通信工程毕业论文_基于GUROBI的水面无线传感器网络优化部署研究.docx

1、本科毕业论文（20 届）基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要近年来，我国提出“一带一路”的海洋发展战略，显现出对于海洋权益、海上经贸发展等方面的重视。然而，随着海洋开发的深入，海洋环境正面临着多方面的威胁。水面溢油就是海洋环境污染的典型代表之一。以往人们普遍利用卫星、航空器、船舶等对水面进行监测，但这些方法都有各自的局限性。而无线传感器网络具有众多独特的优势，包括部署方便、自组织性强、无人值守、全天候监控、成本低廉等。本文针对无线传感器网络在水面溢油监测场景下的应用展开研究。本文面向两种网络架

2、构，一种是三层基础网络架构（3-SWSN） ，另一种是基于 Cluster 的四层网络架构（4-SWSN） ，采用线性求解器 GUROBI 完成无线传感器网络的优化部署。两种网络架构的数学模型均以成本最小为优化目标，同时考虑了目标区域覆盖率、网络连通性以及能量消耗等限制条件。优化部署问题的研究过程主要包括问题描述、数学模型建立、典型场景验证以及整数线性规划求解。线性求解器 GUROBI 对数学模型求解后，MATLAB 软件将网络布局的优化结果直观地展示出来。本文针对每一种网络架构都选取了两个典型场景来检验其数学模型的正确性，实验结果验证了数学模型的有效性。此外，仿真实验分别模拟了岸基和海上平台

3、周围水域的中大规模无线传感器网络部署，仿真实验的结果显示了两种网络架构的数学模型的可行性。关键词：无线传感器网络；优化部署；整数线性规划；GUROBIAbstractIn recent years, China has proposed a marine development strategy named “One Belt One Road”, showing its strong interest in maritime rights, seaborne trade, etc. Nevertheless, the marine environment is facing heighten

4、ed threats with the further exploitation of marine resources. And oil spill is a typical representative of marine pollution. The conventional tools used by technicians contain satellites, aircraft and ships, but these tools have their own limitations. However, wireless sensor network has many unique

5、 advantages including convenient deployment, strong self-organization ability, less labor consumption, all-time monitoring, low costs, etc. As a consequence of all these factors, this thesis researches on the application of wireless sensor network in oil spill monitoring.This thesis focuses on two d

6、ifferent network architectures, one is three-layer basic network architecture(3-SWSN), the other is four-layer network architecture based on cluster(4-SWSN), then adopts a linear solver GUROBI to complete the optimized deployment of wireless sensor networks. Both of the two network architectures tak

7、e the minimum costs as the optimization objective and consider the constraints including target area coverage, network connectivity and energy consumption. The research procedures of optimized deployment issues comprise problem description, mathematical model formulation, typical scenes verification

8、 and integer linear programming computation. After solving the mathematical model through GUROBI, MATLAB software indicates the optimized results of network layouts clearly. Furthermore, the thesis makes use of two typical scenes to verify the correctness of each mathematical model and the experimen

9、tal results confirm its effectiveness. In addition to that, the simulation experiments study medium-scale and large-scale wireless sensor network deployments of the target area surrounding the seashore and offshore platform respectively, the results of which illustrate the feasibility of mathematica

10、l models of the two network architectures.Keywords: wireless sensor network, optimized deployment, integer linear programming, GUROBI目 录第 1 章 绪论 .11.1 论文研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文的主要工作 .41.4 本文的组织结构 .4第 2 章 无线传感器网络（WSN）覆盖问题相关研究 .62.1 无线传感器网络 .62.1.1 无线传感器网络概述 .62.1.2 无线传感器网络的特点 .82.1.3 无线传感器网络的关

11、键技术 .102.2 传感器节点 .122.2.1 传感器节点感知模型 .122.2.2 传感器节点部署方案 .132.3 无线传感器网络的挑战 .142.4 本章小结 .15第 3 章 水面无线传感器网络基础架构（3-SWSN）优化部署 .163.1 WSN 优化问题求解方法 .163.1.1 整数线性规划概述 .163.1.2 GUROBI 介绍及求解过程 .173.2 网络架构模型 .233.3 问题描述及假设 .243.4 数学建模 .253.4.1 变量及参量设定 .253.4.2 3-SWSN 的数学模型 .263.5 3-SWSN 模型验证 .273.5.1 场景验证一 .273

12、.5.2 场景验证二 .293.6 基于线性求解器的 3-SWSN 问题求解 .313.7 本章小结 .34第 4 章 基于 Cluster 的水面无线传感器网络（4-SWSN）优化部署 .354.1 网络架构模型 .354.2 问题描述及假设 .364.3 数学建模 .374.3.1 变量及参量设定 .374.3.2 4-SWSN 的数学模型 .394.4 4-SWSN 模型验证 .404.4.1 场景验证一 .404.4.2 场景验证二 .424.5 基于线性求解器 GUROBI 的 4-SWSN 问题求解 .444.6 本章小结 .47结 论 .48参 考 文 献 .49致 谢 .51基

13、于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究1基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究第 1 章 绪论1.1 论文研究背景及意义21 世纪海上丝绸之路是 2013 年 10 月中国国家主席习近平访问东盟国家时提出的战略构想。该计划意在通过航海贸易带来合作共赢、促进不同文化的碰撞与交融，凸显了中国发展海洋的坚定决心。2014 年的中国海洋发展报告同样强调了建设海洋强国的重要性，报告指出目前中国经济正处于转型期，海洋资源开发是推动经济发展的一个良好机遇。然而，全面推进海洋战略实施的同时，中国海洋灾害发生的几率将越来越高，特别是石油、化工等产业加快沿海布局，而沿海城市人口相对密集，

14、这就进一步增加了海洋灾害的风险。近年来，我国在近海石油开采方面发展迅速，可是石油开采设备却出现不同程度的故障和老化，使得水面溢油逐渐成为我国最常见的海洋灾害之一。2010 年 4 月20 日美国墨西哥湾一处石油平台发生爆炸，随后发生原油泄漏事故，事发 15天后补救措施仍未有效遏制溢油，日均漏油多达五千桶，污染的水域面积超过一万平方公里，事故造成巨大的环境和经济损失。同年 7 月中石油大连输油管道发生原油起火和原油入海，导致上万吨原油泄漏，大面积海洋受到污染。不仅石油平台可能发生原油泄漏，船舶溢油事故也时有发生，水面溢油严重污染海洋环境。水面溢油对海洋环境的危害是多方面的。首先，水面溢油会对一些

15、动物和海洋浮游生物造成影响。一部分水面溢油被浮游生物吸收，而浮游生物自身对原油十分敏感，因此水面溢油威胁到浮游生物的生存。同时，水面的油膜会阻碍浮游植物进行光合作用。当浮游生物受到污染时，高级海洋生物会因食用浮游生物而间接摄入原油，使得脏器受损。另外，鸟类接触油膜后，其羽毛浸入原油而无法保温和防水。其次，水产养殖也会受到水面溢油的影响。溢油使得养殖鱼类体内毒素聚集而无法食用，养殖海参、海带等受到污染，养殖所用的网箱难于清洁，这将给渔业从业人员带来沉重损失。此外，水面溢油会对海岸和码头构成威胁。海滨浴场可能受到溢油污染而直接影响当地旅游业，码头周围的游艇被溢油污染后需要高额成本来进行清理。由上述

16、危害可知，水面溢油严重影响海洋生态环境，同时带来一系列的经基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究2济损失。因此，及时发现水面溢油并对其进行监测和控制显得异常重要。水面溢油的监测办法通常包括卫星遥感、航空监测、船舶监测等。这些常用的监测手段，有的成本高昂，有的受到天气条件的限制，还有的覆盖面积过小、连续性不佳，因此需要一种功能强大而又全面的新技术应用于水面溢油监测。无线传感器网络因其众多独特的优势而适合监测水面溢油。现代信息技术如无线通信、传感器技术等的高速发展使得无线传感器网络的广泛应用成为可能。无线传感器网络部署方便、成本低廉，在无人值守环境中可连续准确地进行目标监测、信息采集

17、等工作。目前，无线传感器网络相关技术渐趋完善，能够实时监测油气成分的传感器的研制奠定了无线传感器网络应用于水面溢油监测的技术基础。从上述调研背景可以看出，将无线传感器网络应用于水面溢油监测是一个明智的选择，它不仅能节省人力成本、进行全天候监控，而且其组网性能良好、部署方便。确定了监测水面溢油的方法，接下来如何使网络部署成本最小成为首要的问题，为此引入国际先进的线性求解器 GUROBI 对网络进行优化。在满足水域覆盖率、网络连通性、能量消耗等诸多要求的情况下，GUROBI 优化后得到的结果成本最小。也就是说，我们利用 GUROBI 完成了优化部署，同时网络能够很好地完成对水面溢油状况的监测。1.

18、2 国内外研究现状水面溢油严重污染了水环境，因而研究水面溢油监测技术对水体保护具有十分重要的意义。目前，国内外水面溢油监测主要依靠如下几个方面的技术：船舶监测、航空监测、卫星监测、CCTV 视频监测、浮标监测等 1-4。首先将水面溢油监测技术的国内外研究现状介绍如下：（1） 船舶监测船舶监测是指运用船载雷达和信息处理装置实现对水面溢油的监测。美国、加拿大等一些发达国家于 1980 年左右开始应用航海雷达监测水面溢油。加拿大在雷达监测方向开展过成功的实验，研究人员将两个类型和功率均不同的航海雷达装载在不同的船舶，两个雷达相互配合监测水面溢油情况，最终实验取得了良好的效果，后续开展的实验还将船载雷

19、达和岸基雷达结合到了一起。我国在雷达监测方面起步较晚、雷达性能欠佳，但目前已研制出以水面溢油监测为目标的船舶。同时，国内的高校如大连海事大学也一直在进行相关研究。船舶监测的特点是具有较强的机动能力，满足全时段水面溢油监测，不受基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究3气候变化的影响，为水面溢油的监测处理提供及时准确的信息。（2） 航空监测航空监测通常包含航空观测和遥感监测两种方式。航空器上装载具有遥感功能的传感器，在空中实现大范围的连续监测。航空遥感普遍采用的技术有激光遥感、红外遥感、合成孔径雷达等，其中激光遥感可分辨溢油类别和无溢油水域，红外遥感则花费较少。有调查研究表明，欧美国

20、家已全部利用航空遥感手段实现对水面溢油的监测。二十世纪九十年代末，挪威已经部署双螺旋飞机用于海面监测，由此成为最早应用航空遥感的国家之一。自 2006 年起，我国开始系统地研究航空遥感技术，并于 2008 年投入使用了大连海事大学牵头研制的水面溢油监测系统。航空监测工作效率高、空间分辨能力强，可以实时监测大范围水域。当发现水面存在溢油情况时，航空监测可及时准确地提供监测信息，有利于损失评估和溢油处理等工作的开展。（3） 卫星监测卫星监测与航空监测类似，不同之处在于其将遥感传感器置放于卫星上，通过传感器接收地表信息，然后对接收到的信息进行分析处理实现对水面溢油的监测。调查显示，全球范围内超过四成

21、国家选用合成孔径雷达进行遥感监测。近年来，我国在卫星监测领域开展了大量研究，研究重点是卫星监测信息的分析处理以及对水面溢油的分辨。卫星遥感能够实现大范围的水面监测，可以实时连续地处理监测到的信息，同时给出水面溢油区域的宏观图像。（4） CCTV 视频监测CCTV 通过反射红外波段和可见光完成遥感监测，目前国内外均有与其相关的应用经验。CCTV 监测系统部署在港口水域，利用摄像机等对目标水域进行监测，有时也会应用到先进的工业电视系统。作为中国海事领域最前沿的监控系统，烟台港 CCTV 总共部署了 3 个拍摄点，可以监控航道、码头以及港口内的船只等。CCTV 视频系统的操作人员通过部署的摄像机可以

22、实时察看现场的作业情况，并且能够控制摄像机记录相关信息，然后将其搭载在微波上传送至控制中心进行处理和存储。（5） 浮标监测基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究4浮标可以被部署在水面或水下，水面浮标和水下浮标承担不同的任务，如水面浮标可采集风速、水下浮标能测量水温。然而，目前全球仅有几个国家能够研制生产专用于水面溢油监测的浮标。日本研制出一款针对溢油追踪的浮标，它能够自动搜寻水面溢油区域。这款浮标首先判断周围环境是否出现溢油，如果没有溢油则自动沉入水中，然后利用自身携带的摄像机捕捉水面油污投射在水下的阴影，进行跟踪和反馈。二十一世纪初，我国在青岛附近海域进行了基于浮标的溢油监测试

23、验。在本次试验中，研究人员在预定位置部署浮标，随后浮标开始对目标水域进行监测，陆上控制中心在两个多小时后收到了监测到的数据。尽管浮标实现了预期的目标，但从本次试验可以看出浮标的位置是固定的，无法自动跟踪溢油，所以该技术仍需进一步完善。上述的溢油监测方法均有其自身的局限性。西方发达国家普遍采用卫星和航空手段监测水面溢油，然而卫星监测的空间分辨能力不强、重复监测时间长，航空监测成本较高、易受到气候和环境条件的影响。尽管船舶监测手段能够在夜间对水面进行监测，但船上巡视人员往往在白天开展巡视工作，因此该方法不适宜夜间监测。CCTV 视频监测方面，我国在核心技术（如图像传感器等）上还有所欠缺，亟待提高。

24、而浮标方法很难实现对水面溢油的跟踪监测。因此，需要功能强大的新技术应用于水面溢油的监测。本文由此提出将无线传感器网络应用于水面溢油监测。无线传感器网络具有很多优势，包括成本低廉、可大规模部署、自组织性强、扩展能力突出等。在无人值守的环境中，传感器节点可以根据预定协议自组织形成一个网络来监测目标水域、采集数据信息，能够连续高精度地开展监测活动，同时不受环境和气候的影响。接下来，简要说明国内外有关无线传感器网络的覆盖问题的研究情况。文献5中，研究人员计算了无线传感器网络在随机部署情况下的最大覆盖率和最小覆盖率，同时给出线性网络达到最大覆盖率的优化部署方法，需要注意的是此方法仅适宜监测移动目标。文献

25、6将目标区域划分成若干网格来计算覆盖率。覆盖率近似等于目标区域内被覆盖的网格数与网格总数的比值。目标区域网格划分的细密程度决定了覆盖率的准确度，显然网格划分得越密集，覆盖率的计算值越准确，同时计算的复杂程度也越大。文献7考虑了三大类覆盖问题：点覆盖、面积覆盖和栅栏覆盖，其中面积覆盖将研究重点放在最大化覆盖面积上，这三类问题均优化了覆盖率。徐淑丽提出了高效分布式冗余节点查找算法，既能保证对目标区域的全覆盖，又能快速高效地检测出冗余节点，该方法优化了覆盖率和能量消耗。宛金林将虚拟引力模型和虚拟力算法结合在一基于 GUROBI 的水面无线传感器网络优化部署研究5起，保证了目标区域的全覆盖。许秀兰引入

26、人工鱼群算法，使得区域覆盖的优化水平显著提升。1.3 本文的主要工作本文运用线性求解器 GUROBI 对水面无线传感器网络进行优化求解。首先提出将无线传感器网络应用于水面溢油监测，随后了解了无线传感器网络的相关背景知识以及 GUROBI 的求解方法与步骤。本文设计的基础架构的数学模型在满足覆盖率、连通性的情况下能够实现部署成本最小化。接下来对基础架构进行改进，改进后的架构即基于 Cluster 的四层架构可以拓展网络的覆盖范围，并且其数学模型考虑了连通性和能量消耗的要求，同时优化的目标仍是成本最小化。水面无线传感器网络的基础架构和基于 Cluster 架构的数学模型的求解过程基本一致，包括数学

27、模型建立、编写 VS 程序并生成 LP 文件、GUROBI 求解、MATLAB 绘图以及模型验证等。1.4 本文的组织结构论文第 1 章介绍了应用背景即水面溢油监测，并且阐述了溢油监测的国内外研究现状，随后提出将无线传感器网络应用于该场景。第 2 章详细说明了与无线传感器网络覆盖问题相关的背景知识。首先介绍无线传感器网络的概念、特点和关键技术，其次指出传感器节点的感知模型和部署方案，最后阐述了覆盖问题的应用场景以及它所面临的挑战。在第 3 章中建立了水面无线传感器网络基础架构的数学模型，利用线性求解器 GUROBI 对其进行优化后，该模型能够在满足覆盖率、连通性的情况下最小化部署成本。第 4 章在第 3 章的基础上进行改进，通过增加 Cluster Head 来扩大网络的监测范围，提高了网络的覆盖能力。第 3 章和第 4 章均包含对数学模型正确性的验证，场景验证的结果说明本文设计的数学模型满足目标函数和约束条件，网络性能稳定可靠。