[发明专利]用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法

说明书

本发明提供一种用于供水管网污染入侵点识别的传感器优化布置方法，首先对污染入侵节点进行风险评估并对污染入侵节点进行选择和聚类，基于分层算法得到一组传感器布置方案满足传感器网络的可识别性，然后，基于传感器的数量和传感器发生故障时对传感器网络的影响对各种方案进行比较得到最优方案，在对各种方案进行比较时考虑了污染概率的变化。在传感器数量有限的情况下，该方法考虑了各种污染入侵节点发生概率的变化，能够确保对造成严重后果的污染入侵节点进行检测和识别，对供水管网污染物入侵监测具有重要意义。

技术领域

本发明属于城市供水管网传感器优化布置，具体涉及一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法。

技术背景

供水管网是城市基础设施的重要组成部分，通过管道给居民提供饮用水。供水管网中的节点可能是有意或无意污染物入侵点，污染物入侵会直接对用户的生命造成威胁。为了减轻污染物入侵造成的危害，需要在供水管网中布置传感器构建安全和高效的监测系统。考虑到安装和维护成本，不可能在管网的每个节点布置传感器。需要优化地选择传感器位置，并尽可能减少传感器的数量。在对此类传感器网络进行设计时，必须考虑几类因素，如污染物入侵的检测与识别、传感器发生故障的影响、污染事件的影响等。

针对供水管网污染物入侵监测的传感器优化布置得到了广泛关注，其中传感器网络的可观测性和可识别性是两个重要参考指标。可观测性指污染物入侵检测能力，在发生污染物入侵时至少有一个传感器做出响应。一些优化方法用来传感器网络的可观测性，一些优化目标如检测时间、需求覆盖率或者污染造成的影响得到了广泛应用。可识别性指污染物入侵点识别能力，在发生污染物入侵时不仅有传感器做出响应而且可以识别出污染物入侵的位置。一些方法用来满足传感器网络的可识别性，如在污染物入侵点和可能受到污染影响的节点之间建立二分图，将其转化为二分图上的最小集覆盖问题；基于识别准则使得具有相同报警模式的污染入侵节点数目最小。实际上，只有准确识别污染入侵节点，才能快速采取相应措施(如关闭相应的阀门避免污染物在供水管网内的传播)使供水管网尽快恢复运行。

一些在传感器优化布置时考虑了传感器发生故障的情况，结果表明传感器发生故障的情况会影响传感器最佳位置的选择。实际上，由于传感器日常维护操作(更换电池或校准)、传感器发生故障或者通信中断，监测数据会发生中断。各种方法被用来提高传感器网络在实际中的稳定性，例如对单个传感器的缺陷或故障进行量化，假定每个传感器发生的概率，每个污染事件同时由1个以上的传感器实现检测，考虑传感器发生中断的情况,确保传感器发生故障时的信息熵损失最小。

尽管一些方法被用来对污染物入侵点识别传感器网络进行优化布置，但这些方法假设各个污染入侵点污染概率相同，没有考虑污染概率的变化。实际上，由于各个节点的需求、与各节点直接连接的管道长度、管道流速和用户属性的不同，各节点污染概率可能不同。在供水管网存在故意污染的情况下，节点污染概率的变化有助于建立一个有效的监测系统。一些方法考虑了管网各个节点污染概率的变化，如污染概率基于公共节点与特殊节点之间的距离，污染概率基于用户属性，污染概率基于节点发生污染的风险等级。此外，由于传感器数量有限，对发生污染入侵的节点进行选择可以减少计算量和得到更加合理的传感器布置方案。一些方法在传感器优化布置时对污染入侵节点进行了选择，如污染物入侵只发生在非终端节点或节点需求不为零的节点，只考虑对供水管网10％以上节点有影响的污染入侵节点，根据节点发生污染物入侵后造成的影响对其进行抽样，只选择造成严重污染后果的污染物入侵节点。尽管这些方法考虑了污染概率的变化和污染事件的选择，但是不能对污染物入侵点进行识别。

发明内容

有鉴于此，本发明针对供水管网污染物入侵点的识别，提出了一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法。

为实现以上目的，本发明提供一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，包括采以下步骤：