[发明专利]一种面向监测的水下传感器网络能量持续管理方法

权利要求书

1.一种面向监测的水下传感器网络能量持续管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构造水下传感器网络的水下传感器节点能量模型；

S2、基于水下传感器节点能量模型，构造能量持续管理方案的目标函数与约束函数；

S3、构造能量持续管理的价值函数，并设置不同过程状态，获得对应的能效数据；

S4、根据监测目标的预测状态信息与S3中所获得的能效数据，训练神经网络模型，求解出能量持续管理方案。

2.根据权利要求1所述的一种面向监测的水下传感器网络能量持续管理方法，其特征在于，步骤S1具体为：

水下传感器节点具有激活状态与待机状态两种工作状态；激活状态下，水下传感器节点执行监测任务，利用感知模块获取与目标相关的量测数据，并利用传输模块将量测数据发送出去；待机状态下，水下传感器节点执行能量恢复任务，能量收集模块利用水流运动收集能量；

根据上述工作状态，构造水下传感器节点能量模型的表达式为：

其中，e_i，k+1为k+1时刻水下传感器节点i的能量；e_i，k为k时刻水下传感器节点i的能量；为k时刻感知模块运行所需的能量；为k时刻传输模块运行所需的能量；为k时刻能量收集模块将收集的能量，能量收集符合一阶马尔可夫过程，划分为L个等级，并满足分别表示收集到的不同能量等级；对应的转移概率为为由变为的概率；e_max表示水下传感器节点的能量上限；pi为工作状态选择函数，激活状态下p_i＝1，待机状态下p_i＝0；表示返回与e_max中的最小值。

3.根据权利要求1所述的一种面向监测的水下传感器网络能量持续管理方法，其特征在于，步骤S2具体为：

定义能效为单位能量变化下的监测效果；

其中，为互信息，表示监测效果，受传输能量的影响；Δe_i，k＝e_i，k-e_i，k-1为水下传感器节点i相邻时刻的能量变化；

能量持续管理的目标就是使水下传感器网络在监测时长内的能效最大化，对应的目标函数表达式为：

其中，K为监测时长，M为组成水下传感器网络的水下传感器节点数目，其中，M≥4；

受到水下场景高维度的限制，为保证监测的稳定性，至少需要4个水下传感器节点参与监测；因此，构造激活节点个数约束，对应的表达式为：

受到水下传感器节点能量的限制，量测模块与传输模块消耗的能量不能超过当前能量；因此，构造单位时间内的能量约束，对应的表达式为：

其中，e_i，T表示节点i在T时刻所能够提供的最大能量，T∈{1，2，…，K}。

4.根据权利要求1所述的一种面向监测的水下传感器网络能量持续管理方法，其特征在于，步骤S3具体为：

定义过程状态c_k，包含e_i，k与其中，表示为k-1时刻能量收集模块所收集的能量；

定义决策动作，即能量持续管理方案，包含p_i、与

在满足步骤S2中约束函数的情况下，构造能量持续管理的价值函数，对应的表达式为：

其中，Q_k(c_k)为k时刻过程状态c_k对应的能效数据，带入不同监测时刻下的过程状态c_k，获得对应的能效数据Q_k(c_k)。