基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的污染源定位研究.pdf

1、污染監(jiān)測(cè)與污染源定位對(duì)環(huán)境保護(hù)有重要意義。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)分布密集、多節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作、成本相對(duì)低廉、監(jiān)測(cè)范圍廣、地理位置限制小等諸多優(yōu)點(diǎn)，其在污染源監(jiān)測(cè)與定位中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是遙感探測(cè)、移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)、人工探測(cè)等常用方法的重要補(bǔ)充。本文研究了多污染對(duì)象監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題、不同地形條件下的水污染源定位問(wèn)題和移動(dòng)的污染源追蹤問(wèn)題。主要內(nèi)容如下:
　　1.提出并解決了多種污染源監(jiān)測(cè)情形下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)多重覆蓋問(wèn)題。針對(duì)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布

2、的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一種平均子網(wǎng)壽命模型，在給定成本預(yù)算與各子對(duì)象的基本覆蓋率需求下，給出一種基于整數(shù)向量規(guī)劃的多目標(biāo)多重覆蓋算法。首先求取監(jiān)測(cè)不同子對(duì)象的傳感器數(shù)量，然后基于平均子網(wǎng)壽命模型，求取不同類(lèi)型的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。針對(duì)向量規(guī)劃問(wèn)題，文中給出兩種不同次優(yōu)解法。在仿真實(shí)驗(yàn)部分，將不同次優(yōu)解法進(jìn)行了對(duì)比，并分析了算法計(jì)算復(fù)雜度。仿真示例驗(yàn)證了所提出的多重覆蓋算法的有效性。
　　2.提出了具有較高穩(wěn)健性的SL-n(Samples

3、 for Localization-n nodes)估計(jì)算法。在SL-n算法中，先將目標(biāo)源周?chē)杏^(guān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以n個(gè)節(jié)點(diǎn)為一組進(jìn)行分組，通過(guò)局部最小二乘方法求出每組觀(guān)測(cè)值的估計(jì)樣本，然后基于樣本集數(shù)據(jù)估計(jì)源位置。運(yùn)用該算法解決了無(wú)邊界靜態(tài)水體中的污染源定位問(wèn)題。在仿真實(shí)驗(yàn)部分，對(duì)比了最小二乘算法，SL-n算法，最小一乘算法隨觀(guān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，觀(guān)測(cè)誤差變化的定位性能，驗(yàn)證了SL-n算法的優(yōu)越性。
　　3.分析了靜態(tài)水體中邊界影響下的近岸污染源

4、擴(kuò)散過(guò)程，提出了一種分段濃度模型，結(jié)合不同應(yīng)用需求分別應(yīng)用非線(xiàn)性最小二乘方法與無(wú)跡卡爾曼濾波方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)問(wèn)題建模，給出了通用模型法、近似函數(shù)法、基于無(wú)跡卡爾曼濾波(UKF）的估計(jì)法三種近岸污染源定位算法。在仿真實(shí)驗(yàn)部分，對(duì)近岸污染源擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了水文模擬，根據(jù)MODFLOW模擬數(shù)據(jù)對(duì)比了不同算法的性能。結(jié)果表明三種算法各有優(yōu)勢(shì)，通用模型法可快速獲取目標(biāo)源相關(guān)信息，近似函數(shù)法有更穩(wěn)健的參數(shù)估計(jì)性能，基于無(wú)跡卡爾曼濾波的估計(jì)方法可權(quán)衡數(shù)

5、值計(jì)算復(fù)雜度與估計(jì)性能。
　　4.分析了移動(dòng)的污染擴(kuò)散源的擴(kuò)散過(guò)程，給出一種離散化濃度場(chǎng)模型。將連續(xù)線(xiàn)源目標(biāo)追蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)源目標(biāo)追蹤的次優(yōu)問(wèn)題，提出了一種離散化移動(dòng)擴(kuò)散源追蹤算法。先采用約束最小二乘方法估計(jì)目標(biāo)實(shí)時(shí)位置，到達(dá)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)一步采用僅針對(duì)位置序列的Sage-Husa卡爾曼濾波方法優(yōu)化初始位置估計(jì)。該算法克服了一般基于動(dòng)態(tài)序列的追蹤方法無(wú)法直接應(yīng)用于離散移動(dòng)擴(kuò)散源追蹤問(wèn)題的不足。在仿真實(shí)驗(yàn)中，分別在勻速率平