王雅君 金文童

摘 要：文章基于物聯(lián)網(wǎng)的時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局進(jìn)行探討。對于物聯(lián)網(wǎng)的時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局研究主要從兩方面考慮：空間連續(xù)泥沙監(jiān)測和時間連續(xù)泥沙監(jiān)測。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)最優(yōu)需要建設(shè)費(fèi)用約束條件。從空間方面，需進(jìn)行空間密度優(yōu)化，形成初步布局方案，通過與現(xiàn)有方法比較去除多余節(jié)點(diǎn)，最終形成優(yōu)化布局方案；從時間方面，需進(jìn)行監(jiān)測頻率優(yōu)化，形成初步監(jiān)測方案，通過與現(xiàn)有方法比較修改監(jiān)測頻率，形成最終監(jiān)測方案，綜合優(yōu)化布局和優(yōu)化監(jiān)測方案，完成時空連續(xù)泥沙監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；泥沙監(jiān)測；一體化布局

我國幅員廣闊、江河眾多且水系復(fù)雜、南北水域泥沙含量差異較大，對重要河流水域含沙量進(jìn)行采集與管理是一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性工作，其測量方法、精度、范圍及其監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性，對河流的泥沙研究、泥沙整治等起到關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。伴隨自然環(huán)境變化與人類社會活動的發(fā)展，河流泥沙沖淤變化不定，含沙量動態(tài)變化加劇，采用現(xiàn)代化監(jiān)測手段建立河流水域監(jiān)測的傳感器覆蓋網(wǎng)，以完成河流含沙量是實(shí)時采集與匯總十分重要。

作為新興的研究領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)、射頻識別（Radio FrequencyIdentification，RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來并能進(jìn)行識別、定位和操控[1]。而物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括感知技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能處理與數(shù)據(jù)融合技術(shù)等[2]。考慮到一體化布局要求，可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)于各種水利信息化和水利業(yè)務(wù)管理的綜合體系，比如水利信息檢測與處理、水資源調(diào)度與管理、自然災(zāi)情監(jiān)測等。本文設(shè)計了基于“物聯(lián)網(wǎng)”背景下的時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局，重點(diǎn)研究了泥沙監(jiān)測無線傳感器覆蓋網(wǎng)優(yōu)化方法，考慮布局步驟，提出優(yōu)化方法，并提出能對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，完成時空連續(xù)泥沙監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化。

1 布局步驟

時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局主要考慮到河道范圍內(nèi)的河道形狀、水位流量特征、水下地形、水質(zhì)等因素影響，而不需要過多地分析河道范圍以外的各種控制因子。

（l）資料收集階段：首先需進(jìn)行流域分析，考慮影響整體流域因素，包括地形地貌、城市人口等；然后進(jìn)行自然水循環(huán)要素分析，考慮氣候類型、水環(huán)境、地下水、土壤等，重點(diǎn)考慮水文特征影響；最后進(jìn)行社會水循環(huán)要素分析，需考慮水利工程、水土保持等因素。

（2）優(yōu)化目標(biāo)階段：考慮到監(jiān)測范圍覆蓋全流域，需進(jìn)行空間約束；考慮到監(jiān)測網(wǎng)達(dá)到所需頻率，需進(jìn)行時間約束；考慮到監(jiān)測范圍考慮到監(jiān)測站數(shù)量最少，需使得監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用最低。

（3）優(yōu)化方法：空間上進(jìn)行空間密度的優(yōu)化；時間上進(jìn)行監(jiān)測頻率的優(yōu)化。

（4）布局方案：綜合、系統(tǒng)的分析流域相關(guān)資料，從時空連續(xù)泥沙監(jiān)測優(yōu)化要求，利用優(yōu)化算法，形成基于物聯(lián)網(wǎng)的時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局方案。水文參數(shù)如表1所示。

2優(yōu)化方法

目前對于含沙量的數(shù)據(jù)采集方法是在水域內(nèi)特定位置設(shè)置人工監(jiān)測或設(shè)備監(jiān)測，并定期收集含沙量數(shù)據(jù)，然后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。然而此方法的監(jiān)測點(diǎn)布置仍是按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行點(diǎn)狀分散布置，并沒有考慮到監(jiān)測點(diǎn)流域特征和環(huán)境因素以及設(shè)備運(yùn)行成本等。因此需進(jìn)行綜合分析對流域監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)進(jìn)一步合理優(yōu)化。遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）是～類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律演化而來的隨機(jī)搜索算法[2]?？紤]到遺傳算法在多元函數(shù)的優(yōu)化問題、機(jī)器識別和組合優(yōu)化上有優(yōu)勢[3]，采用對以往物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)布線依靠目視及經(jīng)驗(yàn)，而非精細(xì)化布置的問題，從最小化布線成本出發(fā)，構(gòu)建最小路徑模型，并利用遺傳算法良好的收斂性和較強(qiáng)的全局快速尋優(yōu)能力，通過編碼運(yùn)算，解決最佳布線路徑的問題。

2.1建立最小路徑模型

為了方便計算和建立最小路徑模型，把研究的對象轉(zhuǎn)換到平面坐標(biāo)系中，進(jìn)行等比例縮放。設(shè)平面空間節(jié)點(diǎn)中有n個采集點(diǎn)，定義S為二維平面空間傳感器節(jié)點(diǎn)集合：

S=d1，d2，…，dn，

則問題歸結(jié)為求：

L={L∈SELECT（S）u mix∑d（dx，dx -l）}

針對物聯(lián)網(wǎng)傳感器布線非精確定量布置的問題，從節(jié)點(diǎn)之間的最小路徑出發(fā)，優(yōu)化了傳感器節(jié)點(diǎn)的布線，從空間上實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)布線的成本降低。這里可分別計算在開啟或關(guān)閉該傳感器節(jié)點(diǎn)的情況下，對所有已經(jīng)開啟的傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的含沙量數(shù)據(jù)差異進(jìn)行評估，則可以選取能反映局部區(qū)域水文環(huán)境下的開啟傳感器組合作為節(jié)點(diǎn)分布的最優(yōu)組合。

2.2最優(yōu)頻率模擬函數(shù)思路——時間序列算法

對大數(shù)據(jù)含沙量進(jìn)行挖掘，找出最優(yōu)監(jiān)測頻率解，首先要了解數(shù)據(jù)流模型[4]。這里可借鑒新思路[5].數(shù)據(jù)M可看作是由連續(xù)不斷地到達(dá)的數(shù)據(jù)組成的動態(tài)增長的數(shù)據(jù)集，即M={a1，a2，…，ai，….aj，…}，其中ai為數(shù)據(jù)，如果j>i，則ai先于aj，到達(dá)；如果U-il=l，則ai與aj相鄰?？梢愿鶕?jù)ai的描述不同，對于監(jiān)測頻率的模型可以用時間序列算法模擬。

模擬方法的實(shí)現(xiàn)是在滿足事先給定的數(shù)據(jù)流插值誤差均方差臨界值的前提下設(shè)計的最低的監(jiān)測網(wǎng)密度。具體方法是：在計算的插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差高于臨界值的區(qū)域時，增加新的監(jiān)測傳感器；而在計算的插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差低于臨界值的區(qū)域，去除老的監(jiān)測傳感器，直至全區(qū)計算的插值誤差標(biāo)準(zhǔn)差逼近臨界值，這時設(shè)計的監(jiān)測網(wǎng)為最優(yōu)的監(jiān)測網(wǎng)。

對于時間序列分析法，該方法提供了優(yōu)化監(jiān)測頻率的定量標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測頻率的確定取決于頻率的周期特征、隨機(jī)變量特征和趨勢特征。高頻率的周期波動只有用高頻率的觀測才能監(jiān)測到；隨機(jī)變量特征則包括時間相關(guān)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)差，時間相關(guān)結(jié)構(gòu)用時間序列的自相關(guān)函數(shù)描述，泥沙監(jiān)測時間序列自相關(guān)越高，監(jiān)測頻率越低，標(biāo)準(zhǔn)差越大，隨機(jī)干擾則越多，所需要的監(jiān)測頻率越高；對于趨勢特征，趨勢越大，統(tǒng)計檢驗(yàn)出趨勢的概率越高，因此，用較低的監(jiān)測頻率即可得到目標(biāo)解[6]。這樣即可根據(jù)最大特征頻率，優(yōu)化河流泥沙監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布和覆蓋網(wǎng)。通過監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)適度值的比較最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)的優(yōu)化選取。

這里所稱的監(jiān)測網(wǎng)包括戰(zhàn)略監(jiān)測網(wǎng)和運(yùn)營監(jiān)測網(wǎng)，從而組成一個統(tǒng)一的河流泥沙監(jiān)測網(wǎng)。在這個統(tǒng)一的泥沙監(jiān)測網(wǎng)中，低密度的戰(zhàn)略監(jiān)測傳感器提供區(qū)域泥沙含量值，局部高密度的運(yùn)營監(jiān)測傳感器進(jìn)行監(jiān)測整體布局局部。把監(jiān)測網(wǎng)劃分為戰(zhàn)略監(jiān)測網(wǎng)和運(yùn)營監(jiān)測網(wǎng)也便于對監(jiān)測網(wǎng)分級管理。

使用遺傳算法可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)化地將河流流域泥沙監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為多目標(biāo)化地傳感器覆蓋網(wǎng)規(guī)劃問題，通過此計算方法思想，進(jìn)行相關(guān)系列遺傳算法操作，并且通過泥沙監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)適度值的比較從而最終實(shí)現(xiàn)泥沙監(jiān)測傳感器覆蓋網(wǎng)的優(yōu)化方案。

3結(jié)語

使用遺傳算法分別從空間上和時間上解決了河流泥沙監(jiān)測無線傳感器分布網(wǎng)的最終優(yōu)化方案。從空間密度優(yōu)化和監(jiān)測頻率優(yōu)化上，形成了最終優(yōu)化布局和優(yōu)化監(jiān)測方案，完成時空連續(xù)泥沙監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化。構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的時空連續(xù)泥沙監(jiān)測一體化布局。“全國水利發(fā)展十三五規(guī)劃”提出的泥沙監(jiān)測的現(xiàn)代化和信息化建設(shè)提供了新思路。

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