[发明专利]一种流域降水监测无线传感器网络节点优化布局方法

摘要

本发明涉及一种流域降水监测无线传感器网络节点优化布局方法，包括：相关性计算；回归分析；去冗余站点；增设站点；增设站点布局优化计算；相似度计算；得到站点布局最佳方案。本发明对传统抽站法进行改进，基于改进的抽站法对现有降水监测站点点进行站网分析，去除冗余站点，在此基础上直接考虑路网对站点布设可行性的限制，确定增设站点的备选区，在备选区上增设站点，综合利用目标变量降水量和经纬度、高程、坡度以及坡向等环境变量之间的相关关系，以回归克里格方差为目标函数建立站点布局优化模型，基于并行设计的模拟退火算法，通过高性能求解站点布局优化模型，实现降水监测站点的优化布局。

主权项

1.一种流域降水监测无线传感器网络节点优化布局方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：相关性计算的步骤：用于利用现有n个站点数据，以年平均降水量为目标变量，计算年平均降水量和环境变量之间的相关性，所述的环境变量包括：经度、纬度、高程、坡度、坡向；回归分析的步骤：用于选择和年平均降水量显著相关的环境变量和年平均降水量进行广义最小二乘回归分析，并计算回归残差的变异函数；去冗余站点的步骤：用于以组合站点和现有站点获取降水量分布的概率密度函数的相似度作为评价标准对现有降水监测站点进行站网分析，去除冗余站点，精简站点至m个；基于路网约束增设站点的步骤：用于考虑路网对站点布设可行性的限制，将距道路小于等于3公里的区域作为增设站点的备选区，基于去冗余后剩余m个站点，在备选区依次增设1个站点；增设站点布局优化模型建立的步骤：用于分别以m+1、…、m+N_n个站点的环境变量分别计算回归克里格方差，以回归克里格方差为目标函数建立站点布局优化模型；优化模型求解的步骤：基于并行设计的模拟退火算法，通过求解站点布局优化模型，对增设的1，2，…，N_n个站点进行优化布局；本步骤包括如下子步骤：子步骤1：初始化种群，在所有可布设站点位置进行编号：1、2、…、VarMax，从中随机选择N组站点，每组站点数为1，每组站点为一个种群，提取每个种群代表的站点处和目标变量显著相关的环境变量；子步骤2：计算各个种群的目标函数值，将目标函数值最小的种群定义为全局最优解，根据残差的变异函数和回归克里格方差计算公式，计算在去冗余剩余m个站点基础上增设每个种群中的1个站点情况下共m+1个样本点的估计回归克里格方差，选择回归克里格方差最小的种群为初始全局最优解；子步骤3：随机移动站点位置，进行种群更新，计算新种群的目标函数值，和进化前的种群目标函数进行对比，若新种群目标函数值小于进化前种群，则保留新种群，此时新种群为该种群的个体最优解，若新种群目标函数值大于等于进化前种群，为了保证模拟退火算法有很好的全局搜索能力，以概率P₀接受新种群；随机移动站点位置，进行种群更新，种群更新在MATLAB中采用并行设计，包括：根据计算机核数P对种群更新任务进行分解，分解思路：利用MATLAB matlabpool local P函数开启并行计算环境，生成P个workers，采用spmd并行结构，利用workers索引labindex将步骤1中初始化的N个种群分解，给每个worker分配部分种群，利用P个workers同时对种群进行更新；每次迭代后将P个workers种群进行合并，确定全局最优解，然后继续进行种群分解，利用P个workers对种群进行更新，循环迭代，实现种群更新的并行计算，并行计算效率采用加速比和加速效率进行衡量，公式如下：加速比：加速效率：式中，T_串行、T_并行分别代表串行优化和并行优化所需时间，P为workers的个数；根据公式0.1*VarMax*randn(n)进行种群位置更新，randn(n)生成n个[‑1,1]范围之间的随机数，若超出[1,VarMax]范围，则重新更新种群位置，直至新种群位于[1,VarMax]范围内；若新种群目标函数值大于等于进化前种群，为了保证模拟退火算法有很好的全局搜索能力，以概率P₀接受新种群，概率P₀计算公式如下：DELTA＝(newpop(i).Cost‑pop(i).Cost)/pop(i).CostP₀＝exp(‑DELTA/T_Iter)式中，newpop(i).Cost为进化后种群i的目标函数值，pop(i).Cost为进化前种群i的目标函数值，T_Iter为温度，并按下式衰减：T_Iter＝0.99*T₀式中，T₀为初始温度，T_Iter随迭代次数的叠加逐渐减小；概率P₀随着迭代次数增加会逐渐减小，局部搜索能力不断增强，使种群收敛于近似最优解；子步骤4：循环迭代，直至达到最大迭代次数，最终获取的全局最优解为最佳布设方案；相似度计算的步骤：用于计算增设站点优化布局后优化布局站点获取的年平均降水量分布概率密度函数和整个研究区域年平均降水量分布概率密度函数的相似度；得到站点布局最佳方案的步骤：用于根据所述增设1，2，…，N_n个站点和研究区降水分布的概率密度函数的相似度，选择相似度达到最大值时的站点数N_k，其中：N_k∈[N₁，N₂，…，N_n]，作为增设的最佳站点数，此时N_k个站点位置为研究区最佳降水监测站点布设方案。