基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能電力安全器具管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈牧宙，方能助，蘇建華，方忠閃

（1.寧波永耀電力投資集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315000；2.國(guó)網(wǎng)寧波供電公司，浙江寧波 315010；3.寧波送變電建設(shè)有限公司永耀科技分公司，浙江寧波 315020）

在電力系統(tǒng)中，電力安全工器具是較為重要的生產(chǎn)工具，其一方面保證了電力作業(yè)的開(kāi)展，另一方面保障了電力工人的人身安全。為了更優(yōu)地管理安全工器具，電力系統(tǒng)的各個(gè)部門均設(shè)計(jì)了不同的電力安全工器具管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在安全工器具的錄入、借還上，仍大多依靠班組的安全員進(jìn)行手工錄入，容易產(chǎn)生登記不及時(shí)、登記遺漏、器具遺失、器具忘記歸還等現(xiàn)象，造成了工器具管理的混亂。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力安全工器具的數(shù)量也不斷增長(zhǎng)，因此迫切需要智能化的工器具管理方式[1-7]。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種基于無(wú)線傳感器的感知網(wǎng)絡(luò)，其可以借助傳感器采集外部信息，借助數(shù)據(jù)接口自動(dòng)化地完成信息的錄入、變更。因此借助WSN 網(wǎng)絡(luò)采集安全工器具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的入庫(kù)、出庫(kù)是未來(lái)工器具管理的方向。由于WSN 網(wǎng)絡(luò)在電力器具管理領(lǐng)域應(yīng)用較少，所以對(duì)于WSN 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模如何設(shè)計(jì)、路由算法如何選擇仍處于探討階段。該文在詳細(xì)闡述了WSN 的相關(guān)理論后，重點(diǎn)介紹了WSN 的路由算法，并結(jié)合電力生產(chǎn)實(shí)際對(duì)該算法進(jìn)行改進(jìn)，然后，在電力安全器具軟件管理系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)了一套WSN 網(wǎng)絡(luò)，最終采用不同的路由算法評(píng)估了WSN 的 性能[8-13]。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是常用的無(wú)線技術(shù)之一。該網(wǎng)絡(luò)借助各種類型的傳感器完成信息采集，然后將數(shù)據(jù)依靠自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳遞至數(shù)據(jù)處理后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的交換和監(jiān)控。常見(jiàn)的WSN 結(jié)構(gòu)如圖1 所示[14-16]。

圖1 WSN結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖1 給出的WSN 結(jié)構(gòu)，在采集區(qū)域部署了各種傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)采集到信號(hào)后，經(jīng)其他節(jié)點(diǎn)逐步在整體網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，途徑的各傳輸節(jié)點(diǎn)均有可能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。最后匯聚節(jié)點(diǎn)將信息經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至接收器，接收器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸至管理節(jié)點(diǎn)，在管理節(jié)點(diǎn)中最終完成數(shù)據(jù)的分析和處理。

對(duì)于WSN，路由算法對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)生命周期有著重要的影響，決定了WSN 的性能。現(xiàn)在常用的WSN 路由算法為低能自適應(yīng)聚類算法（LEACH），其基本原理如下：

LEACH 算法包括成簇、穩(wěn)定兩個(gè)基本階段。

在成簇階段，首先要選舉簇頭，簇頭的選舉依據(jù)式（1）：

其中，n是指定的傳感器節(jié)點(diǎn)，P為選中概率，r為選舉簇頭的輪次，G為前一輪所有非簇頭的集合。在選舉時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上任取一個(gè)隨機(jī)數(shù)。若該隨機(jī)數(shù)小于T(n)，則在該輪次中，該節(jié)點(diǎn)被選舉為簇頭。在LEACH 算法中，為了保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的均衡，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能成為一次簇頭。

簇頭選舉完成后，簇頭向非簇頭進(jìn)行廣播；非簇頭節(jié)點(diǎn)接收廣播并發(fā)送成簇請(qǐng)求，請(qǐng)求通過(guò)后，非簇節(jié)點(diǎn)入簇，這一過(guò)程如圖2 所示。

圖2 成簇示意圖

隨后，簇頭為簇內(nèi)的每個(gè)成員創(chuàng)建傳輸時(shí)隙，時(shí)隙保證了每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在分配好的通道上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LEACH 算法的流程如圖3 所示。

圖3 LEACH算法流程

1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法改進(jìn)

LEACH 利用簇頭聚集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，減少無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的流量。利用單跳路由的方式，縮短通信距離，降低無(wú)線傳感器的能耗。但一方面，LEACH 算法的簇頭選擇是完全隨機(jī)的。簇頭無(wú)法根據(jù)傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)量區(qū)分分布的疏密，這會(huì)影響簇頭的傳輸負(fù)荷，降低路由的生命周期；另一方面，簇頭選擇時(shí)，未考慮簇頭到基站的距離。當(dāng)簇頭遠(yuǎn)離基站時(shí)，單跳傳輸將極大地增加傳輸所需的能耗，此時(shí)可以利用多跳傳輸降低傳輸能耗?；谝陨戏治?，該文對(duì)LEACH算法進(jìn)行改進(jìn)，得到了A-LEACH 算法。

在A-LEACH 算法中的分簇階段前，增加了網(wǎng)絡(luò)部署準(zhǔn)備階段。在該階段中，將所有節(jié)點(diǎn)布置于指定區(qū)域，基站利用廣播消息獲取所有節(jié)點(diǎn)自身能量、ID 編碼、至基站的相對(duì)距離等信息。

準(zhǔn)備階段后，算法進(jìn)入分簇階段。在該階段，引入k-means 算法將所有節(jié)點(diǎn)劃分為k個(gè)類：

其中，n為WSN 中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，F(xiàn)為WSN 的覆蓋面積，dth為門限距離，dBS為所有節(jié)點(diǎn)至基站的平均距離。結(jié)合k-means 算法，再引入競(jìng)爭(zhēng)半徑Rc(i)：

其中，α+β=1，RLmax是競(jìng)爭(zhēng)WSN 區(qū)域內(nèi)最大的競(jìng)爭(zhēng)半徑。在k-means 算法的迭代過(guò)程中，使用的是歐幾里得距離：

分簇完成后，進(jìn)入與LEACH 算法相似的簇頭選舉階段。但在A-LEACH 算法中，選舉的簇頭節(jié)點(diǎn)只在各個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行。在簇頭選舉時(shí)，選拔機(jī)制如下。

首先，各個(gè)候選節(jié)點(diǎn)獲知各自的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；然后，為每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)獲取權(quán)值：

A-LEACH 算法進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。在該階段，為了降低傳輸能耗，對(duì)于不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，算法將其置為休眠狀態(tài)；當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，最近的傳感節(jié)點(diǎn)被喚起，將獲取的外部信息傳送至簇頭；在A-LEACH 中，信息傳送的方式為基于Dijkstra 最短路徑的多跳傳輸。其步驟如下：

1）在傳輸前，定義參與通信的節(jié)點(diǎn)集Dg，初始節(jié)點(diǎn)集S0；

2）搜索S0的鄰居節(jié)點(diǎn)，若節(jié)點(diǎn)距離小于S0的通信半徑，則將該節(jié)點(diǎn)置為鄰居節(jié)點(diǎn)；

3）計(jì)算鄰居節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)值：

其中，γj是模糊隸屬度，ICCCx是該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的通信成本，其各自的計(jì)算方式如下：

其中，Er(Sj)是當(dāng)前簇頭鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，其計(jì)算方法如下：

2 電力安全器具管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上文中算法設(shè)計(jì)的目的是應(yīng)用于某電力安全器具管理系統(tǒng)。該文基于系統(tǒng)工程的理論進(jìn)行了需求分析，結(jié)合電力系統(tǒng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于WSN 的智能化電力安全器具管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)下，安全工器具的生命周期如圖4 所示。

圖4 安全工器具生命周期

該系統(tǒng)借助WSN 網(wǎng)絡(luò)，感知工器具的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)安全工器具的入庫(kù)、出庫(kù)。借助數(shù)據(jù)管理后臺(tái)，倉(cāng)庫(kù)管理人員可以實(shí)現(xiàn)庫(kù)存狀況的查詢、安全工器具領(lǐng)用狀態(tài)查詢及安全工器具庫(kù)存狀況分析。

該數(shù)據(jù)管理后臺(tái)基于B/S 架構(gòu)和SSH 框架實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的界面如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面

該系統(tǒng)對(duì)于安全工器具的識(shí)別效率依賴于WSN 網(wǎng)絡(luò)的路由算法，不同的工器具管理部門需要根據(jù)自身的倉(cāng)庫(kù)面積、管理的安全工器具數(shù)量合理地配置傳感器、采集器的數(shù)量。該文的配置如表1所示。

表1 WSN網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)

2.2 無(wú)線路由算法評(píng)估

該文使用網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)總能耗作為WSN 的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間越長(zhǎng)，WSN 的性能越穩(wěn)定；網(wǎng)絡(luò)總能耗越低，WSN 的工作越高效。

圖6 給出了A-LEACH 算法經(jīng)分簇后，所有節(jié)點(diǎn)的分布狀態(tài)。可以看出，簇的規(guī)模受到簇至基站距離的影響。當(dāng)簇靠近基站時(shí)，簇的規(guī)模會(huì)減??；當(dāng)簇遠(yuǎn)離基站時(shí)，簇的規(guī)模會(huì)增加。這一機(jī)制減小了簇內(nèi)的通信能量消耗，從而降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

圖6 分簇后節(jié)點(diǎn)的分布

為了更優(yōu)地評(píng)估該文提出的A-LEACH 算法性能，文中引入了當(dāng)前常用的LEACH 算法作為對(duì)比。兩種算法的運(yùn)行結(jié)果如圖7 所示。

從圖7（a）可以看出，LEACH算法在迭代160輪左右時(shí)，即產(chǎn)生了死亡節(jié)點(diǎn)；A-LEACH 在迭代280輪左右時(shí)，才開(kāi)始產(chǎn)生死亡節(jié)點(diǎn)。從兩個(gè)曲線的斜率來(lái)看，LEACH 算法的斜率明顯大于A-LEACH 算法。最終，LEACH 算法中節(jié)點(diǎn)的平均生存時(shí)間為534 輪；A-LEACH 算法中節(jié)點(diǎn)的平均生存時(shí)間為762 輪。

從圖7（b）可以看出，兩個(gè)算法的能耗均隨著算法迭代輪次的增加而增長(zhǎng)。從兩條曲線的斜率對(duì)比來(lái)看，LEACH 算法曲線斜率明顯高于A-LEACH 算法。在530 輪后，LEACH 算法的能耗不再增加；而A-LEACH 算法在830 輪后，能耗不再增加?？梢钥闯?，在相同的輪次下，LEACH 算法的能耗更大，ALEACH 雖然后期能耗較高，但該算法能耗增長(zhǎng)平緩，能耗性能更均衡。

圖7 WSN網(wǎng)絡(luò)性能仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，電力安全器具的地位將越來(lái)越高。該文對(duì)智能化的電力工器具管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究采集安全工器具的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由算法。文中對(duì)傳統(tǒng)的LEACH 路由算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了A-LEACH 路由算法。該算法相較于原有的路由算法，降低了WSN 網(wǎng)絡(luò)的能耗，提升了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生存周期，符合電網(wǎng)公司清潔、高效的企業(yè)追求。