[发明专利]一种使用微分进化求解无线传感器网络最优路径的方法

摘要

本发明涉及一种使用微分进化求解无线传感器网络最优路径的方法，依据图论知识，使用无向图来描述无线传感器网络路径问题，研究无线传感网络中的节点和信息传递，无向图G=（V，E）中，V表示网络所有节点的集合，E是所有通信路线的集合，V=Vhead，V1，…，Vk，…，Vn；E=E1，…，Ek，…，En；假设其中Vhead是簇内的目标节点，即簇首节点；第k个节点是源节点，建立路径优化模型，然后使用微分进化算法作为搜索工具，求得从源节点到目标节点传递所需最小的能量消耗，找到一条从源节点到目标节点传递信息所需能量消耗为最小的路径。该方法能够快速准确地计算出最优的、能量消耗最小的传输路径。 1

主权项

1.一种使用微分进化求解无线传感器网络最优路径的方法，依据图论知识，使用无向图G=（V，E）来描述无线传感器网络路径问题，研究无线传感网络中的节点和信息传递，无向图G=（V，E）中，V表示网络所有节点的集合，E是所有通信路线的集合，V=V_head，V₁，…，V_k，…，V_n；E=E₁，…，E_k，…，E_n；E₁是第1个节点的连接链路，E_k是第k个节点的连接链路；假设其中V_head是簇内的目标节点，即簇首节点；第k个节点是源节点，建立路径优化模型，然后使用微分进化算法作为搜索工具，求得从源节点到目标节点传递所需最小的能量消耗，找到一条从源节点到目标节点传递信息所需能量消耗为最小的路径；所述n、k为自然数；

V_i、V_j是无向图G=（V，E）中的节点，节点V_i和V_j之间传递链路所消耗能量为C_ij，整个网络的能量消耗矩阵是C=[C_ij]，该矩阵为n*n的对称矩阵L，即C_ij=C_ji；节点V_i和V_j之间的连接情况为I_ij，如果节点V_i到V_j之间存在链路，则I_ij=1，否则I_ij=0；

将无线传感器网络中的最优路径转换成最小化问题，得出优化目标函数

式中i、j是节点号，为自然数；s是源节点，D是目标节点；求得从源节点到目标节点传递所需最小的能量消耗总和，即确定最优的传递路径；

采用基于路径的可变长度的十进制染色体编码方式，对染色体进行编码设计，随机生成初始化染色体种群，染色体由整数队列组成，每个基因的整数都不相同，这些整数是无线传感器网络中的节点号，所有染色体第一个和最后一个基因分别是源节点和目标节点；

初始化种群后首先进行变异操作，采取基于集合的DE/rand/1的变异，将染色体r2和r3做差集得到c，相当于经典差分变异中的r2‑r3，然后将染色体r1与c做并集操作，类似经典变异中的r1+(r2‑r3)，由于是对集合的处理，整个变异过程中变异因子F值为1。

2.根据权利要求1所述的使用微分进化求解无线传感器网络最优路径方法，其特征在于：变异操作之后进行交叉操作：

采用类似二项式交叉，首先确定染色体的长度，假设较短的染色体X长度为lenS，较长的染色体V长度为lenL；

然后进行具体交叉操作，当基因位数小于lenS时，采用经典的二项式交叉，当基因位数大于lenS小于lenL时，实验向量U从变异向量V中全部选取；

在交叉过程中，若发现实验向量基因为目的节点，则交叉操作立即结束，此时已获得一条完整路径。

3.根据权利要求2所述的使用微分进化求解无线传感器网络最优路径的方法，其特征在于：

变异交叉以后，会产生一些不连通、存在回路的非法染色体，为了保证每个染色体都是合法的，需对种群进行修正操作；需要注意的是在初始化种群后也会出现非法染色体，初始化之后也要进行一次修正操作；修正操作的过程使用一个栈结构，栈内存储的基因都能保证构成合法路径：

首先对一个染色体的每个基因考虑，若是源节点则直接入栈，若非源节点，需考虑该基因与栈内栈顶节点是否构成合法路径；

如果构成合法路径则入栈，否则考虑栈内栈顶节点，找到与栈顶节点组成合法路径 的节点，将这些节点与栈顶之前的节点做差集得到C，从C中任意选择一个节点去取代当前基因；

如果C是空集，那么栈顶节点退栈，对新的栈顶节点做类似考虑，递归调用该过程，对整个染色体的基因修正后，凡是进入栈内的基因都能组成合法路径；

修正操作后染色体的长度将发生变化，但每个染色体都是合法的且第一个和最后一个节点分别是源节点和目标节点。