基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化

張曙光，饒 寧

（1.杭州第一技師學院 浙江 杭州310023；2.杭州科技職業(yè)技術學院 浙江 杭州311402）

基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化

張曙光1，饒 寧2

（1.杭州第一技師學院 浙江 杭州310023；2.杭州科技職業(yè)技術學院 浙江 杭州311402）

基于提高物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力的目的，采用基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化方法，建立傳遞路徑分析模型，通過對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞路徑的原理分析，建立物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的動力方程，獲得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)路徑的傳遞函數(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的傳遞性能和能耗進行評估，適時對模型能量參數(shù)E進行調(diào)整修正，完成物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力的優(yōu)化。通過物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)仿真模型試驗，得出該系統(tǒng)能有效降低能耗，傳遞能力約為5622.3（N/m），比傳統(tǒng)方法提高約51.2%，實際應用價值強。

能耗最低；物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)；傳遞能力分析；傳遞路徑

近年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展越來越快。物聯(lián)網(wǎng)“The Internet of things”是新一代信息技術的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[1-3]。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡[4-6]。而物聯(lián)網(wǎng)各個系統(tǒng)之間的信息交換和通信，需要物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)高效率、低能耗完成。物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)直接關系到產(chǎn)品的傳遞效率和傳遞質(zhì)量，有著十分重要的意義。而物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)具有動態(tài)性，提高其傳遞能力可以避免傳遞過程中造成系統(tǒng)能耗浪費，已經(jīng)成為該領域的熱點研究問題[7-9]?，F(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)研究已經(jīng)引起相關專家和學者的重視，其中很多取得了一定的研究成果。

1 傳遞能力分析原理

傳遞能力分析法是通過研究系統(tǒng)的傳遞特性，分析系統(tǒng)性能、預測系統(tǒng)響應并發(fā)現(xiàn)其中存在的問題的過程，具體原理描述如下[10-15]：

假定物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)具有線性不變性，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 傳遞能力分析原理圖

分析圖1可知，該線性系統(tǒng)的頻域可描述如下：

其中，Y表示系統(tǒng)的輸出，Xi表示系統(tǒng)的第i個輸入，Hi表示傳遞函數(shù)，對公式（1）進行處理，利用公式（2）表示系統(tǒng)內(nèi)存在的多個輸出：

分析公式（2）可知，假定在沒有信號干擾的理想狀態(tài)下，則可利用公式（3）獲取系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

利用公式（5）對公式（4）進行變形：

分析公式（3）～（5）可知，對于第 j個傳遞路徑而言，可以利用公式（6）計算第i個輸入的貢獻值：

根據(jù)不同路徑中貢獻值的大小，對所有傳遞路徑中的傳遞能力進行排序，將結(jié)果進行輸出，選取具有最大貢獻值的傳遞能力的傳遞路徑。

2 基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化分析

2.1 系統(tǒng)傳遞函數(shù)構建

首先，利用公式（10）建立物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的動力方程：

其中，[M]、[K]用來描述比例常數(shù)，[C]用來描述比例阻尼。

由此，利用公式（9）獲取物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的最低傳動能耗：

通過上述描述可知傳遞系統(tǒng)任意點i的響應，利用系統(tǒng)傳遞模態(tài)，建立基于能耗最低的系統(tǒng)點i至點j的傳遞函數(shù)為：

通過上述方法可以獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為分析模型的構建提供支持。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的性能評估

利用2.1獲取的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的傳動性能進行評估，具體實現(xiàn)過程如下：

假定k0用來描述初始彈性系數(shù)，r用來描述彈性系數(shù)的增加概率，c用來描述移動高度。利用公式（11）獲取物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的動力微分方程：

假設x=Aert，將其代入公式（12），可知系統(tǒng)能耗

以能耗為目標，利用系統(tǒng)能量特征方程根，對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的性能進行評估，具體步驟如下：

1）依據(jù)輸出的系統(tǒng)能量特征方程根按照設定順序?qū)ξ锫?lián)網(wǎng)傳統(tǒng)系統(tǒng)分析模塊輸出進行更新；

2）更新后，通過對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的模塊離散狀態(tài)的調(diào)用，獲取系統(tǒng)的當前離散狀態(tài)；對于傳動系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)，獲取其數(shù)值積分；

3）利用連續(xù)狀態(tài)的數(shù)值積分與離散狀態(tài)對比，檢測物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)在連續(xù)狀態(tài)下的非連續(xù)點，識別異常。

4）對模塊的下一個采樣時間進行計算，重復上述步驟，直至達到結(jié)束條件，輸出分析結(jié)果，即為物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的性能評估結(jié)果。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化

以物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的性能評估結(jié)果為依據(jù)，適時對模型的能量參數(shù)E進行調(diào)整修正，完成物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力的優(yōu)化。

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化，具體實現(xiàn)過程如下：

假設系統(tǒng)在{Fs}i（B）激勵下，系統(tǒng)傳遞物品A與傳動系統(tǒng)結(jié)構B的傳遞響應之和即是產(chǎn)品的響應：特征方程根可描述如下：

通過利用公式（15）可以得到物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)各點的振動傳遞能力：

通過公式（15）可以對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的能耗情況進行評析，并根據(jù)評價結(jié)果適時對模型能耗參數(shù)進行調(diào)整修正，提高傳遞能力，完成物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力的優(yōu)化。

3 仿真試驗結(jié)果及分析

為了驗證改進算法的有效性，需要進行一次實驗。

試驗過程，采用計算機仿真平臺搭建物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的仿真模型。在相同的環(huán)境下，采用不同算法進行基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力分析，實驗過程及結(jié)果如下：

1）物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力有效性分析

將改進算法計算得到物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的傳遞能力與實際值比較，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力有效性分

分析圖2可知，改進算法計算得到的傳動系統(tǒng)體動剛度與實際值基本一致，說明改進算法的有效性。

2）不同算法的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化效率比對

將傳統(tǒng)的基于動態(tài)子結(jié)構分析算法作為對照，對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)部件傳遞能力進行優(yōu)化，以優(yōu)化效率為指標，得到不同算法的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化效率比對結(jié)果。

圖3 不同算法的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化效率比對

由圖3可知，在實驗次數(shù)一定的情況下，采用本文的能力優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的基于動態(tài)子結(jié)構分析算法進行優(yōu)化效率方面的實驗分析時，采用傳統(tǒng)的基于動態(tài)子結(jié)構分析算法時，其傳動能力優(yōu)化效率約為74.8%，且實驗次數(shù)在20～80次時，傳動能力優(yōu)化效率出現(xiàn)了很大的波動，穩(wěn)定性較差；采用本文提出的能力優(yōu)化方法時，傳動能力優(yōu)化效率約為95%，相比傳統(tǒng)的優(yōu)化方法傳動能力優(yōu)化效率提高了約20.2%，雖然在實驗次數(shù)為20～50時出現(xiàn)了較大波動，但其優(yōu)化效率均在傳統(tǒng)方法之上，具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

提出基于能耗最低的基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化方法，建立傳遞路徑分析模型，通過對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞路徑的原理分析，建立物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的動力方程，獲得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)路徑的傳遞函數(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)的傳遞性能和能耗進行評估，適時對模型能量參數(shù)E進行調(diào)整修正，完成物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力的優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，基于能耗最低的物聯(lián)網(wǎng)傳動系統(tǒng)傳遞能力優(yōu)化方法，能有效提高分析系統(tǒng)的傳遞能力，減小計算量，降低系統(tǒng)能耗，具有較強的實際應用價值。

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Based on the minimum energy consumption of iot transmission system transmission capacity optimization

ZHANG Shu-guang1，RAO Ning2
（1.Department of Electrical Engineering of The first Hangzhou Technician College，Hangzhou 310023，China；2.Department of Information Engineering of Hangzhou Polytechnic，Hangzhou 311402，China）

For improving transmission transfer capability of the Internet of things，using the Internet of things based on the minimum energy consumption transmission capacity optimization method，to eatablish the transfer path analysis model，through analyzing the principle of Internet transmission system's transfer path，to establish Internet of things's transmission system dynamic equation，to obtain the Internet of things system path's transfer function，to assess the Internet of things transmission system's transmission performance and energy consumption，timely adjust the model's energy parameter E，to complete transmission system's transmission capacity optimization.Through Internet transmission system simulation model experiment，it is concluded that the system can effectively reduce the energy consumption ，transmission capacity is about 5622.3 （N/m），about 51.2%higher than that of traditional method，the actual application value is large.

the lowest energy consumption；coupling system；transfer path analysis；bang path

TN964.3

：A

：1674－6236（2017）14-0051-04

2016-04-16稿件編號：201604250

張曙光（1979—），男，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：檢測技術及自動化裝置。