最后返回監(jiān)控中心，但未涉及監(jiān)控節(jié)點(diǎn)如何部署的具體方案；文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了大功率風(fēng)電齒輪箱無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分并研發(fā)了上位機(jī)管理系統(tǒng)，同樣未涉及對(duì)節(jié)點(diǎn)部署的討論；而文獻(xiàn)［12］利用WSN技術(shù)構(gòu)建了海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，提出了基于覆蓋度的能量均衡傳感器節(jié)點(diǎn)部署方案，在保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，有效地延長(zhǎng)了監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命，但是該文獻(xiàn)只給出了傳感器節(jié)點(diǎn)在二維平面中的部署情況，未考慮風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙監(jiān)控的空間性，在一定程度上會(huì)影響監(jiān)控效果。

基于上述分析，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上嘗試將節(jié)點(diǎn)部署方案突破二維平面，提出空間上的三維節(jié)點(diǎn)部署方案，使構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)更加切合實(shí)際風(fēng)電機(jī)組的構(gòu)造。同時(shí)，通過(guò)對(duì)WSN的經(jīng)典通信協(xié)議——LEACH協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)［13-14］，使得所構(gòu)建的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)具有良好覆蓋度的同時(shí)其使用壽命也得以最大限度地延長(zhǎng)。

1 風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

一般地，基于WSN的風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：狀態(tài)信息獲取系統(tǒng)、信息中轉(zhuǎn)站和中控系統(tǒng)［15］。

狀態(tài)信息獲取系統(tǒng)通過(guò)部署在風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部位的傳感器節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，獲取機(jī)組運(yùn)行時(shí)的各類狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)路由傳輸協(xié)議匯總到sink節(jié)點(diǎn)。所有部署的傳感器節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；信息中轉(zhuǎn)站作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g站，用于所獲取信息的后續(xù)拓展傳輸；中控系統(tǒng)接收到來(lái)自中轉(zhuǎn)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、特征提取、狀態(tài)識(shí)別、狀態(tài)分析、制定策略等［15-16］。

由于可靠地獲取和傳遞風(fēng)電機(jī)組基本的狀態(tài)信息是監(jiān)控系統(tǒng)的根本任務(wù)，因此本文所構(gòu)建的風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主要完成信息獲取和傳遞的任務(wù)，下文將從節(jié)點(diǎn)部署與路由傳輸2個(gè)方面對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方法展開討論。

2 風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)部署方案

2.1 平面模型

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)部署問(wèn)題而言，許多文獻(xiàn)都局限于對(duì)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的平面節(jié)點(diǎn)部署方案進(jìn)行相關(guān)研究。然而，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組及其各個(gè)部件都是三維立體結(jié)構(gòu)，若傳感器節(jié)點(diǎn)只部署于二維平面中則會(huì)出現(xiàn)以下情況：若只考慮在同一平面中部署傳感器節(jié)點(diǎn)，則會(huì)出現(xiàn)有些風(fēng)電機(jī)組部件因不在所設(shè)置的平面內(nèi)無(wú)法進(jìn)行傳感器部署，或者無(wú)法將傳感器節(jié)點(diǎn)部署在部件故障的關(guān)鍵點(diǎn)上；若給不在同一平面的風(fēng)電機(jī)組部件部署傳感器時(shí)設(shè)置多個(gè)平面坐標(biāo)系，不同坐標(biāo)系之間不易形成統(tǒng)一，不便于傳感器節(jié)點(diǎn)部署位置的統(tǒng)一設(shè)置和全局調(diào)整。因此，實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該呈空間分布，這樣才能更好地滿足監(jiān)控可靠性和準(zhǔn)確性的要求。因此，本文在平面節(jié)點(diǎn)部署模型的基礎(chǔ)上提出了監(jiān)控系統(tǒng)的空間節(jié)點(diǎn)部署模型。

正三角形部署是一種最大限度地減少冗余節(jié)點(diǎn)的典型部署方案，其利用正三角形自有的特殊結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)中所有相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離相等，最大限度地減少所需部署的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)約監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建成本［17］。以一個(gè)100 m×100 m的區(qū)域?yàn)槔?，采用正三角形?jié)點(diǎn)部署方案，如圖1所示。

圖1 三角形節(jié)點(diǎn)部署方案Fig.1 Triangle node deployment scheme

為了分析方便同時(shí)又不失一般性，將整個(gè)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙近似為一個(gè)長(zhǎng)方體，圖2為機(jī)艙俯視示意圖。結(jié)合平面正三角形節(jié)點(diǎn)部署結(jié)構(gòu)首先給出節(jié)點(diǎn)部署的空間俯視圖，圖3即為節(jié)點(diǎn)部署在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙的俯視示意圖。

圖2 機(jī)艙俯視示意圖Fig.2 Top view of engine room

圖3 三角形節(jié)點(diǎn)部署方案空間俯視圖Fig.3 Top view of triangle node deployment scheme

2.2 正四面體結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)

將節(jié)點(diǎn)部署從平面延拓至空間層面，需要有相關(guān)理論的支持。文獻(xiàn)［18］給出了平面正三角形節(jié)點(diǎn)部署方案的相關(guān)結(jié)論，節(jié)點(diǎn)感知半徑與相鄰節(jié)點(diǎn)距離需滿足式（1）所示關(guān)系。

其中，R為節(jié)點(diǎn)感知半徑；r為相鄰節(jié)點(diǎn)間距離。

在滿足式（1）的情況下，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)，如圖4（a）所示；若不滿足式（1），則就會(huì)出現(xiàn)圖4（b）所示情況，顯而易見，中間將出現(xiàn)一塊監(jiān)控盲區(qū)，監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度將有所下降。

圖4 不同感知半徑覆蓋對(duì)比圖Fig.4 Comparison of coverage with different sensing radius

本文將文獻(xiàn)［18］的結(jié)論延拓至空間層面，如圖5所示，節(jié)點(diǎn)感知半徑與相鄰節(jié)點(diǎn)距離需滿足式（2）所示條件。

當(dāng)滿足式（2）所示條件時(shí)即可保證監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋度達(dá)到100%，具體證明如下。

命題：在正四面體ABCD中，棱長(zhǎng) AB=r，AE為正四面體的一條高，正四面體的中心O在高AE上，證明是否成立。

圖5 四面體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of tetrahedron

證明：O為正四面體ABCD的中心，連接OA、OB、OC、OD，由于O為中心，所以正四面體ABCD被分為 4個(gè)全等的小三棱錐 O-ABC、O-ABD、O-ACD、O-BCD，其中 OA＝OB＝OC＝OD，見圖5。所以有：

可得AE=4OE。其中，S△BCD為三角形BCD的面積；V為四面體體積。

根據(jù)正四面體的性質(zhì)，頂點(diǎn)A在底面三角形BCD上的投影必定是三角形BCD的中心。連接BE并延長(zhǎng)交CD于點(diǎn)F。由正三角形性質(zhì)，可知∠CFB=90°，F(xiàn)為線段CD中點(diǎn)，即，根據(jù)勾股定理得：BF=，依據(jù)正三角形性質(zhì)，，即。在三角形ABE中，依據(jù)勾股定理得，，結(jié)合 AE=4OE，可得。

2.3 空間模型

基于上述理論，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部構(gòu)造，在已經(jīng)形成的平面正三角形節(jié)點(diǎn)部署方案的基礎(chǔ)上，將節(jié)點(diǎn)部署方案進(jìn)一步拓展，形成空間正四面體節(jié)點(diǎn)部署方案。

本文所用的風(fēng)電機(jī)組型號(hào)為國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力有限公司產(chǎn)的UP82-1500ⅢA風(fēng)電機(jī)組，其機(jī)艙的長(zhǎng)為10.20 m、寬為3.80 m、高為3.80 m。該風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障報(bào)告記載于文獻(xiàn)［19］，報(bào)告中詳細(xì)表明了齒輪箱故障與發(fā)電機(jī)故障最為突出，因此需要對(duì)這些安裝在機(jī)艙內(nèi)的部件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控?？臻g正四面體節(jié)點(diǎn)部署方案見圖6，圖中根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙尺寸，共部署了50個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖6 空間四面體節(jié)點(diǎn)部署方案Fig.6 Spatial tetrahedron node deployment scheme

3 風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)路由協(xié)議

基于第2節(jié)提出的空間節(jié)點(diǎn)部署方案，本節(jié)結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有典型LEACH路由協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)信息傳輸性能的優(yōu)化。

3.1 簇頭選舉方法的改進(jìn)

現(xiàn)有LEACH協(xié)議及其改進(jìn)的協(xié)議都只應(yīng)用于二維平面，不適用于本文的三維風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，更為重要的是，若在風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控過(guò)程中直接利用現(xiàn)有的LEACH協(xié)議將會(huì)有以下明顯的缺點(diǎn)。

a.現(xiàn)有經(jīng)典LEACH協(xié)議中簇頭選舉的方式過(guò)于簡(jiǎn)單隨機(jī)化，所有節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)的概率相同，由于簇頭需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)信息進(jìn)行融合及傳輸，因此其能耗比普通節(jié)點(diǎn)多，所以當(dāng)能量較少的節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭時(shí)，會(huì)加劇其能耗從而導(dǎo)致其過(guò)早失效，監(jiān)控系統(tǒng)的性能勢(shì)必會(huì)受到顯著的影響。為了使能量較多的節(jié)點(diǎn)作為簇頭在機(jī)艙中承擔(dān)匯聚數(shù)據(jù)的作用，勢(shì)必需要在簇頭選舉過(guò)程中對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量剩余情況加以考慮。

b.簇頭選舉時(shí)并未考慮節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的幾何距離，而簇頭向sink節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它們之間的幾何距離直接影響簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗。由于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙空間較大，因此考慮簇頭與sink節(jié)點(diǎn)之間的距離則顯得尤為重要。

事實(shí)上，現(xiàn)有的文獻(xiàn)有很多針對(duì)LEACH協(xié)議簇頭選舉方法的改進(jìn)協(xié)議［13-14］，但是都只考慮了缺點(diǎn)a，即節(jié)點(diǎn)剩余能量的問(wèn)題，而沒(méi)有考慮缺點(diǎn)b，即沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)之間距離的問(wèn)題，且僅限于二維平面。綜上，本文在對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)將充分考慮上述2點(diǎn)，提出改進(jìn)措施，主要思路包括以下2個(gè)方面。

a.就經(jīng)典LEACH協(xié)議中簇頭選舉時(shí)未考慮相應(yīng)節(jié)點(diǎn)剩余能量的情況，嘗試將節(jié)點(diǎn)的剩余能量這一限制條件添加到選舉算法中，使剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率更大，能量較少節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率減小，從而防止節(jié)點(diǎn)能量分布進(jìn)一步兩極分化，最大限度地延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)有效工作的時(shí)間。

b.針對(duì)LEACH協(xié)議中簇頭選舉時(shí)未考慮選舉節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)幾何距離這一問(wèn)題，嘗試將節(jié)點(diǎn)至sink節(jié)點(diǎn)的幾何距離這一條件充分考慮到選舉算法中，使距離sink節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，即靠近機(jī)艙兩端的節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率更小。

對(duì)于上述2點(diǎn)，本文擬從閾值T（n）進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，針對(duì)上述情況提出了新的T（n）計(jì)算公式如式（3）所示。

其中，p為簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目占總節(jié)點(diǎn)數(shù)目的百分比值，稱為簇頭期望值；G為最近1/p輪中未被選為簇頭的節(jié)點(diǎn)集合；Ke為與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)剩余能量相關(guān)的能量參數(shù)；Kd為與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的幾何距離相關(guān)的距離參數(shù)；a、b分別為Ke和Kd的權(quán)重系數(shù)，并且滿足關(guān)系a+b=1；mod為求余運(yùn)算。

3.2 Ke和Kd的確定

式（3）中的Ke是與能量相關(guān)的參數(shù)。簡(jiǎn)單而言，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剩余能量相對(duì)較少時(shí)，Ke值也應(yīng)較小，使得T（n）較小，使此節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭的概率更小，避免節(jié)點(diǎn)能量過(guò)早消耗殆盡，以此避免因能耗不均衡導(dǎo)致不能夠充分利用所部署的節(jié)點(diǎn)資源的情況出現(xiàn)。

簡(jiǎn)言之，Ke的值與節(jié)點(diǎn)剩余能量呈正相關(guān)。用Er表示節(jié)點(diǎn)剩余能量，E0表示節(jié)點(diǎn)初始能量，首先很容易想到一種方案，令Ke=kEr/E0，其中k為一個(gè)調(diào)節(jié)比例系數(shù)，這樣很容易讓能量參數(shù)Ke與節(jié)點(diǎn)剩余能量呈正相關(guān)。但是，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中節(jié)點(diǎn)相繼失效，當(dāng)存活節(jié)點(diǎn)剩余能量均不是很充足時(shí)，Ke均會(huì)過(guò)于偏小，體現(xiàn)在新閾值上就是閾值過(guò)于偏小，就會(huì)導(dǎo)致選出的簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目低于預(yù)期值，甚至出現(xiàn)一個(gè)簇頭都選不出的特殊情況。

考慮到所有節(jié)點(diǎn)的能量都呈逐漸減少的趨勢(shì)，故本文提出另一種方案：令Ke為剩余能量Er和所有存活節(jié)點(diǎn)平均剩余能量Eav的比值，具體見式（4）。

其中，Nalive為存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

由式（4）可以看出，在任何一輪中，各節(jié)點(diǎn)Ke分母的值均相同，Ke與剩余能量直接呈正相關(guān)，所以式（4）可以滿足所需要的Ke變化趨勢(shì)的要求。

同理，式（3）中的Kd是與幾何距離相關(guān)的參數(shù)。用DtoBS表示各節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的幾何距離，假定Kd為所有存活節(jié)點(diǎn)至sink節(jié)點(diǎn)幾何距離的平均值Dav與該節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)幾何距離DtoBS的比值，具體見式（5）。

從式（5）可以看出，在任何一輪中，Kd分子的值均相同，Kd與幾何距離直接呈負(fù)相關(guān)，式（5）可以滿足所需要的Kd變化趨勢(shì)的要求。

4 仿真分析

4.1 節(jié)點(diǎn)模型仿真分析

在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滿足式（2）時(shí)，覆蓋度可以達(dá)到100%（本文r=1.35 m，對(duì)應(yīng)感知半徑臨界值R=0.83 m）；當(dāng)R逐漸減少，覆蓋度隨之下降，如圖7所示。仿真結(jié)果表明了正四面體理論計(jì)算結(jié)果的正確性。當(dāng)R=0.83 m時(shí)，在誤差允許的范圍內(nèi)，可使得覆蓋度達(dá)到近乎100%，所以在后續(xù)研究傳輸協(xié)議的工作中，將感知半徑設(shè)定值大于0.83 m，即可保證初始覆蓋度滿足要求，故設(shè)定感知半徑為0.9 m。

圖7 覆蓋度隨感知半徑的變化曲線Fig.7 Curve of cover degree vs.sensing radio

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)所提方法的有效性進(jìn)行評(píng)估，提出以下評(píng)價(jià)指標(biāo)。

a.最佳運(yùn)行時(shí)間，即首次出現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。在沒(méi)有出現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)前，所有節(jié)點(diǎn)處于正常監(jiān)控狀態(tài)，此段時(shí)間是監(jiān)控系統(tǒng)的最佳運(yùn)行時(shí)間。所以在仿真中將記錄不同方案情況下監(jiān)控系統(tǒng)中首個(gè)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效的輪數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性能的對(duì)比分析。

b.系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)，即能夠滿足70%覆蓋度的時(shí)長(zhǎng)。依據(jù)文獻(xiàn)［20］，本文認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)覆蓋度降到70%以下時(shí)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面有效的監(jiān)控，所以在后續(xù)仿真過(guò)程中通過(guò)記錄不同情況下系統(tǒng)覆蓋度下降至70%的輪數(shù)來(lái)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行考察。需要說(shuō)明的是，覆蓋度的百分比值可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況靈活設(shè)定。

4.3 確定權(quán)重

首先對(duì)權(quán)重做一個(gè)簡(jiǎn)要分析：在出現(xiàn)第一個(gè)失效節(jié)點(diǎn)前，所有節(jié)點(diǎn)均正常工作，所以Kd對(duì)其無(wú)任何影響，Ke成為唯一的影響因素。顯然，隨著權(quán)重a值的增加，首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)刻勢(shì)必會(huì)相對(duì)較晚。但是過(guò)度考慮能量因素，未必可行，所以可以預(yù)測(cè)：隨著a值增加，首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻會(huì)先推遲，然后再緩慢提前。

對(duì)于權(quán)重a、b的選取，本文通過(guò)以下方式得出最優(yōu)權(quán)重解。a的取值為 0.1、0.2、…、0.9，基于 a+b=1的限制條件，對(duì)應(yīng)的 b取值為 0.9、0.8、…、0.1，將以上9組權(quán)重取值代入MATLAB平臺(tái)進(jìn)行仿真，根據(jù)首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻及監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度下降至設(shè)定的臨界百分值的時(shí)刻，進(jìn)一步考察監(jiān)控系統(tǒng)最佳運(yùn)行時(shí)間和系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)最大時(shí)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，進(jìn)而得出最適用于本文節(jié)點(diǎn)部署方案的最優(yōu)權(quán)重解。

對(duì)以上9組權(quán)重分別進(jìn)行仿真，記錄各自的首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的輪數(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度下降至70%的輪數(shù)，如圖8所示。

圖8 不同權(quán)重組合下的結(jié)果Fig.8 Results under different weight combinations

從圖8中可明顯看出 a=0.8、b=1－a=0.2 時(shí)，系統(tǒng)最佳運(yùn)行時(shí)間最大，系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)也最大，因此將此組權(quán)重作為本文方案的最優(yōu)權(quán)重。即將式（3）中 a、b 的權(quán)重設(shè)定為 a=0.8、b=0.2。由圖8所得折線可以看出，隨著a值的增加，首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻和監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度下降至70%的時(shí)刻大致呈現(xiàn)先逐漸推遲后緩慢提前的趨勢(shì)，與前述預(yù)測(cè)結(jié)論一致。而在整個(gè)過(guò)程中由于簇首節(jié)點(diǎn)選擇的隨機(jī)性，使得所得折線有所波動(dòng)。

4.4 仿真結(jié)果

本文中LEACH協(xié)議的各參數(shù)均按文獻(xiàn)［20］設(shè)置，具體參數(shù)如下：節(jié)點(diǎn)初始能量E0=2 J，發(fā)射單位報(bào)文損耗能量Etx=5×10-8J，接收單位報(bào)文損耗能量Erx=5×10-8J，自由空間能量 Efs=1×10-11J，衰減空間能量 Emp=1.3×10-15J，多路徑衰減能量 Eda=5×10-9J。仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)目仍為前文空間模型中部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)50。

a.節(jié)點(diǎn)剩余總能量。

對(duì)LEACH協(xié)議改進(jìn)后的系統(tǒng)剩余能量與改進(jìn)前的系統(tǒng)剩余能量的差值如圖9所示。由圖9可以看出，剩余能量差值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，表明此改進(jìn)協(xié)議在能量的總體宏觀調(diào)控方面有顯著的效果。當(dāng)達(dá)到3000多輪時(shí)，由于未改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)，處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)減少，能耗自然減少，而此時(shí)采用改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)都處于工作狀態(tài)，能耗大，所以能量差值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)：能量差值總是在4000輪左右時(shí)過(guò)零點(diǎn)，即表明在4000輪左右應(yīng)用改進(jìn)前、后協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)的剩余總能量達(dá)到一致。在3000輪后，由于改進(jìn)的協(xié)議考慮了能量均衡因此剩余的工作節(jié)點(diǎn)更多，使得其總能耗更大；在4000輪時(shí)，與未改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)失效情況達(dá)到一致，繼續(xù)運(yùn)行，改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)擁有的工作節(jié)點(diǎn)仍舊更多，必然耗能更快，能量差值為負(fù)值；最終能量均耗盡，其差值趨于0。圖9主要說(shuō)明的是相同數(shù)目節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，該改進(jìn)的LEACH協(xié)議能很好地宏觀調(diào)控系統(tǒng)的總能耗，做到能量的合理利用，延緩失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)。由圖9可知失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻延緩了962輪。

圖9 剩余能量差值Fig.9 Difference of residual energy

b.失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目。

利用改進(jìn)前的路由協(xié)議與改進(jìn)后的路由協(xié)議時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目的差值如圖10所示。仿真中重點(diǎn)關(guān)注5500輪之前的部分，原因是5500輪之后系統(tǒng)覆蓋度低于70%，不滿足初始設(shè)定，不作為參考。由圖10可以看出，當(dāng)覆蓋度下降到70%之前，利用改進(jìn)LEACH協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)，其失效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)比同等情況下未改進(jìn)協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)要少，最多有9個(gè)之差，對(duì)于由50個(gè)傳感器組成的系統(tǒng)而言，這就意味著18%的性能提升。對(duì)于圖10中曲線的趨勢(shì)變化，這里進(jìn)行簡(jiǎn)要的解釋：未改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)較改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)，其對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的控制不夠精準(zhǔn)，后者對(duì)于能量較低的節(jié)點(diǎn)有很好的保護(hù)效果，大幅降低了其成為能耗主要來(lái)源的概率，這就使得能量得到有效地均衡利用。由于通過(guò)上述方式盡量延長(zhǎng)了每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作壽命，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量接近極限時(shí)，只讓其成為普通節(jié)點(diǎn)，降低了監(jiān)控系統(tǒng)的能耗，所以，改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)失效輪數(shù)較未改進(jìn)協(xié)議系統(tǒng)更為集中。通過(guò)多次仿真發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)從4 000輪左右陸續(xù)失效。可以明顯看出，圖10中從4000輪開始，曲線開始下降，失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目差值減少。改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)失效輪數(shù)雖然出現(xiàn)較晚但相對(duì)較為集中，所以此時(shí)其節(jié)點(diǎn)失效速率較快，失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目差值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，直到某一負(fù)值為止，最終兩者失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目必然均為50，所以仿真最后階段又有回升趨勢(shì)，最終差值必然為0。

圖10 失效節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)差值Fig.10 Difference of account of failure nodes

c.覆蓋度。

圖11 覆蓋度差值Fig.11 Difference of cover degree

利用改進(jìn)后的路由協(xié)議與改進(jìn)前的路由協(xié)議時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度差值如圖11所示。仿真中重點(diǎn)關(guān)注5500輪之前的部分，原因是5500輪往后系統(tǒng)覆蓋度低于70%不滿足初始設(shè)定要求。從圖11中可明顯看出，改進(jìn)協(xié)議的系統(tǒng)其覆蓋度比改進(jìn)前的有所提升，尤其在4000～4400輪期間，覆蓋度的差值均在10%以上?？梢姡酶倪M(jìn)后LEACH協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)有良好的緩沖自愈作用，可以最大化監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。對(duì)于圖11中曲線趨勢(shì)變化情況，這里進(jìn)行簡(jiǎn)要解釋：曲線變化原因與失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化有很大程度的關(guān)聯(lián)性。圖10中失效節(jié)點(diǎn)數(shù)目差值在4000～5500輪急速下降，節(jié)點(diǎn)失效帶來(lái)的直接影響便是覆蓋度的下降，因此表現(xiàn)在圖11中，同樣地在4000～5500輪階段監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度急速下降。同時(shí)，由于監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行后期失效節(jié)點(diǎn)過(guò)多，所以改進(jìn)協(xié)議前后監(jiān)控系統(tǒng)的覆蓋度差值甚至出現(xiàn)了負(fù)值，但是此時(shí)改進(jìn)協(xié)議前后系統(tǒng)的覆蓋度均低于70%，該情況不在實(shí)際應(yīng)用范圍內(nèi)，只出現(xiàn)在仿真實(shí)驗(yàn)中。

d.關(guān)鍵階段。

分別將采用改進(jìn)前與本文提出的改進(jìn)路由協(xié)議且同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)距離情況下的監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵階段記錄于表1中［13-14］。同時(shí)，為了說(shuō)明本文所提方法的有效性，將現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量情況下的結(jié)果一并列出。表中每種情況下的結(jié)果均為對(duì)應(yīng)情況下仿真30次結(jié)果的平均值。

表1 改進(jìn)前后關(guān)鍵階段輪數(shù)Table 1 Round number of key stages before and after improvement

首先將采用改進(jìn)前協(xié)議與本文所提改進(jìn)路由協(xié)議同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)距離情況下的結(jié)果進(jìn)行比較。由表1中數(shù)據(jù)可知，采用改進(jìn)前協(xié)議的系統(tǒng)首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)輪數(shù)與覆蓋度下降至70%時(shí)的輪數(shù)分別為3069、5193；而采用改進(jìn)協(xié)議并同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)距離的監(jiān)控系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別為4031、5238?？梢?，改進(jìn)協(xié)議后系統(tǒng)首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)延緩了962輪，這就意味著利用本文改進(jìn)LEACH協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)其最佳運(yùn)行時(shí)間比改進(jìn)前延長(zhǎng)了31.35%；雖然覆蓋度下降至70%的輪數(shù)僅延遲了45輪，穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)提升不多，但截止至覆蓋度下降至70%前的過(guò)程，在同等運(yùn)行時(shí)間下，利用改進(jìn)LEACH協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)與改進(jìn)前相比，其覆蓋度均較高，這意味著系統(tǒng)的監(jiān)控性能更優(yōu)越。

然后將現(xiàn)有文獻(xiàn)中僅考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量與采用本文所提改進(jìn)路由協(xié)議同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)距離情況下的結(jié)果進(jìn)行比較。由表1中數(shù)據(jù)可知，采用僅考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量協(xié)議的系統(tǒng)首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的輪數(shù)與覆蓋度下降至70%時(shí)的輪數(shù)分別為3735、4770；而采用改進(jìn)協(xié)議并同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)距離的監(jiān)控系統(tǒng)首個(gè)失效節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)延緩了296輪，覆蓋度下降至70%的輪數(shù)延遲了468輪，穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了9.81%。這是由于同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量與節(jié)點(diǎn)距離時(shí)，盡量避免了節(jié)點(diǎn)之間長(zhǎng)距離的通信，進(jìn)一步地節(jié)約了節(jié)點(diǎn)能量并有利于節(jié)點(diǎn)能量的均衡利用。上述結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法在延長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)使用壽命上的有效性。

5 結(jié)論

本文從監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)部署方案與路由協(xié)議兩方面對(duì)風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建方法進(jìn)行研究，試圖使節(jié)點(diǎn)部署的數(shù)量最少以節(jié)約構(gòu)建成本，同時(shí)使節(jié)點(diǎn)的能耗能夠最大限度地均衡利用以延長(zhǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的使用壽命。本文提出了一種空間正四面體節(jié)點(diǎn)部署方案，該方案的思想是將正四面體理論與實(shí)際風(fēng)電機(jī)組部件的錯(cuò)落分布情況相結(jié)合，以突破二維平面節(jié)點(diǎn)部署監(jiān)控的局限性。在該部署方案的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的LEACH路由傳輸協(xié)議。仿真結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)路由協(xié)議對(duì)均衡監(jiān)控系統(tǒng)整體能耗、降低系統(tǒng)失效節(jié)點(diǎn)數(shù)及提高監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋度有顯著作用，使得系統(tǒng)最佳運(yùn)行時(shí)間增加了31.35%。本文的研究成果力圖為風(fēng)電機(jī)組無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建提供一種新的思路。

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