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水利安全中混凝土松軟程度報(bào)警網(wǎng)絡(luò)模型仿真

文檔作者：張建偉1’2 文檔來(lái)源： 1．鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 2．河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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水利安全中混凝土松軟程度報(bào)警網(wǎng)絡(luò)模型仿真
張建偉1’2
(1．鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州459000；2．河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，河南鄭州450044)
摘要：針對(duì)混凝土松軟程度進(jìn)行及時(shí)報(bào)警，關(guān)系到水利建設(shè)的安全。由于在大型水利設(shè)施中i混凝土松軟的程度很容易受到
地下水流干擾，使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的混凝土松軟程度出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的波動(dòng)，造成報(bào)警節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)誤判的問(wèn)題，提出采用信號(hào)
譯碼重構(gòu)算法的大型水利設(shè)施混凝土松軟程度傳感網(wǎng)絡(luò)報(bào)警模型。利用信號(hào)譯碼重構(gòu)的方法對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的疑
似信號(hào)進(jìn)行譯碼與重構(gòu)，消除水聲干擾信號(hào)造成的影響，獲取準(zhǔn)確的混凝土松軟程度信號(hào)，設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)
信號(hào)在水中傳輸情況，隨著距離衰落的特性計(jì)算報(bào)警節(jié)點(diǎn)的空間位置，實(shí)現(xiàn)混凝土松軟程度報(bào)警節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)
果表明，利用改進(jìn)算法能夠?qū)崿F(xiàn)大型水利設(shè)置中混凝土松軟程度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：大型水利工程；混凝土松軟程度；報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)；譯碼重構(gòu)
中圖分類號(hào)：TP391．9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：8
Large Degree of Hydraulic Concrete Soft Alarm
Communication Network Model Design
ZHANG Jian—weil，2
(1．Sehool of Information Engineering，Zhengzhou University，zhengzhouHenan 450000，China；
2．Department of Computer Application，Henan Institute of Animal Husbandry and Economics，Zhongzhou Henan 450044，China)
ABSTRACT：Timely alarm of concrete soft degree is related to the safety of the water conservancy construction．In
large water conservancy facilities，concrete soft degree is vulnerable to the interference of groundwater flow，making
random fluctuations of using wireless sensor nodes to detect concrete soft degree，which leads the misjudgment prob—
lem appeared in alarm nodes．A sensor network alarm model of concrete soft degree in large water conservancy facilities
was proposed using signal decoding reconstruction algorithm．We used the method of signal decoding reeonstruc—
tion make decoding and reconstruction for suspected signal detected by wireless sensor nodes，eliminated the effects of
acoustic jamming signal，and obtained accurate signals of concrete soft degree．The relay node WaS set as the reference
node，according to the transmission status of signal in the water，the spatial location of alarm node WaS caleulated
according tO the features of distance decay，to realize the accurate positioning of alarm node of concrete soft degree．
Experimental results show that using the improved algorithm can achieve the accurate monitoring of concrete soft
degree in large water conservancy project．
KEYWORDS：Large water conservancy project；Concrete soft degree；Alarm communication network；Decoding reeon—
strtuction
1 引言
隨著人們對(duì)綠色能源的不斷重視和工業(yè)技術(shù)水平的不
斷提高，大型水利工程建設(shè)越來(lái)越多?。大型水利工程建設(shè)
對(duì)于緩解能源危機(jī)，避免環(huán)境污染方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意
義[2]。大型水利工程在使用的過(guò)程中，混凝土松軟程度的監(jiān)
測(cè)是極其重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)?，一旦混凝土松軟程度達(dá)到一定
數(shù)值，將會(huì)引起大型水利工程出現(xiàn)漏水、甚至垮塌事故，造成
收稿日期：2014-06—30
．---——280．---——
重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失口j。因此，如何對(duì)大型水利工程混
凝土松軟程度進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，已經(jīng)受到很多專家的高度重
視H J?，F(xiàn)階段，主要是采用無(wú)線傳感通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)大型水利混
凝土松軟程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的¨J。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知
混凝土的松軟程度的變化，并將這種變化以無(wú)線信號(hào)的形式
發(fā)送到監(jiān)控中心，完成大型水利混凝土松軟程度的監(jiān)測(cè)報(bào)
警帕j。大型水利工程混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)模型的
構(gòu)建方法，已經(jīng)成為水利領(lǐng)域需要研究的熱門(mén)問(wèn)題07-10]。
在大型水利工程中，會(huì)存在大量水聲干擾信號(hào)，這些干
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
擾信號(hào)對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的通信造成嚴(yán)重干擾，利用傳統(tǒng)的方
法進(jìn)行大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程
中，無(wú)法避免水聲干擾信號(hào)造成的影響，造成通信信號(hào)不準(zhǔn)
確，無(wú)法對(duì)報(bào)警部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致混凝土松軟程度監(jiān)
測(cè)準(zhǔn)確率下降，無(wú)法保證大型水利工程的安全。
為了避免上述傳統(tǒng)算法的弊端，提出一種基于信號(hào)譯碼
重構(gòu)算法的大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信方法。利用
信號(hào)譯碼重構(gòu)的方法對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行譯
碼與重構(gòu)，消除水聲干擾信號(hào)造成的影響，獲取準(zhǔn)確的混凝
土松軟程度報(bào)警信號(hào)，設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)信號(hào)
在水中傳輸情況，隨著距離衰落的特性計(jì)算報(bào)警節(jié)點(diǎn)的空間
位置，實(shí)現(xiàn)了混凝土松軟程度報(bào)警節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)
果表明，利用改進(jìn)算法進(jìn)行大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通
信網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，能夠極大地提高通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，滿足
通信系統(tǒng)的實(shí)際需求。
2混凝土松軟程度傳感網(wǎng)絡(luò)報(bào)警原理
大型水利設(shè)施中，混凝土松軟程度直接影響水利工程的
安全性。因此，需要對(duì)地下混凝土松軟程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)報(bào)警的原理如下所
述：
混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)主要是采用元線傳感節(jié)
點(diǎn)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點(diǎn)收集到
的混凝土松軟程度的信息首先需要發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)
點(diǎn)再將信號(hào)發(fā)送到混凝土松軟程度的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了混凝
土松軟程度情況的監(jiān)測(cè)。
設(shè)置傳感節(jié)點(diǎn)s發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)的混凝土松軟程度信號(hào)
髫的功率是P，，中繼節(jié)點(diǎn)R接收到該信號(hào)，進(jìn)行譯碼、重構(gòu)后，
向監(jiān)控中心發(fā)送重構(gòu)后的信號(hào)的功率是P2，且滿足P。+只
=P，P為傳感節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的總功率，為固定值。
由于混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)
和多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，因此，需要利用下述公式描述信號(hào)
在傳輸過(guò)程中的適應(yīng)度函數(shù)
g(Z)=氏+flFf+xF (1)
其中，g(2)用來(lái)描述信號(hào)傳輸過(guò)程中的第z個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)
的空間位置。氏用來(lái)描述該傳感節(jié)點(diǎn)在傳輸信號(hào)時(shí)的功
率，口用來(lái)描述混凝土松軟程度信號(hào)測(cè)量誤差搿用來(lái)描述信
號(hào)在傳輸過(guò)程中水聲干擾誤差。
利用下述公式能夠計(jì)算信號(hào)中的水聲干擾信號(hào)
尹=者ΣE (2) n?
假設(shè)大型水利工程的面積是N X N，傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是
P，中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是厶，利用下述公式能夠計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)的
取值
L=√嘉×√薏×筍c3，
利用下述公式能夠計(jì)算信號(hào)傳感節(jié)點(diǎn)空間位置
g(f)=F。邯Ff+魯Σf。(4) ，一㈨1‘≠￡
當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的混凝土松軟程度信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)閥值
時(shí)，利用式(4)能夠準(zhǔn)確計(jì)算出警報(bào)傳感節(jié)點(diǎn)的位置，完成
大型水利混凝土松軟程度的監(jiān)測(cè)報(bào)警。但是，大型水利設(shè)施
中，混凝土松軟的程度很容易受到地下水流干擾，使無(wú)線傳
感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的混凝土松軟程度出現(xiàn)無(wú)規(guī)則的波動(dòng)，造成報(bào)
警節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)誤判的問(wèn)題。
3 報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)模型
利用傳統(tǒng)算法進(jìn)行大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信
網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程中，無(wú)法避免由于水聲信號(hào)造成的干擾，導(dǎo)
致信號(hào)失真嚴(yán)重，最終造成報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)的定位準(zhǔn)確性降
低，為此，提出一種基于信號(hào)譯碼重構(gòu)算法的大型水利混凝
土松軟程度報(bào)警通信方法。
3．1 混凝土松軟程度信號(hào)解調(diào)與重構(gòu)
在進(jìn)行大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)通信的
過(guò)程中，需要利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的
松軟程度傳感信號(hào)進(jìn)行譯碼，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，具體方法
如下所述
利用下述公式能夠描述無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)D接收到的混凝
土松軟程度信號(hào)
Y，d=h礎(chǔ)·√P1·戈+n“ (5)
利用下述公式能夠描述中繼節(jié)點(diǎn)接收到的傳感節(jié)點(diǎn)信
號(hào)
％=h∥~／Pl·龍+rt。， (6)
利用下述公式能夠描述中繼節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的混凝土松
軟程度信號(hào)的譯碼信號(hào)
Y矗=h心√Pj菇+n州(7)
假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼正確，則將該信號(hào)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。利
用下述公式能夠完成混凝土松軟程度信號(hào)的重構(gòu)： 茗互。=警]i-∥d+警1i1耐耐 (¨8’)
完成信號(hào)重構(gòu)后，中繼節(jié)點(diǎn)將重構(gòu)后的混凝土松軟程度
信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控中心，假設(shè)中繼節(jié)點(diǎn)譯碼不正確，則不向監(jiān)
控中心發(fā)送該信號(hào)，并且利用下述公式繼續(xù)進(jìn)行混凝土松軟
程度信號(hào)的譯碼
羔：墮N~／只正(9)．y 菇=一．J L y J
根據(jù)上述方法，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行譯碼和重構(gòu)，為消除水
聲干擾信號(hào)造成的影響提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
3．2 水聲干擾信號(hào)的消除方法
利用下述公式能夠描述水聲信號(hào)的干擾信號(hào)
，(t)=~／2．，cos(∞Jt+妒J) (10)
其中，t，能夠描述水聲干擾信號(hào)的功率，∞，和驢J能夠分
別描述水聲信號(hào)的干擾頻率和干擾相位。
假設(shè)混凝土松軟程度的報(bào)警信號(hào)為0，則接收到的混凝
一281—
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
土松軟程度信號(hào)能夠用下述公式進(jìn)行描述：
r(￡)=s(￡)+J(￡)=CYfid(t)c(f)c。s(甜。t)+歷cos(O)j￡+妒J)
(11)
將上述信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，能夠得到下述公式
rl(t)=√2Pd(￡)cos(∞ot)+，(￡)c(￡) (12)
將上述公式與載波信號(hào)2cos(w。t)相乘，能夠消除高頻
分量后的水聲干擾信號(hào)并(t)
戈(￡)=√2Pd(f)+√2．，c(t)cos(如t一妒J) (13)
其中，△∞=∞。一m，，利用下述公式能夠描述乃時(shí)刻接
收到的混凝土松軟程度信號(hào)
，，(n)=參腳￡)dt-+1+YJ (14)
其中，
YJ=瓦A Jf。ra何c(t)cos(△小’9，)dt
：告^俘T J、一嘞№(15) 2百√可adJo c(t)cos(Amt—p，彤。
A=1／√西
利用下述公式能夠?qū)J描述為一個(gè)時(shí)間間隔t中的積
分之和
"去捂篙c。C”tcoscAeot--oj，也Ⅲ，
其中，”能夠是N個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量之和，可以近似看作高斯
隨機(jī)變量。則cf=0時(shí)，y(％)=±1+"也能夠看作高斯隨
機(jī)變量，其均值是±1，曠2，為Y，的方差盯；，，即一=盯2，，。
利用下述公式能夠描述，，，的方差：
齋。s2％幽=∞。一嘶=o
J sin2(a￡oT／2)
2PN(a∞T／2)2 l+!』：!j!i：：!÷!型一．、：∞。一∞，≠oN 1‘
sin(Amr、”o?J。。c
’gdttll／
(17)
假設(shè)存在混凝土松軟程度的報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)處理
后，則中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)吾f。(·)dt的分量y。是一個(gè)均
值是0、方差為Dr：=No／2PTa的高斯隨機(jī)變量。
3．3 松軟程度報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位
設(shè)置P(戈，)，)是混凝土松軟程度報(bào)警節(jié)點(diǎn)，P(x。，兒)是
中繼節(jié)點(diǎn)A。的坐標(biāo)，則中繼節(jié)點(diǎn)與報(bào)警節(jié)點(diǎn)的距離越近，中
繼節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)警節(jié)點(diǎn)的影響就越大。
利用下述公式能夠描述第五個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)到報(bào)警節(jié)點(diǎn)的距
離
¨(黜)id0 (19)
其中，a用來(lái)描述信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失系數(shù)，g用來(lái)描述
W。與d。呈現(xiàn)反比例關(guān)系的系數(shù)，設(shè)置參考距離成在大型水
．．．——282．．．——
利工程中的取值為100m，利用下述公式能夠計(jì)算混凝土松
軟程度信號(hào)的傳輸模型Pr(do)=篇(20)
利用下述公式能夠計(jì)算報(bào)警節(jié)點(diǎn)的空間位置
Σwkp(x。，Yk) P(x，Y)=上Li—～ (21)
Σ魄
其中，d的取值是由水聲干擾信號(hào)決定的。
根據(jù)上面闡述的方法，能夠構(gòu)建大型水利混凝土松軟程
度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)該模型完成報(bào)警節(jié)點(diǎn)的空間位
置，保證大型水利混凝土松軟程度滿足建筑施工的需求。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為了驗(yàn)證改進(jìn)算法的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)
在matlab7．1仿真平臺(tái)上進(jìn)行。設(shè)置n小n，，和n一是相互獨(dú)立
的混凝土松軟程度報(bào)警信號(hào)，總功率為P=3，P。用來(lái)描述傳
感節(jié)點(diǎn)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，P：用來(lái)描述中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到
監(jiān)控中心的信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，利用不同算法進(jìn)行大型
水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)的通信實(shí)驗(yàn)。下表1能
夠描述不同的混凝土松軟程度值對(duì)應(yīng)的P，：
表1不同混凝±松軟程度對(duì)應(yīng)的Pl
將P。和P：=2一P。分別發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心的過(guò)
程中，仿真獲得不同算法的誤碼率曲線，如圖1所示。
根據(jù)上圖能夠得知，利用改進(jìn)算法進(jìn)行大型水利混凝土
松軟程度報(bào)警通信系統(tǒng)通信的過(guò)程中，誤碼率相對(duì)傳統(tǒng)算法
更低，這說(shuō)明改進(jìn)算法具有現(xiàn)實(shí)意義。
在水聲干擾信號(hào)干擾的作用下，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)通信信號(hào)
的傳輸時(shí)延、載波頻率等參數(shù)都與水聲干擾信號(hào)有著密切的
關(guān)系。由于大型水利工程中的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)很多都分布在
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
試驗(yàn)次數(shù)／次
圖1不同算法通信信號(hào)誤碼率
水下，因此最大時(shí)延逐漸增加，報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性
也逐漸降低。
圖2能夠描述報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)的吞吐量變化趨勢(shì)。從下
圖2能夠看出，隨著分布在水下的傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)目不斷增
加，大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)的整體吞吐量也
不斷降低，通信信號(hào)的質(zhì)量也逐漸降低。
節(jié)點(diǎn)數(shù)目／個(gè)
圖2不同算法網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化趨勢(shì)
利用不同算法對(duì)大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)
絡(luò)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)，獲取的報(bào)警通信節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確率能夠用圖3
進(jìn)行描述。
圖3不同算法報(bào)警節(jié)點(diǎn)定位準(zhǔn)確率
根據(jù)上圖能夠得知，改進(jìn)算法能夠有提高大型水利混凝
土松軟程度報(bào)警通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率，這是因?yàn)楦倪M(jìn)算法
能夠在應(yīng)用的過(guò)程中，首先將松軟程度信號(hào)進(jìn)行譯碼和重
構(gòu)，根據(jù)信號(hào)重構(gòu)結(jié)果，根據(jù)信號(hào)在水中傳輸情況，依據(jù)距離
衰落的特性結(jié)合中繼節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算最終獲取
報(bào)警傳感節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。
5結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信
網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的過(guò)程中，無(wú)法避免水聲干擾信號(hào)的干擾，導(dǎo)
致混凝土松軟程度報(bào)警節(jié)點(diǎn)定位不準(zhǔn)確的弊端，提出一種基
于信號(hào)譯碼重構(gòu)算法的大型水利混凝土松軟程度報(bào)警通信
方法。利用信號(hào)譯碼重構(gòu)的方法對(duì)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)信號(hào)
進(jìn)行譯碼與重構(gòu)，消除水聲干擾信號(hào)造成的影響，設(shè)置中繼
節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)信號(hào)在水中傳輸情況，隨著距離衰落
的特性計(jì)算報(bào)警節(jié)點(diǎn)的空間位置，實(shí)現(xiàn)了混凝土松軟程度報(bào)
警節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用改進(jìn)算法能夠?qū)?bào)
警傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，為大型水利工程的安全運(yùn)行提供
了可靠的技術(shù)保障。
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[作者簡(jiǎn)介]
張建偉(1970一)，男(漢族)，河南陜縣人，碩士，副
教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能。
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