李 容，周 燕

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

1 引言

當(dāng)前，能源消耗量逐漸增加，交通業(yè)、工業(yè)以及建筑業(yè)所消耗的能量是現(xiàn)代社會(huì)中主要的能源消耗行業(yè)[1]。其中，建筑業(yè)在目前社會(huì)中的發(fā)展?jié)摿^大，目前社會(huì)中存在的能源無(wú)法滿足建筑業(yè)未來(lái)發(fā)展中所消耗的能源，在上述背景下亟需減少能源消耗量[2]。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)能減排方案與傳統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)相比，具有科學(xué)決策、泛在感知、可監(jiān)可測(cè)、精準(zhǔn)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的量化處理、保障數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目陀^性、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理是智慧能源管控系統(tǒng)在未來(lái)工作中的重點(diǎn)，因此對(duì)智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集具有重要意義。

張美燕[3]等人劃分無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，獲得多個(gè)聚類區(qū)間，且聚類區(qū)間之間不存在重疊區(qū)域，在聚類區(qū)間內(nèi)通過(guò)最小生成樹(shù)路由方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)Dubins曲線實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和訪問(wèn)，該算法采集的數(shù)據(jù)中包含大量的冗余數(shù)據(jù)，增大了算法的通信開(kāi)銷。陳琪[4]等人在數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上劃分節(jié)點(diǎn)，獲得若干個(gè)簇，并將節(jié)點(diǎn)分級(jí)思想應(yīng)用在簇內(nèi)，支持?jǐn)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，在網(wǎng)絡(luò)最短路徑中利用移動(dòng)采集器對(duì)網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，獲取簇頭節(jié)點(diǎn)中存在的數(shù)據(jù)，該算法無(wú)法消除數(shù)據(jù)中存在的冗余數(shù)據(jù)，導(dǎo)致算法的時(shí)間開(kāi)銷過(guò)大?；魨榌5]等人通過(guò)逐點(diǎn)插入法在網(wǎng)絡(luò)中建立維諾圖，對(duì)路網(wǎng)空間進(jìn)行分割處理，通過(guò)隨機(jī)擾動(dòng)方式在不同空間的維諾格中采集數(shù)據(jù)，該算法采集的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，存在誤差大的問(wèn)題。

為解決上述算法存在的問(wèn)題，提出智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法。

2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法

本次研究提出的智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法，利用樹(shù)型層次模型采集智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1)樹(shù)型層次模型構(gòu)建

中間節(jié)點(diǎn)在智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集過(guò)程中對(duì)輸入的多個(gè)數(shù)據(jù)包聚合處理，獲得一個(gè)輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)不同傳感器節(jié)點(diǎn)采集的能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間存在關(guān)聯(lián)性時(shí)，為降低網(wǎng)絡(luò)能量資源的浪費(fèi)，可以對(duì)其聚合處理，降低網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)[6，7]。

設(shè)置系統(tǒng)生存周期T，描述在能量消耗完畢時(shí)第一節(jié)點(diǎn)中存在的時(shí)間單元總數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)收集調(diào)度機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中存在的能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)基站中，T個(gè)定向樹(shù)構(gòu)成的集合即為一個(gè)調(diào)度周期，基站中存在定向樹(shù)對(duì)應(yīng)著根節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)絡(luò)中傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)成剩余樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，調(diào)度下的系統(tǒng)存活周期即為調(diào)度的生存周期，因此數(shù)據(jù)收集調(diào)度與系統(tǒng)存活周期之間存在聯(lián)系。最大化生存周期，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量資源是智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集的主要目標(biāo)。

在傳感器節(jié)點(diǎn)能量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集調(diào)度S，所有節(jié)點(diǎn)在智慧能源能耗監(jiān)測(cè)過(guò)程中都具有如下能量約束

(1)

式中，fi，j表示節(jié)點(diǎn)i在調(diào)度S中傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)j內(nèi)的所有數(shù)據(jù)包，Ti，j表示在調(diào)度S中節(jié)點(diǎn)i的生存周期；xi代表節(jié)點(diǎn)i；R代表節(jié)點(diǎn)剩余能量。

數(shù)據(jù)流網(wǎng)G=(V，E)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集調(diào)度S之間相對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)流網(wǎng)G通常情況下由存在傳輸容量fi，j的邊(i，j)以及所有傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，且容量fi，j的值大于零。

(2)

其中，第一條和第二條約束為傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中的守恒規(guī)律；第三條約束表示邊在數(shù)據(jù)流網(wǎng)中傳輸容量的約束；最后一條表示數(shù)據(jù)流通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)k到達(dá)基站的約束。

線形規(guī)劃模型當(dāng)上述約束中的變量都為正實(shí)數(shù)時(shí)可以獲得最優(yōu)數(shù)據(jù)流網(wǎng)，且存在最大生存周期。

利用子樹(shù)在最優(yōu)數(shù)據(jù)流網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)收集樹(shù)A。初始樹(shù)在數(shù)據(jù)流網(wǎng)中只存在一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，如果在聚合子樹(shù)節(jié)點(diǎn)中不存在節(jié)點(diǎn)i，其中中節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)j，且邊e對(duì)應(yīng)的傳輸量f最小，此時(shí)在聚合子樹(shù)中引入邊e，通過(guò)聚合子樹(shù)獲取能耗節(jié)點(diǎn)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[8，9]。

2)建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集聚合樹(shù)

用定向圖G(N，A)描述傳感器網(wǎng)絡(luò)，Sink節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的集合用N表示，用ID∈{1，2，…，|N|}標(biāo)記網(wǎng)絡(luò)中存在的傳感器節(jié)點(diǎn)，其中Sink節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的ID標(biāo)為0，定向圖G(N，A)中的A={(i，j)}表示定向邊集合，定向邊在網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)連接傳感器節(jié)點(diǎn)，用wij(wij=wji)描述邊(i，j)對(duì)應(yīng)的權(quán)值，T=(N，A′)代表Sink節(jié)點(diǎn)在根節(jié)點(diǎn)G基礎(chǔ)上構(gòu)成的定向生成樹(shù)；A′代表定向邊集合A的子集。

樹(shù)形結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，網(wǎng)絡(luò)圖中存在的生成樹(shù)可以用來(lái)表示圖中存在的最小連通結(jié)構(gòu)，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i在樹(shù)型結(jié)構(gòu)中均存在通往Sink節(jié)點(diǎn)的路徑。

若傳感器網(wǎng)絡(luò)G使用的路由結(jié)構(gòu)受時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)G中的路由處于靜態(tài)模式。否則數(shù)據(jù)路由結(jié)構(gòu)在能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中隨時(shí)間發(fā)生變化，此時(shí)路由在網(wǎng)絡(luò)G中處于動(dòng)態(tài)模式，用{T(t)}描述數(shù)據(jù)收集樹(shù)。

(3)

設(shè)Ri(t)代表在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集輪回t中節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的剩余能量，如果數(shù)據(jù)路由模式在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中為動(dòng)態(tài)方式，則節(jié)點(diǎn)i經(jīng)過(guò)t輪數(shù)據(jù)收集后的剩余能量Ri(t)可通過(guò)下式計(jì)算得到

(4)

式中，Ri(0)代表節(jié)點(diǎn)初始能量。

如果網(wǎng)絡(luò)G在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中應(yīng)用靜態(tài)路由模式，則節(jié)點(diǎn)i在樹(shù)T中的生存時(shí)間li可通過(guò)下式計(jì)算得到

(5)

(6)

邊的生存時(shí)間lij可通過(guò)邊在樹(shù)中的權(quán)值wij進(jìn)行描述，即wij=lij。通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)收集路由樹(shù)的構(gòu)建。

(7)

數(shù)據(jù)收集樹(shù)在初始構(gòu)建時(shí)只存在一個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，可用無(wú)窮量∞描述該節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間[10]，此時(shí)邊對(duì)應(yīng)的權(quán)值可通過(guò)下式計(jì)算得到

(8)

在數(shù)據(jù)收集樹(shù)中加入最大權(quán)值wij對(duì)應(yīng)的邊，直到網(wǎng)絡(luò)中存在的全部節(jié)點(diǎn)都存在于樹(shù)中，完成數(shù)據(jù)收集樹(shù)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。

3 數(shù)據(jù)重構(gòu)

獲取智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集結(jié)果后，為優(yōu)化數(shù)據(jù)質(zhì)量，下面對(duì)其完成重構(gòu)。設(shè)存在N個(gè)滿足稀疏模型的原始信號(hào)x1，x2，…，xN，可通過(guò)下述公式描述信號(hào)之間存在的相關(guān)性

(9)

式中，z1，z2，…，zN代表信號(hào)中存在的特有部分；zc代表信號(hào)中存在的公共稀疏部分。

采用DCS算法對(duì)信號(hào)x1重構(gòu)時(shí)，將信號(hào)x1的測(cè)量值向量x1φ1和測(cè)量矩陣φ1作為譯碼端的輸入，譯碼端中信號(hào)x2，x3，…，xN對(duì)應(yīng)的輸入為φ2，φ3，…，φN。

設(shè)r1，r2，…，rN代表DCS重構(gòu)算法中譯碼端輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的初始迭代余量，其表達(dá)式如下：

(10)

對(duì)智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)的具體步驟如下：

1)傳感器節(jié)點(diǎn)在LEACH協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行分簇，獲得簇頭。設(shè)置閾值T(n)，如果T(n)大于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，則將其作為簇頭，閾值T(n)可通過(guò)下式計(jì)算得到

(11)

式中，p為有機(jī)會(huì)成為簇頭的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；G代表非簇頭節(jié)點(diǎn)在前r輪中構(gòu)成的集合；r代表輪數(shù)。

2)向簇頭傳輸簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)中存在的信息，并通過(guò)原始測(cè)量矩陣對(duì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行編碼處理。

3)通過(guò)正交匹配追蹤算法在匯聚節(jié)點(diǎn)中對(duì)信息進(jìn)行重構(gòu)處理[12]，其余信號(hào)的邊信息即為所得的估計(jì)值。

4)通過(guò)邊信息對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)編碼過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

5)在匯聚節(jié)點(diǎn)中聯(lián)合重構(gòu)節(jié)點(diǎn)中存在的能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重構(gòu)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法的整體有效性，需要對(duì)智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法進(jìn)行測(cè)試。分別采用智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法(算法1)、基于Dubins曲線的無(wú)線傳感網(wǎng)聚類移動(dòng)數(shù)據(jù)采集算法(算法2)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)輔助的數(shù)據(jù)采集效率優(yōu)化研究(算法3)進(jìn)行性能測(cè)試。

1)通信開(kāi)銷

設(shè)OHhier-d代表數(shù)據(jù)采集的通信開(kāi)銷，其計(jì)算公式如下

(12)

通信開(kāi)銷OHhier-d在區(qū)間[0，1]內(nèi)取值，算法1、算法2和算法3的數(shù)據(jù)采集通信開(kāi)銷如下

根據(jù)圖1中的數(shù)據(jù)可知，采用算法1對(duì)能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，經(jīng)過(guò)6min后算法采集數(shù)據(jù)所用的時(shí)間不再發(fā)生變化，保持穩(wěn)定，采用算法2和算法3對(duì)能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)以上兩種算法的通信開(kāi)銷不斷增加，通過(guò)上述分析可知，算法1的通信開(kāi)銷優(yōu)于算法2和算法3的通信開(kāi)銷，因?yàn)樗惴?在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)重構(gòu)，消除了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中存在的冗余數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)傳輸量，進(jìn)而降低了算法1的通信開(kāi)銷。

圖1 不同算法的通信開(kāi)銷

2)時(shí)間開(kāi)銷

設(shè)timehier-d代表采集數(shù)據(jù)的時(shí)間開(kāi)銷，其計(jì)算公式如下

(13)

算法1、算法2和算法3采集能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間開(kāi)銷如下

圖2 不同算法的時(shí)間開(kāi)銷

分析圖2可知，在多次時(shí)間開(kāi)銷測(cè)試過(guò)程中，算法1采集能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間開(kāi)銷在0.5s上下波動(dòng)，算法2采集能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間開(kāi)銷在1.0s～1.5s內(nèi)波動(dòng)，最大時(shí)間開(kāi)銷為1.5s，采用算法3采集能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷波動(dòng)較大，且高達(dá)2.0s。對(duì)比上述算法的測(cè)試結(jié)果可知，算法1采集能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間開(kāi)銷最低。

3)誤差

將誤差作為指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)算法1、算法2和算法3的整體數(shù)據(jù)采集性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同算法的數(shù)據(jù)采集誤差

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，采用算法1對(duì)不同類型的能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，誤差均在0.04以內(nèi)，對(duì)能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集精度不產(chǎn)生影響，采用算法2和算法3對(duì)不同類型的能源能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，誤差分別在0.1和0.2左右，遠(yuǎn)高于算法1的誤差，會(huì)對(duì)能源能耗數(shù)據(jù)的采集精度產(chǎn)生影響。通過(guò)上述分析可知，算法1可精準(zhǔn)地完成智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為我國(guó)支柱行業(yè)之一，建筑業(yè)在使用和建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的能源消耗。通過(guò)采集能源能耗數(shù)據(jù)可以有效地實(shí)現(xiàn)能源監(jiān)測(cè)。提出智慧能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集算法，通過(guò)在采集過(guò)程中重構(gòu)能源能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)算法存在的問(wèn)題，為節(jié)能減排措施的制定提供了相關(guān)依據(jù)。