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基于CFD仿真的传感器部署方法研究：面向室内环境智能化控制

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基于CFD仿真的传感器部署方法研究：面向室内环境智能化控制

作者：丁俊伟广州大学

学位级别：硕士

建筑行业在我国是耗能大户,在减少碳排放方面具有较大的潜力。其中维持建筑运行的系统（供暖、通风、照明等系统）能耗在建筑总能耗中占有重要比重,如用于调控室内环境的HVAC（Heating,Ventilation and Air Conditioning,暖通空调）系... 详细信息

建筑行业在我国是耗能大户,在减少碳排放方面具有较大的潜力。其中维持建筑运行的系统（供暖、通风、照明等系统）能耗在建筑总能耗中占有重要比重,如用于调控室内环境的HVAC（Heating,Ventilation and Air Conditioning,暖通空调）系统能耗约为办公建筑总能耗的40%。因此,通过建筑智慧运维系统高效管理建筑能耗有利于减少碳排放,实现“双碳”目标。传感器技术是室内环境监测和控制的常用方法,通过传感器获取室内环境参数,为送风策略以及送风参数的调整提供参考,营造健康、安全的室内环境,同时有效降低通风空调系统的能耗。由于建筑室内环境中空气污染物的分布在时间和空间上都存在较大的差异,利用有限个数的监测点准确描述室内物理参数的时空分布是传感器监测的核心问题。因此,本文的主要目的是研究传感器监测点部署策略,实现高效的室内环境监测与预测,从而为建筑通风系统的控制提供科学依据。本工作采用CFD数值模拟软件构建通风空间二氧化碳浓度和气流速度的基础数据库,并基于低维通风模型（Low-dimensional Ventilation Model）构建数据库。第一步使用模糊聚类算法（Fuzzy C-means）对数据库中二氧化碳浓度和气流速度进行聚类,分析二氧化碳在气流组织作用下的空间分布特征。第二步基于降阶模型得到的扩散特征,对二氧化碳扩散的非稳态过程快速预测。本文主要结论如下:（1）建筑通风空间存在三个主要特征区域:送风主流区（Main flow zone）,气流速度高,二氧化碳浓度低;主要扩散区（Main diffusion zone）,气流速度低、污染物浓度高;充分混合区（Well-mixed zone）,气流速度较低,污染物浓度较低。（2）对于一般的通风空间,三个放置在主要特征区域的监测点可以准确表征相应区域的二氧化碳浓度水平,最大误差为10.7%;（3）污染扩散过程可以使用降阶模型的主要特征模态近似描述,本文使用了12个主要特征模态;（4）污染扩散过程的前三阶特征模态代表了三种作用于通风系统的过程:（a）二氧化碳源的扩散过程,作用于主要扩散区;（b）通风系统的稀释过程,作用于充分混合区;（c）二氧化碳的输运过程,作用于三个主要特征区域。（5）基于主要特征模态对36秒至42秒内的二氧化碳浓度分布预测的误差在3.26%左右。当使用监测点数据表示第36秒的二氧化碳浓度分布进行预测,预测误差最大为13.28%。本项工作通过研究污染扩散过程中的时空分布特征,给出了监测点选取的普适方法,为智慧运维系统提供通风参数的有效、快速调整。旨在为提高非住宅建筑空气质量以及能耗节约方面做出一定贡献。

关键词：建筑通风传感器部署污染扩散降阶模型区域监测

基于改进NSGA-Ⅲ算法的城市管网多传感器优化部署

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传感技术学报 2023年第2期36卷 251-258页

作者：吴建锋赵文静王迪晟许森徐振宇浙江树人大学信息科技学院浙江杭州310015 国网浙江省电力有限公司文成县供电公司浙江温州325300 杭州电子科技大学电子信息学院浙江杭州310018

由于外部原因管道故障时有发生,常需布置传感器网络对城市管道网络进行实时监测。为在资源有限的前提下获得最佳的监测效率,对网络中传感器的部署问题进行研究,提出了一种改进NSGA-Ⅲ算法对传感器网络部署问题进行求解,实现求得解集多... 详细信息

由于外部原因管道故障时有发生,常需布置传感器网络对城市管道网络进行实时监测。为在资源有限的前提下获得最佳的监测效率,对网络中传感器的部署问题进行研究,提出了一种改进NSGA-Ⅲ算法对传感器网络部署问题进行求解,实现求得解集多样性和收敛性的均衡;网络采用一个由顶点集V和边集E组成的图G=(V,E)进行建模,并对个体进行编码;以传感器对网络整体覆盖率和指定区域覆盖率为优化目标,应用并改进求解传感器优化部署问题的非支配解集。仿真实验结果表明,改进后算法在保证收敛性的前提下提高了优化解集的多样性,可有效解决管网多传感器优化部署问题。

关键词：多目标优化传感器部署非支配解差分进化

基于烟花算法的要地防空多传感器部署规划方法

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飞行力学 2021年第6期39卷 62-67,88页

作者：万佳庆王鹏飞郭强李新国张栋西北工业大学航天学院陕西西安710072 西安现代控制技术研究所陕西西安710065

针对传统的多传感器部署规划不适用于要地防空任务场景的问题,提出了基于烟花算法的要地防空多传感器部署规划方法。首先,以要地防空为研究背景,对多传感器部署涉及到的要地覆盖率、多重覆盖率以及传感器利用效率进行了建模与分析,建立... 详细信息

针对传统的多传感器部署规划不适用于要地防空任务场景的问题,提出了基于烟花算法的要地防空多传感器部署规划方法。首先,以要地防空为研究背景,对多传感器部署涉及到的要地覆盖率、多重覆盖率以及传感器利用效率进行了建模与分析,建立了多传感器部署的指标模型;其次,将烟花算法中的模型与传感器部署模型进行映射,利用烟花算子的多样性和求解的快速性实现多传感器部署模型的求解。仿真结果表明,目标区域覆盖率等关键指标均满足重点区域全覆盖和目标区域覆盖率95%以上的需求,将烟花算法应用于要地防空多传感器部署问题具有可行性。

关键词：要地防空传感器部署烟花算法协同防空

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基于改进粒子群优化算法的传感器部署机制

仪表技术与传感器 2016年第12期 176-180页

作者：丁晨阳彭军扬州市职业大学电子工程学院江苏扬州225009 中南大学信息科学与工程学院湖南长沙410075

为提高无线传感器网络性能,通过恰当的传感器部署机制获得优化的覆盖是很重要的问题。改进的粒子群优化算法通过重新部署初始随机分布的移动传感器,改善了覆盖效果。针对粒子群优化算法可能出现局部最优而导致覆盖优化效果降低问题,引... 详细信息

为提高无线传感器网络性能,通过恰当的传感器部署机制获得优化的覆盖是很重要的问题。改进的粒子群优化算法通过重新部署初始随机分布的移动传感器,改善了覆盖效果。针对粒子群优化算法可能出现局部最优而导致覆盖优化效果降低问题,引入模拟退火算法的接受规则更新微粒的速度和位置。为减少算法执行时间,采用Voronoi图覆盖空缺和传感器间距离的标准偏差设计了适应度函数。最后根据移动距离调整各个传感器的移动目标,减少了能量消耗。仿真结果表明:和原始粒子群算法相比,改进的算法能够获得更高的覆盖率、更快的收敛以及更低的能量消耗。

关键词：传感器部署覆盖粒子群优化模拟退火

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地基侦察系统多传感器优化部署技术研究

地基侦察系统多传感器优化部署技术研究

作者：王子娇石家庄铁道大学

学位级别：硕士

传感器部署以完成具体的作战任务为目的,依据某种优化准则实时地调整传感器的部署位置以获取所需指标的最优度量值,如覆盖范围、有效覆盖率、探测概率等。与一般意义上的传感器管理相比,传感器部署的侧重点在于对传感器每一时刻的地理... 详细信息

传感器部署以完成具体的作战任务为目的,依据某种优化准则实时地调整传感器的部署位置以获取所需指标的最优度量值,如覆盖范围、有效覆盖率、探测概率等。与一般意义上的传感器管理相比,传感器部署的侧重点在于对传感器每一时刻的地理位置进行控制,包括下一时刻的机动方向、机动距离等。本文围绕地基侦察系统,基于复杂作战环境和大作战区域任务,对地基侦察系统中多传感器管理框架内的协同部署问题进行了研究,旨在进一步丰富和优化了地基侦察系统中多传感器部署方法和内容,在传感器资源受限情况下获得最大作战效能,对未来构建一体化指挥控制系统具有重要的理论方法和工程实践价值。主要工作如下:(1)分析总结了地基侦察系统多传感器部署的相关理论。首先从典型传感器、传感器部署的基本框架、传感器部署的原则和传感器部署的主要制约因素等方面对传感器部署的基本理论进行了总结;然后分析了多传感器部署中常用的寻优算法。(2)提出了复杂地形下基于角分辨力的快速可视域分析算法。不仅地形对电子装备的技战术性能有着重要影响,而且不同装备对地理环境的部署要求、通行能力也不尽相同,为了解决实际战场环境对传感器部署、通行和性能的影响问题,首先基于DEM高程数据对真实复杂的战场环境进行建模,得到了不同传感器的部署地图模型;其次以传感器的实际工作原理为出发点,基于传感器的物理特性提出了一种基于角分辨力的快速可视域分析算法,克服了固定地图网格模型、固定距离精度造成的算法运算量大的局限性。仿真实验结果证明,面向大规模高精度DEM高程数据,相较于传统的可视域分析算法,所提可视域分析算法在保持覆盖率计算准确率基本不变的情况下,能够大大提高算法的实时性,同时比R3、R2、Xdraw等更符合传感器实际工作状态,更具有实用性。(3)提出了面向区域覆盖的多传感器多尺度部署方法。针对大区域作战情况下,多传感器优化部署运算复杂度高、耗时长等问题,综合考虑地理环境限制、通行能力限制和传感器安全工作距离限制等对传感器部署和作战效能的影响,建立了复杂地形下多传感器优化部署模型,提出了多尺度、分阶段相结合的优化策略,在此基础上设计了一种多传感器多尺度优化部署方法,显著提高了大区域作战情况下的传感器部署效率。仿真实验结果证明,所提方法在侦察任务区域较大时覆盖率计算的准确性和实时性指标均有明显改善,传感器部署方案更加科学合理。(4)提出了基于传感器性能的多传感器多尺度自适应优化部署方法。针对实际作战中不同传感器、不同部署方案下工作性能存在差异性的问题,基于传感器的实际性能提出了传感器自适应部署策略,并实现了多传感器多尺度自适应优化部署方法。仿真实验表明,所提方法能很好地适用于大规模高精度DEM地形数据的情况,得到的多传感器部署方案科学合理,更接近实际作战场景,具有更高的实际应用价值。综上,本文针对实际作战中陆基多传感器优化部署问题,在充分考虑地理环境影响的基础上,基于传感器性能和作战需求提出了复杂地形下基于角分辨力的快速可视域分析算法、面向区域覆盖的多传感器多尺度部署方法、多传感器多尺度自适应优化部署方法等,并通过仿真实验验证了所提方法的有效性,对传感器部署理论方法的完善和实际作战中的传感器部署辅助决策等具有重要的参考价值。

关键词：传感器部署可视域分析复杂起伏地形角分辨力多尺度

基于反聚类法的精准施肥土壤检测传感器部署方法研究

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装备制造技术 2018年第10期 95-98页

作者：戴月真徐海峰朱增强王金星王冉冉山东农业大学山东泰安271018 烟台工程职业技术学院山东烟台264000 泰山管委樱桃园管理区山东泰安271000

土壤养分的检测对于精准施肥具有重要作用,基于Cochran的算法,利用反聚类算法,提出了一种确定土壤检测传感器位置的部署方法,既能够保证测量精度,又可以尽量减少传感器的数量。将该算法应用于烟台市莱山镇苹果园,结果表明,算法切实可行... 详细信息

土壤养分的检测对于精准施肥具有重要作用,基于Cochran的算法,利用反聚类算法,提出了一种确定土壤检测传感器位置的部署方法,既能够保证测量精度,又可以尽量减少传感器的数量。将该算法应用于烟台市莱山镇苹果园,结果表明,算法切实可行,采样点部署合理。

关键词：精准施肥土壤采样传感器部署 Cochran

基于多目标局部变异-自适应量子粒子群优化算法的复杂地形多传感器优化部署

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兵工学报 2018年第11期39卷 2192-2201页

作者：徐公国段修生单甘霖童俊陆军工程大学石家庄校区河北石家庄050003 石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043

对复杂地形下的多传感器部署问题进行研究,提出了基于多目标局部变异-自适应量子粒子群优化(LM-AQPSO)算法的多传感器多目标优化部署方法。该方法对复杂地形进行多属性网格建模,给出了传感器探测模型和优化目标。引进局部变异和参数自... 详细信息

对复杂地形下的多传感器部署问题进行研究,提出了基于多目标局部变异-自适应量子粒子群优化(LM-AQPSO)算法的多传感器多目标优化部署方法。该方法对复杂地形进行多属性网格建模,给出了传感器探测模型和优化目标。引进局部变异和参数自适应策略对量子粒子群优化算法进行改进,并提出了基于LM-AQPSO的多目标Pareto最优解集优化算法。考虑多目标部署需求,构建了基于Pareto最优解集的多传感器优化部署模型。仿真实验结果表明:相对于经典的改进非支配排序遗传算法,所提算法优化的Pareto最优解有着更好的收敛性和分布性,且寻优时间更短;所提模型能有效解决多目标多传感器部署问题,并能同时提供更多的决策方案。

关键词：传感器部署复杂地形多目标优化量子粒子群 Pareto最优解

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基于覆盖率的传感器优化部署算法

计算机工程 2010年第3期36卷 94-96页

作者：朱继华武俊陶洋重庆邮电大学光电工程学院重庆400065 重庆邮电大学通信与信息工程学院重庆400065

传感器部署是传感器网络工作的基础,对网络的运行情况和寿命有很大影响。针对传感器网络节点部署时首要考虑的覆盖问题,提出一种可以满足不同覆盖率要求的节点优化部署算法,在提高节点覆盖性能的同时优化节点数量,降低网络的配置代价。... 详细信息

传感器部署是传感器网络工作的基础,对网络的运行情况和寿命有很大影响。针对传感器网络节点部署时首要考虑的覆盖问题,提出一种可以满足不同覆盖率要求的节点优化部署算法,在提高节点覆盖性能的同时优化节点数量,降低网络的配置代价。仿真结果证明,该算法可最大化节点的覆盖效率。

关键词：传感器网络覆盖传感器部署网络优化三角剖分

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基于信息覆盖理论的传感器节点部署方法

计算机工程与设计 2008年第17期29卷 4444-4446,4471页

作者：曾锃张洋贾国光湖南大学计算机与通信学院湖南长沙410082 长沙奇星网络科技有限公司湖南长沙410008

传感器网络中,覆盖控制是一个基本的问题。传感器节点既可以随机部署也可以在特定的环境中指定部署。传感器部署在传感区域网格的顶点处,如果信息能够覆盖网格中所有的顶点,此传感器网络为完全信息覆盖。通过研究基于完全信息覆盖理论... 详细信息

传感器网络中,覆盖控制是一个基本的问题。传感器节点既可以随机部署也可以在特定的环境中指定部署。传感器部署在传感区域网格的顶点处,如果信息能够覆盖网格中所有的顶点,此传感器网络为完全信息覆盖。通过研究基于完全信息覆盖理论的传感器节点指定部署,把传感器部署问题转化为受限的优化问题,并提出了一种贪婪算法,目的是在保证覆盖要求的条件下总代价的最小化。计算结果显示该算法不仅能有效的求得高质量的解决方案,而且还能在满足信息覆盖的要求的同时,极大地减少所需传感器的数量。

关键词：传感器部署信息覆盖受限优化算法分布式传感器网络贪婪算法