通信工程专业-基于GUROBI的水面无线传感器网络优化部署研究Word格式文档下载.docx

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两种网络架构的数学模型均以成本最小为优化目标，同时考虑了目标区域覆盖率、网络连通性以及能量消耗等限制条件。

优化部署问题的研究过程主要包括问题描述、数学模型建立、典型场景验证以及整数线性规划求解。

线性求解器GUROBI对数学模型求解后，MATLAB软件将网络布局的优化结果直观地展示出来。

本文针对每一种网络架构都选取了两个典型场景来检验其数学模型的正确性，实验结果验证了数学模型的有效性。

此外，仿真实验分别模拟了岸基和海上平台周围水域的中大规模无线传感器网络部署，仿真实验的结果显示了两种网络架构的数学模型的可行性。

关键词：

无线传感器网络；

优化部署；

整数线性规划；

GUROBI

Abstract

Inrecentyears,Chinahasproposedamarinedevelopmentstrategynamed“OneBeltOneRoad”,showingitsstronginterestinmaritimerights,seabornetrade,etc.Nevertheless,themarineenvironmentisfacingheightenedthreatswiththefurtherexploitationofmarineresources.Andoilspillisatypicalrepresentativeofmarinepollution.Theconventionaltoolsusedbytechnicianscontainsatellites,aircraftandships,butthesetoolshavetheirownlimitations.However,wirelesssensornetworkhasmanyuniqueadvantagesincludingconvenientdeployment,strongself-organizationability,lesslaborconsumption,all-timemonitoring,lowcosts,etc.Asaconsequenceofallthesefactors,thisthesisresearchesontheapplicationofwirelesssensornetworkinoilspillmonitoring.

Thisthesisfocusesontwodifferentnetworkarchitectures,oneisthree-layerbasicnetworkarchitecture（3-SWSN）,theotherisfour-layernetworkarchitecturebasedoncluster（4-SWSN）,thenadoptsalinearsolverGUROBItocompletetheoptimizeddeploymentofwirelesssensornetworks.Bothofthetwonetworkarchitecturestaketheminimumcostsastheoptimizationobjectiveandconsidertheconstraintsincludingtargetareacoverage,networkconnectivityandenergyconsumption.Theresearchproceduresofoptimizeddeploymentissuescompriseproblemdescription,mathematicalmodelformulation,typicalscenesverificationandintegerlinearprogrammingcomputation.AftersolvingthemathematicalmodelthroughGUROBI,MATLABsoftwareindicatestheoptimizedresultsofnetworklayoutsclearly.Furthermore,thethesismakesuseoftwotypicalscenestoverifythecorrectnessofeachmathematicalmodelandtheexperimentalresultsconfirmitseffectiveness.Inadditiontothat,thesimulationexperimentsstudymedium-scaleandlarge-scalewirelesssensornetworkdeploymentsofthetargetareasurroundingtheseashoreandoffshoreplatformrespectively,theresultsofwhichillustratethefeasibilityofmathematicalmodelsofthetwonetworkarchitectures.

Keywords:

wirelesssensornetwork,optimizeddeployment,integerlinearprogramming,GUROBI

目录

第1章绪论 1

1.1论文研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文的主要工作 4

1.4本文的组织结构 4

第2章无线传感器网络（WSN）覆盖问题相关研究 6

2.1无线传感器网络 6

2.1.1无线传感器网络概述 6

2.1.2无线传感器网络的特点 8

2.1.3无线传感器网络的关键技术 10

2.2传感器节点 12

2.2.1传感器节点感知模型 12

2.2.2传感器节点部署方案 13

2.3无线传感器网络的挑战 14

2.4本章小结 15

第3章水面无线传感器网络基础架构（3-SWSN）优化部署 16

3.1WSN优化问题求解方法 16

3.1.1整数线性规划概述 16

3.1.2GUROBI介绍及求解过程 17

3.2网络架构模型 23

3.3问题描述及假设 24

3.4数学建模 25

3.4.1变量及参量设定 25

3.4.23-SWSN的数学模型 26

3.53-SWSN模型验证 27

3.5.1场景验证一 27

3.5.2场景验证二 29

3.6基于线性求解器的3-SWSN问题求解 31

3.7本章小结 34

第4章基于Cluster的水面无线传感器网络（4-SWSN）优化部署 35

4.1网络架构模型 35

4.2问题描述及假设 36

4.3数学建模 37

4.3.1变量及参量设定 37

4.3.24-SWSN的数学模型 39

4.44-SWSN模型验证 40

4.4.1场景验证一 40

4.4.2场景验证二 42

4.5基于线性求解器GUROBI的4-SWSN问题求解 44

4.6本章小结 47

结论 48

参考文献 49

致谢 51

第1章绪论

1.1论文研究背景及意义

21世纪海上丝绸之路是2013年10月中国国家主席习近平访问东盟国家时提出的战略构想。

该计划意在通过航海贸易带来合作共赢、促进不同文化的碰撞与交融，凸显了中国发展海洋的坚定决心。

2014年的《中国海洋发展报告》同样强调了建设海洋强国的重要性，报告指出目前中国经济正处于转型期，海洋资源开发是推动经济发展的一个良好机遇。

然而，全面推进海洋战略实施的同时，中国海洋灾害发生的几率将越来越高，特别是石油、化工等产业加快沿海布局，而沿海城市人口相对密集，这就进一步增加了海洋灾害的风险。

近年来，我国在近海石油开采方面发展迅速，可是石油开采设备却出现不同程度的故障和老化，使得水面溢油逐渐成为我国最常见的海洋灾害之一。

2010年4月20日美国墨西哥湾一处石油平台发生爆炸，随后发生原油泄漏事故，事发15天后补救措施仍未有效遏制溢油，日均漏油多达五千桶，污染的水域面积超过一万平方公里，事故造成巨大的环境和经济损失。

同年7月中石油大连输油管道发生原油起火和原油入海，导致上万吨原油泄漏，大面积海洋受到污染。

不仅石油平台可能发生原油泄漏，船舶溢油事故也时有发生，水面溢油严重污染海洋环境。

水面溢油对海洋环境的危害是多方面的。

首先，水面溢油会对一些动物和海洋浮游生物造成影响。

一部分水面溢油被浮游生物吸收，而浮游生物自身对原油十分敏感，因此水面溢油威胁到浮游生物的生存。

同时，水面的油膜会阻碍浮游植物进行光合作用。

当浮游生物受到污染时，高级海洋生物会因食用浮游生物而间接摄入原油，使得脏器受损。

另外，鸟类接触油膜后，其羽毛浸入原油而无法保温和防水。

其次，水产养殖也会受到水面溢油的影响。

溢油使得养殖鱼类体内毒素聚集而无法食用，养殖海参、海带等受到污染，养殖所用的网箱难于清洁，这将给渔业从业人员带来沉重损失。

此外，水面溢油会对海岸和码头构成威胁。

海滨浴场可能受到溢油污染而直接影响当地旅游业，码头周围的游艇被溢油污染后需要高额成本来进行清理。

由上述危害可知，水面溢油严重影响海洋生态环境，同时带来一系列的经济损失。

因此，及时发现水面溢油并对其进行监测和控制显得异常重要。

水面溢油的监测办法通常包括卫星遥感、航空监测、船舶监测等。

这些常用的监测手段，有的成本高昂，有的受到天气条件的限制，还有的覆盖面积过小、连续性不佳，因此需要一种功能强大而又全面的新技术应用于水面溢油监测。

无线传感器网络因其众多独特的优势而适合监测水面溢油。

现代信息技术如无线通信、传感器技术等的高速发展使得无线传感器网络的广泛应用成为可能。

无线传感器网络部署方便、成本低廉，在无人值守环境中可连续准确地进行目标监测、信息采集等工作。

目前，无线传感器网络相关技术渐趋完善，能够实时监测油气成分的传感器的研制奠定了无线传感器网络应用于水面溢油监测的技术基础。

从上述调研背景可以看出，将无线传感器网络应用于水面溢油监测是一个明智的选择，它不仅能节省人力成本、进行全天候监控，而且其组网性能良好、部署方便。

确定了监测水面溢油的方法，接下来如何使网络部署成本最小成为首要的问题，为此引入国际先进的线性求解器GUROBI对网络进行优化。

在满足水域覆盖率、网络连通性、能量消耗等诸多要求的情况