基于光纤传感网鲁棒性评估的传感器一维布设方法
【专利摘要】一种基于光纤传感网鲁棒性评估的传感器一维布设方法。该方法包括：通过测量获得传感网所要监测区域的长度L；根据工程要求确定传感网中所需光纤传感器种类；通过实验初始化所需参数：衰减系数及阈值，；根据光纤传感网鲁棒性评估模型计算得到相邻两传感器间距范围；以及两传感器间的最佳距离；最后根据求得的最佳距离确定监测长度为L的监测区域所需光纤传感器个数m及其分布。本发明根据光纤传感网鲁棒性评估模型对一维光纤传感网传感器间距的量化计算，能够优化大型一维光纤传感网，在不减弱传感网的监测能力的前提下有效的减少传感器数量，降低传感网不必要的冗余，降低工程成本，使一维光纤传感网鲁棒性达到最高。
【专利说明】基于光纤传感网鲁棒性评估的传感器一维布设方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤智能传感【技术领域】，具体涉及一种一维光纤传感网传感器布设的方法，适用于一切分立式光纤传感器。
【背景技术】
[0002]光纤传感器网可以被广泛的定义为:一组由两个或两个以上的光纤传感器复用在一起，布设在被测物里面或非常接近被测物，对其各个性能参数进行测量的一种传感网络。能够实现多参量、多点的监测和控制，在光纤传感网络中，多个传感器可以共享终端设备，由此带来的经济效益不但在于设备成本的节省，而且也涵盖了包括安装和维护在内的更主要的环节。光纤传感网提供了几乎所有对于应用和环境的传感解决方案:从大规模结构，包括桥梁和建筑，到大型的自然环境。
传感网络是由多个光纤传感器通过复用技术联合成网，从而实现对传感网监测区域内的物理量进行监测。对于较大区域的监测，布设大量光纤传感器复用的光纤传感网络的确能够实现对整个区域进行全面监测，但随着传感器数量的不断增加，对于测量精度及整体工程的成本都有一定的损害。专利CN101694674A介绍了一种基于布设点的弹性力学受力来调整多数量多类型的传感网传感器区域布设，以便使传感器间的数据融合能够达到更好的结果。专利CN101247303A提出了一种弧线型规则带状无线传感网络布设方法，这种方法通过计算相邻节点最大部署间距，以满足给定连通度要求，并实现在给定要求下网络规模最小化。
[0003]目前针对光纤传感网的 传感器布设方法少之又少，在实际工程中传感器布设除关键部位外主要是依靠工程师的实际经验。本发明依据光纤传感网鲁棒性评估模型，提供了一种一维光纤传感网的传感器布设方法,使得一维光纤传感网在保证鲁棒性最高的前提下，使用的传感器数量最少。这样在传感网络较为庞大，传感器数量较多的情况下，可以在满足要求的前提下，即不影响传感网的监测能力，又可以优化传感网减少传感器数量，节约成本。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种基于鲁棒性评估模型的一维光纤传感网传感器布设方法，利用这一方法可以优化大型一维光纤传感网，在不减弱传感网的监测能力的前提下有效的减少传感器数量，降低传感网不必要的冗余，使得一维光纤传感网鲁棒性达到最高，从而降低工程成本。
[0005]这一方法适用于光纤传感网的不同拓扑结构，同时适用于温度和应力的一维区域监测。
[0006]本发明提供的基于光纤传感网鲁棒性评估的传感器一维布设方法的步骤如下:
第1、通过测量获得传感网所要监测区域的横向宽度L ;根据工程要求确定传感网中所
需光纤传感器种类；通过实验初始化所需参数:衰减系数α及阈值^ , O <^€1 ；第1.1、监测能力
在鲁棒性评估模型中，将在监测区域内传感器S能够检测到区域内某一点P上所施加的物理量变化的概率定义为传感器S对P点的监测能力，记作单个光纤传感器监测能力:
/ =厂柄,表征传感器S对P点的监测能力随S与P距离的增大，呈e指数衰减趋势，其
中己为传感器S的矢径；$为P点的矢径；并定义了阈值^，以确定传感器S何时不再能有效监测点P上的物理量变化:若/ay则认为s能够有效监测P点物理量变化；若/ <y则认为s不能有效监测P点物理量变化；
第1.2、衰减系数α的确定
衰减系数与光纤传感器的种类有关，不同种类的光纤传感器的衰减系数不同；
为得到该种传感器的衰减系数α,选取一个传感器S任意布设在监测区域内，在距该
传感器\的位置施加待测物理量，采集传感器数据；之后利用支持向量机(SVM)进行数据
处理，用采集的数据对SVM进行训练和检测，得到均方差mse ;由于SVM对数据的检测精度
与mse成反比，即精度越高，mse越小，因此将"^作为判断传感器对一点能否有效监测
的参量，用f表示，记为^ = -T^=;根据第1.1步中单个传感器S对监测区域内一点的监
J \jmse
测能力公式:/= 得到该种传感器的衰减系数O；;依据此法能够依次得到光纤传感网
中η种传感器的衰减系数；`
第1.3、阈值7
阈值1与传感网所要达到的精度有关，其取值范围为ο <ySI，精度越高I取值越小；在实际工程中可以根据所要达到的精度定乂1的值；
第2、通过计算得到相邻两传感器间距范围;
第2.1、最大间距计算方法
设传感网中两个传感器I和2的坐标分别为(0，0)和(? , ^2),为评价两传感器间的距离，选取两传感器的中点A作为评价点，即当A点被监测到的概率刚好为r时，我们认为两个传感器间的距离达到了一个最大的极限，记这一最大间距为《4? ;A的坐标为
根据第1.1步中单个光纤传感器S对监测区域内一点的监测能力公式，可以
得到光纤传感网中多个光纤传感器联合对一点的监测能力公式，即光纤传感网监测能力公
式:/=其中;r为第i个传感器的矢径；为监测点的矢径;m为传感网
1-1rfr
中光纤传感器总个数:
Y<jA = \-(\-s f2 2 ?得到
【权利要求】
1.一种基于光纤传感网鲁棒性评估的传感器一维布设方法，其特征在于该方法的步骤如下: 第1、通过测量获得传感网所要监测区域的长度L ;根据工程要求确定传感网中所需光纤传感器种类；通过实验初始化所需参数:衰减系数￡1及阈值Ζ , O < y ≤ 1; 第1.1、监测能力 在鲁棒性评估模型中，将在监测区域内传感器S能够检测到区域内某一点P上所施加的物理量变化的概率定义为传感器S对P点的监测能力，记作单个光纤传感器监测能力:f =e-aYm-Yn,表征传感器S对P点的监测能力随S与P距离的增大，呈e指数衰减趋势，其中&为传感器S的矢径，G力P点的矢径；并定义了阈值Y，以确定传感器S何时不再能有效监测点P上的物理量变化:若f≥r则认为S能够有效监测P点物理量变化；若f<r则认为S不能有效监测P点物理量变化； 第1.2、衰减系数的确定 衰减系数I与光纤传感器的种类有关，不同种类的光纤传感器的衰减系数不同； 为得到该种传感器的衰减系数α,选取一个传感器S任意布设在监测区域内，在距该传感器J的位置施加待测物理量，采集传感器数据；之后利用支持向量机(SVM)进行数据处理，用采集的数据对SVM进行训练和检测，得到均方差mse ;由于SVM对数据的检测精度与mse成反比，即精度越高，mse越小，因此将1/√mse作为判断传感网对一点能否有效监测的参量，用/表示，记为1/√mse根据第1.1步中单个传感器s对监测区域内一点的监测能力公式:f=e-axde 得到该种传感器的衰减系数O；;依据此法能够依次得到光纤传感网中η种传感器的衰减系数； 第1.3、阈值r 阈值r与传感网所要达到的精度有关，其取值范围为O <r^i,精度越高I取值越小；在实际工程中可以根据所要达到的精度定义Z的值； 第2、通过计算得到相邻两传感器间距范围； 第2.1、最大间距式MS计算方法 设传感网中两个传感器I和2的坐标分别为(0，0)和U2 , )，为评价两传感器间的距离，选取两传感器的中点作为评价点A，则当A点被监测到的概率刚好力 > 时，我们认为两个传感器间的距离达到了一个最大的极限，记这一最大间距为dmax的坐标为（1/2x2.1/2y2)，根据第1.1步中单个光纤传感器S对监测区域内一点的监测能力公式，可以得到光纤传感网中多个光纤传感器联合对一点的监测能力公式，即光纤传感网监测能力公式:
【文档编号】G06F17/50GK103870638SQ201410066182
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年2月26日 优先权日:2014年2月26日
【发明者】张红霞, 宫语含, 贾大功, 刘铁根, 张以谟 申请人:天津大学