基于物聯網的時空連續泥沙監測一體化布局探討

王雅君 金文童

摘 要：文章基于物聯網的時空連續泥沙監測一體化布局進行探討。對于物聯網的時空連續泥沙監測一體化布局研究主要從兩方面考慮：空間連續泥沙監測和時間連續泥沙監測。為實現監測網最優需要建設費用約束條件。從空間方面，需進行空間密度優化，形成初步布局方案，通過與現有方法比較去除多余節點，最終形成優化布局方案；從時間方面，需進行監測頻率優化，形成初步監測方案，通過與現有方法比較修改監測頻率，形成最終監測方案，綜合優化布局和優化監測方案，完成時空連續泥沙監測網優化。

關鍵詞：物聯網；泥沙監測；一體化布局

我國幅員廣闊、江河眾多且水系復雜、南北水域泥沙含量差異較大，對重要河流水域含沙量進行采集與管理是一項非常重要的基礎性工作，其測量方法、精度、范圍及其監測系統穩定性，對河流的泥沙研究、泥沙整治等起到關鍵的技術支撐作用。伴隨自然環境變化與人類社會活動的發展，河流泥沙沖淤變化不定，含沙量動態變化加劇，采用現代化監測手段建立河流水域監測的傳感器覆蓋網，以完成河流含沙量是實時采集與匯總十分重要。

作為新興的研究領域，物聯網是將各種信息傳感設備，如全球定位系統、射頻識別（Radio FrequencyIdentification，RFID）裝置、紅外感應器、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來并能進行識別、定位和操控[1]。而物聯網的關鍵技術包括感知技術、通信網絡技術、智能處理與數據融合技術等[2]。考慮到一體化布局要求，可以利用物聯網技術服務于各種水利信息化和水利業務管理的綜合體系，比如水利信息檢測與處理、水資源調度與管理、自然災情監測等。本文設計了基于“物聯網”背景下的時空連續泥沙監測一體化布局，重點研究了泥沙監測無線傳感器覆蓋網優化方法，考慮布局步驟，提出優化方法，并提出能對測量的數據進行實時處理，完成時空連續泥沙監測網優化。

1 布局步驟

時空連續泥沙監測一體化布局主要考慮到河道范圍內的河道形狀、水位流量特征、水下地形、水質等因素影響，而不需要過多地分析河道范圍以外的各種控制因子。

（l）資料收集階段：首先需進行流域分析，考慮影響整體流域因素，包括地形地貌、城市人口等；然后進行自然水循環要素分析，考慮氣候類型、水環境、地下水、土壤等，重點考慮水文特征影響；最后進行社會水循環要素分析，需考慮水利工程、水土保持等因素。

（2）優化目標階段：考慮到監測范圍覆蓋全流域，需進行空間約束；考慮到監測網達到所需頻率，需進行時間約束；考慮到監測范圍考慮到監測站數量最少，需使得監測網建設費用最低。

（3）優化方法：空間上進行空間密度的優化；時間上進行監測頻率的優化。

（4）布局方案：綜合、系統的分析流域相關資料，從時空連續泥沙監測優化要求，利用優化算法，形成基于物聯網的時空連續泥沙監測一體化布局方案。水文參數如表1所示。

2優化方法

目前對于含沙量的數據采集方法是在水域內特定位置設置人工監測或設備監測，并定期收集含沙量數據，然后再對數據進行集中處理。然而此方法的監測點布置仍是按照經驗進行點狀分散布置，并沒有考慮到監測點流域特征和環境因素以及設備運行成本等。因此需進行綜合分析對流域監測傳感器覆蓋網進一步合理優化。遺傳算法（GeneticAlgorithm，GA）是～類借鑒生物界的進化規律演化而來的隨機搜索算法[2]。考慮到遺傳算法在多元函數的優化問題、機器識別和組合優化上有優勢[3]，采用對以往物聯網傳感器節點布線依靠目視及經驗，而非精細化布置的問題，從最小化布線成本出發，構建最小路徑模型，并利用遺傳算法良好的收斂性和較強的全局快速尋優能力，通過編碼運算，解決最佳布線路徑的問題。

2.1建立最小路徑模型

為了方便計算和建立最小路徑模型，把研究的對象轉換到平面坐標系中，進行等比例縮放。設平面空間節點中有n個采集點，定義S為二維平面空間傳感器節點集合：

S=d1，d2，…，dn，

則問題歸結為求：

L={L∈SELECT（S）u mix∑d（dx，dx -l）}

針對物聯網傳感器布線非精確定量布置的問題，從節點之間的最小路徑出發，優化了傳感器節點的布線，從空間上實現了傳感器節點布線的成本降低。這里可分別計算在開啟或關閉該傳感器節點的情況下，對所有已經開啟的傳感器節點所采集的含沙量數據差異進行評估，則可以選取能反映局部區域水文環境下的開啟傳感器組合作為節點分布的最優組合。

2.2最優頻率模擬函數思路——時間序列算法

對大數據含沙量進行挖掘，找出最優監測頻率解，首先要了解數據流模型[4]。這里可借鑒新思路[5].數據M可看作是由連續不斷地到達的數據組成的動態增長的數據集，即M={a1，a2，…，ai，….aj，…}，其中ai為數據，如果j>i，則ai先于aj，到達；如果U-il=l，則ai與aj相鄰。可以根據ai的描述不同，對于監測頻率的模型可以用時間序列算法模擬。

模擬方法的實現是在滿足事先給定的數據流插值誤差均方差臨界值的前提下設計的最低的監測網密度。具體方法是：在計算的插值誤差標準差高于臨界值的區域時，增加新的監測傳感器；而在計算的插值誤差標準差低于臨界值的區域，去除老的監測傳感器，直至全區計算的插值誤差標準差逼近臨界值，這時設計的監測網為最優的監測網。

對于時間序列分析法，該方法提供了優化監測頻率的定量標準。監測頻率的確定取決于頻率的周期特征、隨機變量特征和趨勢特征。高頻率的周期波動只有用高頻率的觀測才能監測到；隨機變量特征則包括時間相關結構與標準差，時間相關結構用時間序列的自相關函數描述，泥沙監測時間序列自相關越高，監測頻率越低，標準差越大，隨機干擾則越多，所需要的監測頻率越高；對于趨勢特征，趨勢越大，統計檢驗出趨勢的概率越高，因此，用較低的監測頻率即可得到目標解[6]。這樣即可根據最大特征頻率，優化河流泥沙監測無線傳感器節點分布和覆蓋網。通過監測傳感器覆蓋網適度值的比較最終實現監測傳感器覆蓋網的優化選取。

這里所稱的監測網包括戰略監測網和運營監測網，從而組成一個統一的河流泥沙監測網。在這個統一的泥沙監測網中，低密度的戰略監測傳感器提供區域泥沙含量值，局部高密度的運營監測傳感器進行監測整體布局局部。把監測網劃分為戰略監測網和運營監測網也便于對監測網分級管理。

使用遺傳算法可以實現多目標化地將河流流域泥沙監測傳感器覆蓋網優化問題轉換為多目標化地傳感器覆蓋網規劃問題，通過此計算方法思想，進行相關系列遺傳算法操作，并且通過泥沙監測傳感器覆蓋網適度值的比較從而最終實現泥沙監測傳感器覆蓋網的優化方案。

3結語

使用遺傳算法分別從空間上和時間上解決了河流泥沙監測無線傳感器分布網的最終優化方案。從空間密度優化和監測頻率優化上，形成了最終優化布局和優化監測方案，完成時空連續泥沙監測網優化。構建了基于物聯網的時空連續泥沙監測一體化布局。“全國水利發展十三五規劃”提出的泥沙監測的現代化和信息化建設提供了新思路。

[參考文獻]

[1]李杰.物聯網中無線傳感器節點和RFID數據融合的方法[J]電子設計工程，2011（2）：103-106

[2]劉化君.物聯網關鍵技術研究[J]計算機時代，2010 （7）：4-6

[3]許存祿.遺傳算法的研究[D]蘭州：蘭州鐵道學院，2002

[4]史金成，胡學銅.含沙量挖掘研究[J]計算機技術與發展，2007 （11）：11-14

[5]趙煥霞.基于時間序列的數據流可視化算法的實現與改進[J].電腦知識與技術，2017 （3）：13-16

[6]周仰效，李文鵬.區域地下水位監測網優化設計方法[J]水文地質工程地質，2007 （1）：1-8