基坑監(jiān)測系統(tǒng)中傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)部署*

孫懋珩，鄧玉杰

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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基坑監(jiān)測系統(tǒng)中傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)部署*

孫懋珩，鄧玉杰

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

基坑監(jiān)測系統(tǒng)中，需要在各監(jiān)測點(diǎn)部署傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)的監(jiān)測點(diǎn)圍繞基坑工程展開，其監(jiān)控區(qū)域近似圓環(huán)。在基站收集監(jiān)測數(shù)據(jù)時，離基站越近的區(qū)域需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)越多，節(jié)點(diǎn)能量消耗速度也就越快，基站附近的節(jié)點(diǎn)將很快消耗完能量，系統(tǒng)隨即癱瘓。通過研究圓環(huán)形傳感網(wǎng)的拓?fù)涮攸c(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)密度公式，使得各區(qū)域的總能量與能量消耗速度之比達(dá)到平衡。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，按照此密度公式部署傳感器節(jié)點(diǎn)，可顯著提高系統(tǒng)生命周期。

基坑監(jiān)測；傳感網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)密度

0 引 言

在建筑工程中，基坑的開挖是工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)，近幾年，深基坑工程在總體數(shù)量、開挖深度、平面尺寸以及使用領(lǐng)域等方面都得到高速的發(fā)展，而深基坑施工所造成的基坑坍塌、建(構(gòu))筑物或道路開裂，管線爆裂等事故屢有發(fā)生，給國家經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)造成不同程度的損失，引起了嚴(yán)重的社會后果。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時、高效、準(zhǔn)確的基坑工程實(shí)時監(jiān)測，可以將基坑工程與圖像學(xué)、信號處理、無線傳感器網(wǎng)等學(xué)科相結(jié)合，應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、微位移傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各類位移(基坑工程圍護(hù)墻(邊坡)頂部水平和豎向位移、周邊地表的豎向位移、周邊建筑的豎向位移和水平位移、立柱豎向位移、周邊管線變形等)的感測和處理，通過無線傳感網(wǎng)把監(jiān)測點(diǎn)信息匯集至服務(wù)器進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)自動實(shí)時監(jiān)測[1]。

傳感網(wǎng)要把節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，而基坑監(jiān)測中的傳感網(wǎng)圍繞基坑工程展開，其傳輸區(qū)域近似于圓環(huán)，而在圓環(huán)內(nèi)部為施工區(qū)，無法部署監(jiān)測設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、高效性，同時盡可能延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，傳感器節(jié)點(diǎn)的部署顯得至關(guān)重要[2]。

1 節(jié)點(diǎn)部署

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

我們將傳感網(wǎng)簡化成半徑為R1和R2的圓環(huán)形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)功能相同、初始能量相等，圓環(huán)形區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組織成簇，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱仡^，簇頭將接收到的數(shù)據(jù)融合成數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)給下一個簇頭或基站(圖1中的Sink)[2-3]。

圖1 區(qū)域能量消耗

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時便于文章的分析，我們假設(shè)相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離大于節(jié)點(diǎn)之間的物理距離，即相鄰節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)完全聯(lián)通，不考慮通信中斷等意外情況。

研究表明，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來自于通信，節(jié)點(diǎn)通信的能量消耗遠(yuǎn)大于感知和計(jì)算的能量消耗，因此，為方便分析，我們忽略節(jié)點(diǎn)其他方面的能量消耗，只關(guān)注節(jié)點(diǎn)通信產(chǎn)生的能量消耗[3]。

為了分析圓環(huán)形區(qū)域中能量消耗，本文要研究的無線傳感網(wǎng)滿足以下假設(shè)[4]：

(1)基坑監(jiān)測系統(tǒng)的傳感網(wǎng)是大型的，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在半徑為R1和R2的圓環(huán)形區(qū)域內(nèi)，基站部署在圓環(huán)形區(qū)域內(nèi)部。

(2)網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能相同，并且每個傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量都為e。

(3)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中單位區(qū)域內(nèi)生成數(shù)據(jù)的速度為λ。

(4)傳感器節(jié)點(diǎn)與基站需要通過多跳傳輸，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離為l。

(5)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送單位數(shù)據(jù)所消耗的能量為Et，接收單位數(shù)據(jù)所消耗的能量為Er。

1.2 密度函數(shù)

在傳感網(wǎng)中，某一區(qū)域的生命周期近似為此區(qū)域的總能量與能量消耗速度之比，為了最大限度地延長傳感網(wǎng)的生命周期，應(yīng)當(dāng)使各區(qū)域的總能量與能量消耗速度之比保持一致[5]。

各區(qū)域內(nèi)總能量與能量消耗速度之比應(yīng)為常數(shù)，即滿足以下條件：

(1)

式中，const為一常數(shù)。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)為N，應(yīng)當(dāng)滿足：

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可得節(jié)點(diǎn)的密度函數(shù)：

(3)

?的取值較小，所以有：

(4)

從中可以看出，離基站越近的區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)布置得越密。

1.3 理論分析

在以密度函數(shù)部署傳感器節(jié)點(diǎn)時，由于各區(qū)域的總能量與能量消耗速度比值為常數(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)幾乎同時消耗完能量，這樣系統(tǒng)生命周期近似于某一區(qū)域的總能量/該區(qū)域的能量消耗速度[6]。

圖2 能量消耗對比

均勻部署節(jié)點(diǎn)時，離基站最近的區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗速度最快。因此，我們考慮離基站最近的一跳范圍內(nèi)的區(qū)域(距離基站的角度為θ′)，該區(qū)域的總能量與能量消耗速度之比作為系統(tǒng)生命周期[4]。

2 模擬實(shí)驗(yàn)

我們使用MATLAB在系統(tǒng)生命周期、剩余能量兩個方面對上述兩種部署方案做對比。傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為10J；發(fā)送數(shù)據(jù)的能量消耗為0.44W；接收數(shù)據(jù)的能量消耗為0.32W；傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信距離為20m；每個數(shù)據(jù)包的大小為32字節(jié)；根據(jù)基坑工程通常的監(jiān)測范圍取R2=R1+25。分別將90、130、170、210、250、290、330個節(jié)點(diǎn)部署在R1為100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m的圓環(huán)形區(qū)域內(nèi)，以保證區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的整體密度相同。每一個實(shí)驗(yàn)結(jié)果都為100次仿真實(shí)驗(yàn)的平均值。

假定傳感器節(jié)點(diǎn)周期性采集并傳輸數(shù)據(jù)，將網(wǎng)絡(luò)的生命周期定義為當(dāng)超過10%的節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而死亡時網(wǎng)絡(luò)已工作的周期數(shù)。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3和圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析基本一致，按本文方案部署傳感器節(jié)點(diǎn)時，系統(tǒng)生命周期大約是均勻部署時的2倍，且本文方案中節(jié)點(diǎn)剩余能量較小，可以認(rèn)為系統(tǒng)充分利用了傳感器節(jié)點(diǎn)能量，而且當(dāng)區(qū)域越大時，這種趨勢越明顯。

圖3 生命周期

圖4 剩余能量

3 結(jié) 語

利用傳感網(wǎng)傳輸形變數(shù)據(jù)對實(shí)現(xiàn)基坑在線監(jiān)測具有重要意義。以前論文很少涉及環(huán)形傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的部署，本文提出適用于環(huán)形傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)密度函數(shù)，理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明該部署方式可以顯著提高系統(tǒng)生命周期。但本文的節(jié)點(diǎn)部署方式必須滿足圓環(huán)半徑遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)通信距離，所以有其局限性，在下一步的研究工作中，需要綜合考慮圓環(huán)區(qū)域半徑與節(jié)點(diǎn)通信距離之間的關(guān)系，構(gòu)造出適用性更強(qiáng)的密度函數(shù)。

[1] 孫懋珩,李衛(wèi)紅,吳晗.基坑監(jiān)測系統(tǒng)中圖像的無損壓縮傳輸[J].通信技術(shù),2013,46(09):86-88. SUN Mao-heng, LI Wei-hong, WU Han. Lossless Compression Transmission of Images in Excavation Monitoring System[J]. Communications Technology, 2013, 46(09): 86-88.

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[6] 袁輝勇,彭東海,王志和等.圓環(huán)形傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型與求解[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(02):110-115. YUAN Hui-yong, PENG Dong-hai, WANG Zhi-he,et al.MaximizingLife Time Model of Circular Sensor Networks and Its Solution[J]. Transducer and Microsystem Technologies,2009,28(02):110-115.

術(shù)語百科Technical Terms

網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)(Cyber Ecosystem)最早于2002年美國IEEE會議錄中“就整體網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)保障而言，解決生存能力是比解決安全性更重要的一種途經(jīng)”一文中提出。2011年3月，美國國土安全部在《在網(wǎng)絡(luò)空間實(shí)現(xiàn)分布式安全——用自動化的集體行動建立健康有彈性的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)》研究報告中，明確提出網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)概念。同年11月，又發(fā)布《國土安全體系網(wǎng)絡(luò)安全戰(zhàn)略》，強(qiáng)調(diào)要“為未來建立一個更安全的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)”。網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)是一個全球性的體系，包括政府和私營部門的信息基礎(chǔ)設(shè)施，眾多相互聯(lián)系的人員、流程、信息和通信技術(shù)，以及影響網(wǎng)絡(luò)安全的各種條件。隨著網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)概念的不斷清晰和成熟，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)亦成為了美國網(wǎng)絡(luò)空間安全發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

未來的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體(主要指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、程序)能夠近實(shí)時地進(jìn)行自我防御和協(xié)作，及時預(yù)測和阻止攻擊，限制攻擊擴(kuò)散和攻擊后果，用自動化的集體行動建設(shè)一個健康、有活力的網(wǎng)絡(luò)空間生態(tài)系統(tǒng)。構(gòu)建未來網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，需要為各參與方(特別是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)發(fā)展自動化、互操作和身份認(rèn)證等三種相互依存的關(guān)鍵能力。網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)中的“健康”網(wǎng)絡(luò)實(shí)體應(yīng)具有內(nèi)置的安全功能，主要包括感知意識、用戶意識、智能性、自主反應(yīng)、動態(tài)性、復(fù)原性、協(xié)作性、可信性等關(guān)鍵屬性。

Node Deployment of Sensor Networks in Excavation Monitoring System

SUN Mao-heng1，DENG Yu-jie2

(College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

It is necessary to deploy sensor nodes in every monitoring point of excavation monitoring system, and monitoring points of the system are established around the excavation pit, with its monitoring area as a circular ring. In the collecting process of monitoring data in base-station,nodes in the region closer to the base-station are required to forward more data, thus energy consumption rate of these nodes would be much faster. When sensor nodes near the base-station consumes the energy up, the system would immediately become paralyzed. By studying the characteristics of circular sensor network topology, the density formula of nodes is derived, thus balancing the ratio of total energy to consumption rate in each region. Theoretical analysis and simulation result indicate that the life-circle of system can be significantly increased by deploying sensor nodes in accordance with this formula.

excavation monitoring; sensor network; node density

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.018

2014-11-16；

2015-03-09 Received date:2014-11-16；Revised date：2015-03-09

TP393

A

1002-0802(2015)05-0598-04

孫懋珩(1957—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、嵌入式、傳感網(wǎng)；

鄧玉杰(1990—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)閭鞲芯W(wǎng)。