[发明专利]基于蚁群搜索算法的异构无线传感器网络寿命优化技术

摘要

本发明公开了一种基于蚁群搜索算法的异构无线传感器网络寿命优化技术。该技术同时考虑无线传感器网络必须完全覆盖监测目标和保持网络连通性的两个约束，通过把网络中不同类型的设备划分为尽可能多的同时满足覆盖和连通约束的子集来优化异构无线传感器网络的寿命。该技术根据蚁群搜索算法上一代的搜索结果自适应地构建解构造图。每只蚂蚁在信息素和启发式信息的引导下基于解构造图构建一种设备划分策略。引入自适应的解构造图构建方法避免了由于预先设立过多子集而引起的优化困难，同时也为进一步的优化提供了指引。信息素记录了子集结构的历史信息，启发式信息反映了子集对某一设备的需求程度，这二者结合能指导蚂蚁高效地建立高质量的解。本技术还引入了一种基于冗余设备调度的局部搜索算法，进一步提高了该技术的优化效率。

主权项

1.一种基于蚁群搜索算法的异构无线传感器网络寿命优化技术，其特征是：基于自适应构建的解构造图，通过蚁群搜索算法的解构造行为循序渐进地将不同类型的设备划分为尽可能多的同时保证完全覆盖监测目标和保持网络连通性的子集，从而优化异构传感器网络的寿命，具体包括以下步骤和操作：(1)初始化：设置优化技术涉及的各个控制参数，估计异构传感器网络中连通覆盖子集数目的上限并利用这个上限定义信息素的初始值τ₀；(2)解构造：首先，根据当前的搜索结果自适应地构建解构造图，解构造图的每个顶点v_ij表示将设备j分配到子集S_i中，i＝1，2，...，N_t，j∈SE∪SI，其中N_t表示算法第t代的子集总数，SE和SI分别表示传感器集合和数据结点集合；N_t设置为1+C^bs，C^bs表示历史最优解中连通覆盖子集的数目，随着算法找到含有更多连通覆盖子集的解，解构造图的子集总数也随之增加，驱动算法寻找更多同时满足覆盖与连通约束的子集；基于上述自适应构建的解构造图，蚂蚁遵循一套专门设计的解构造规则高效地构造问题的一个合法解，这套规则规定每只蚂蚁必须从解构造图的每一列中选择一个且仅一个顶点，即无线传感器网络的每个设备被划分到一个且仅一个子集；同时，这套规则利用信息素记录两个设备隶属同一子集的历史信息，两个设备被分配到同一子集且该子集是连通覆盖集的情况越多，两个设备间的信息素浓度越大，通过计算未分配设备与某一集合中已存在设备的信息素的平均浓度，可以估计将该设备划分到这一子集的倾向；另一方面，这套规则将未分配设备对集合违反约束情况的改善程度作为启发式信息，从而使设备倾向于被划分到对其需求最大的子集；(3)评价解：综合考虑解的各个子集对覆盖约束、数据收集约束和路由约束的满足程度，采用以下评价函数对解的质量进行评估：Φ(S)=ω1Σi=1N(κi+χi+λi)/3+ω2C]]>其中，常数ω₁＞0，ω₂＞0是两个预先设定的权值，κ_i，χ_i和λ_i分别表示解S的第i个子集S_i对三个约束的满足程度的量化标准，i＝1，2，...，N，N是子集总数，C则是连通覆盖子集的个数；(4)局部信息素更新：在每只蚂蚁构建完一个解后，局部信息素更新将解中存在于同一子集的任意两个设备J、K间的信息素更新为：τ(J，K)＝(1-ρ)·τ(J，K)+ρ·τ₀其中，ρ∈(0，1)是信息素局部更新规则中的蒸发率；局部信息素更新可以降低曾被划分到同一子集的两个设备间的信息素浓度，为后续的优化过程提供更多选择其它设备组合的机会；(5)局部搜索：当所有蚂蚁完成解构造后，在历史最优解上执行基于冗余设备调度的局部搜索，从而进一步提高解的质量，形成更多连通覆盖子集；(6)全局信息素更新：为了保留连通覆盖子集的结构特征，全局信息素更新将历史最优解S^bs的连通覆盖集中任意两个设备J，K间的信息素增强为：τ(J，K)＝(1-ξ)·τ(J，K)+ξ·Δτ其中，ξ∈(0，1)是全局信息素更新中的蒸发率，Δ提根据S^bs的评价函数值计算的信息素增量，这样将可以吸引更多蚂蚁至全局最优解的周围进行搜索；蚁群搜索算法执行完全局信息素更新后完成一次迭代，此时如停止条件已被满足，则终止整个算法并得到最终解，否则返回第2步继续优化。