基于可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知模型研究＊

王燦華,岑正軍,陳成,周西南,王月陽(yáng)

（貴州電網(wǎng)公司雷山供電局，貴州凱里 557199）

1 引言

隨著電力施工建設(shè)的發(fā)展，需要加強(qiáng)電力施工現(xiàn)場(chǎng)的安全管理，提高電力施工的安全性。目前有學(xué)者提出構(gòu)建基于無(wú)人機(jī)巡檢的智能感知系統(tǒng)，能較好地監(jiān)測(cè)施工過(guò)程[1]；還有學(xué)者提出構(gòu)建基于前端智能感知的電力現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)督系統(tǒng)，提升了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)督水平和效率[2]。但傳統(tǒng)方法因信息融合度水平較差、計(jì)算負(fù)載較大，導(dǎo)致輸出穩(wěn)定性較低、設(shè)備信息網(wǎng)絡(luò)較差，因此本文提出，基于可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)構(gòu)建電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知模型。

構(gòu)建可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署模型，結(jié)合節(jié)點(diǎn)融合和負(fù)載均衡調(diào)度方法，以排除環(huán)境因素的影響，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署設(shè)計(jì)；對(duì)節(jié)點(diǎn)多重覆蓋調(diào)度重組空間信息均衡，設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輸出信道；建立安全感知信息特征解析模型，通過(guò)輪換節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知和信息提取的優(yōu)化。最后仿真測(cè)試分析結(jié)果顯示，本文方法輸出穩(wěn)定性較高，節(jié)點(diǎn)跳數(shù)較小，信息感知的精度較高，性能較優(yōu)越。

2 可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)部署

2.1 可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)基于可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知，需構(gòu)建電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署模型，拓?fù)湓O(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)[3]。

假設(shè)電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)定位n，輸出特征量為N(n)。當(dāng)電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備輸出傳感器節(jié)點(diǎn)信息在底層數(shù)據(jù)庫(kù)中均勻分布[4]，得到節(jié)點(diǎn)的傳輸碼元序列為x(1)，…，x(n)，得到電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的無(wú)線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布圖，提取可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的比特序列特征量Ln，在源端口中建立可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)融合調(diào)度模型[5]，得到無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的鄰域特征neighbor(Ln)={Ln1，Ln2}滿足收斂性條件，構(gòu)建電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，采用混合壓縮感知的分布式信息融合方法[6]，得到電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備的傳感節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述為：

圖1 電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

式中，i、C、sc和dc代表骨干樹(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至sink節(jié)點(diǎn)的能量開(kāi)銷?？紤]電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知節(jié)點(diǎn)的連通性進(jìn)行優(yōu)化拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

2.2 實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)部署設(shè)計(jì)

結(jié)合節(jié)點(diǎn)融合和負(fù)載均衡調(diào)度方法進(jìn)行可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輸出信道均衡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化拓?fù)?。采用?fù)載平衡性調(diào)度的方法[7]，得到電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備傳感節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍為：

其中，t(o)為結(jié)合節(jié)點(diǎn)融合方法，p為負(fù)載平衡性調(diào)度的方法。假設(shè)在一條數(shù)據(jù)收集路徑中電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備傳感的壓縮感知范圍具有確定性，通過(guò)異構(gòu)融合[7-8]，得到可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的模糊調(diào)度參數(shù)集為：

Sink 節(jié)點(diǎn)接收到的觀測(cè)值區(qū)域集為△A1，△B1，得到優(yōu)化簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量分布函數(shù)為：

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)的差異性特征，采用向量量化方法均衡控制電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)信道，得到信道傳輸負(fù)載鏈路均衡控制的特征映射[9-10]，電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的幾何測(cè)度距離計(jì)算公式如下：

其中xi，yi，xj，yj分別可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感融合跟蹤參數(shù)，t表示自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布的鏈路距離。采用多重覆蓋調(diào)度的方法，建立電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)負(fù)載均衡模型，為：

式中，h(h=1，2，…，n)表示電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知的可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)，得到鏈路傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)時(shí)間序列為：

其中，B(h)為電力施工現(xiàn)場(chǎng)感知融合編碼特征量，A(h)為自適應(yīng)信道均衡調(diào)度矩陣，(h)為h個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署的特征分布集。考慮到節(jié)點(diǎn)差量閾值，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間拓?fù)?，得到安全感知的尋?yōu)函數(shù)為：

其中，zn(h)為第n個(gè)節(jié)點(diǎn)感知到的電力施工現(xiàn)場(chǎng)異常信息，Hn(h)為節(jié)點(diǎn)間的比較函數(shù)。根據(jù)鏈路均衡控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署[11]。

3 電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感自組網(wǎng)輸出信道的設(shè)計(jì)

結(jié)合節(jié)點(diǎn)融合和負(fù)載均衡調(diào)度方法，均衡設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輸出信道。通過(guò)無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多重覆蓋調(diào)度重組空間信息，得到信道均衡調(diào)度模型如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感自組網(wǎng)信道均衡調(diào)度模型

根據(jù)電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)與可靠向量，得到邊向量的加權(quán)系數(shù)為W={w1，w2，…，wn}，電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的信道傳輸模型中，采用統(tǒng)計(jì)特征分析，優(yōu)化調(diào)度鄰居節(jié)點(diǎn)，用三元組(V，F(xiàn)，I)表示電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)融合中心的時(shí)延參數(shù)，結(jié)合信道均衡控制，得到電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的根節(jié)點(diǎn)的融合度，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量為Pn，得到電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)鏈路層的控制函數(shù)為：

其中，vi為所有鄰居節(jié)點(diǎn)的配置系數(shù)。通過(guò)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)最終狀態(tài)的判定，得到可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)密度k，在電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的傳感信息覆蓋區(qū)域，得到輸出的統(tǒng)計(jì)特征量為x(k-1)，…，x(k-n)，可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)初始節(jié)點(diǎn)的輸出信道函數(shù)表示為：

其中，θ1(k)為節(jié)點(diǎn)分布的相位特征。結(jié)合傳感節(jié)點(diǎn)融合和負(fù)載均衡調(diào)度，均衡設(shè)計(jì)輸出信道，進(jìn)一步建立安全感知信息特征解析模型。

3.2 電力施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信息采樣和安全感知提取

電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化定位的特征解析模型如下：

根據(jù)分布式傳感輪換節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法，得到自組網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)感知的信息輸出為：

式中，用Y表示電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備傳感節(jié)點(diǎn)n定位的最優(yōu)間隔，Z表示聚類參數(shù)。

綜上，通過(guò)對(duì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輪換節(jié)點(diǎn)調(diào)度，優(yōu)化提取電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知信息，實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 仿真測(cè)試分析

為驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和信息安全感知的性能，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析。施工現(xiàn)場(chǎng)的范圍設(shè)定為300m×300m，傳感節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為120，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為50，電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的部署如圖3所示。

圖3 電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的初始位置

根據(jù)圖3的節(jié)點(diǎn)部署模型，通過(guò)無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多重覆蓋調(diào)度重組空間信息，建立電力信息采樣和安全感知信息特征解析模型，得到節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署位置如圖4所示。

圖4 電力施工現(xiàn)場(chǎng)可穿戴設(shè)備的傳感節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署

通過(guò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知，得到信息感知輸出如圖5所示。

圖5 信息感知輸出

分析圖5得知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)電力施工現(xiàn)場(chǎng)的安全感知，得到節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)分布如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)跳數(shù)

分析圖6得知，采用該方法電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知的輸出穩(wěn)定性較高；節(jié)點(diǎn)跳數(shù)較小，說(shuō)明信息感知的精度較高。測(cè)試信息感知的采樣精度，與傳統(tǒng)方法對(duì)比，得到對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知采樣精度

分析表1得知，本文方法電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知的采樣精度較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署，優(yōu)化設(shè)計(jì)電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知模型，構(gòu)建可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合節(jié)點(diǎn)融合和負(fù)載均衡調(diào)度方法，均衡設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輸出信道，通過(guò)無(wú)線傳感自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多重覆蓋調(diào)度進(jìn)行空間信息重組，建立電力信息采樣和安全感知信息特征解析模型，對(duì)可穿戴設(shè)備無(wú)線傳感自組網(wǎng)的輪換節(jié)點(diǎn)調(diào)度，優(yōu)化提取電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知信息，提高網(wǎng)絡(luò)靈活性和可用性。仿真結(jié)果表明，本文方法的電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全感知的穩(wěn)定性較高，精度較高，網(wǎng)絡(luò)靈活性和可用性較好，能在一定程度上提高電力施工現(xiàn)場(chǎng)安全管控能力。