一种浮标的状态监测与调度方法、系统以及介质与流程

1.本发明涉及浮标监测技术领域，尤其涉及一种浮标的状态监测与调度方法、系统以及介质。


背景技术：

2.在现有的水体监测与研究中，需要经常对特定区域的水体参数进行长期、定点与实时的监测，而现如今应用最为广泛的监测设备即是浮标，浮标为水体参数的定点监测、相关气候及污染物的监测发挥了重要作用。
3.然而，在现有浮标装置中，面对风、海流以及漂浮物等各种各种的外界因素的侵蚀和干扰，数据传输困难，并且浮标因为远离岸基其自身的运行状态难以实时监控，且在发现故障之后难以采用恰当的抢救方案来恢复，以上种种现象给整个浮标通信网络造成了许多不便，大大影响了浮标相关任务的执行。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种浮标的状态监测与调度方法、系统以及介质，其解决了现有方案难以在浮标故障之后快速恢复整个浮标通信网的技术问题。
6.(二)技术方案
7.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
8.第一方面，本发明实施例提供一种浮标的状态监测与调度方法，包括：
9.依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态；
10.在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率；
11.其中，每一浮标在所述通信网中具备相应的通信权重。
12.可选地，依据获取的预设监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态之前，还包括：
13.在预设的监测区域内的不同位置布设多个浮标团聚组，并依据预设的监测拓扑图控制每一浮标团聚组的所有浮标行进至各自的活动区，以组建若干监测范围交叠的最小监测组；
14.在所述最小监测组内，依据任一浮标与其他浮标的通信路径和通信时长确定一个主站，且至少选择一个浮标作为次选主站。
15.可选地，在同一最小监测组内，主站与每一个浮标形成订阅关系，所述主站用于将获取的指令按照预设的订阅关系下发至建立订阅关系的浮标，也用于将接收的建立订阅关系的浮标数据上传至相应数据库中；
16.其中，所述主站保持全功率运行，非主站的其他浮标则在未接收到主站的下发指
令时，仅保持支持最低任务要求的低功率运行。
17.可选地，处于交叠区域的浮标作为活动浮标，同时与形成该交叠区域的若干最小监测组通信。
18.可选地，依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态包括：
19.依据获取的监测区域内的浮标的历史状态数据，得到浮标的若干转移状态和状态转换概率，并构建基于马尔科夫链的状态判断模型；
20.通过所述状态判断模型确定浮标的当前时刻的最大可能状态；
21.其中，所述状态依据预设的界定条件分为：正常运行s1、故障但支持最低任务要求s2、故障且不支持最低任务要求s3。
22.可选地，在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率包括：
23.若为主站的浮标处于故障时，调度同一最小监测组的次选主站行进至主站的活动区，作为新的主站来行使主站的通信权重，并依据预设的调度约束控制控制同一最小监测组的其他浮标的行进至相应位置点以维持故障之前的监测区域和通信效率；
24.若为次选主站的浮标处于故障时，通过主站调度同一最小监测组的其他非主站的浮标的行进至次选主站的活动区，作为新的次选主站来行使次选主站的通信权重，并依据预设的调度约束控制同一最小监测组的其他浮标的行进至相应位置点以维持故障之前的监测区域和通信效率；
25.若非主站和非次选主站的浮标处于故障时，并依据预设的调度约束控制控制其他非主站和非次选主站的浮标的位置以维持故障之前的监测区域和通信效率；
26.其中，
27.所述主站在通信网中的通信权重包括：与预设的岸基控制中心直接通信以及与次选主站和其他非主站和非次选主站的浮标直接通信；
28.所述次选主站在通信网中的通信权重包括：与主站直接通信以及与其他非主站和非次选主站的浮标直接通信；
29.所述其他非主站和非次选主站的浮标在通信网中的通信权重包括：仅与主站直接通信。
30.可选地，所述调度约束为：
[0031][0032]
其中，分别为各浮标调整位置之前的主站向某一浮标下发指令直至收到指令反馈信号的时长、各浮标调整位置之后的主站向某一浮标下发指令直至收到指令反馈信号的时长；ui分别为第i个浮标的进行速度，u
i+1
为第i个浮标的相邻浮标的期望行进速度；
xi、yi分别为第i个浮标前往期望位置的横向距离和纵向距离，eu为浮标的单位距离所耗电量，e0为调度所耗电量阈值。
[0033]
第二方面，本发明实施例提供一种浮标的状态监测与调度系统，包括：岸基控制中心以及与所述岸基控制中心通信的若干浮标；
[0034]
所述岸基控制中心包括：
[0035]
状态判断模块，用于依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态；
[0036]
浮标调度模块，用于在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率。
[0037]
可选地，所述浮标形成多个监测范围交叠的最小监测组；每一个最小监测组包括：主站、次选主站以及非主站和非次选主站的浮标；
[0038]
在同一最小监测组内，主站与所述次选主站以及所述非主站和非次选主站的浮标形成订阅关系，所述主站用于将从所述岸基控制中心获取的指令按照预设的订阅关系下发至建立订阅关系的浮标，也用于将接收的建立订阅关系的浮标数据上传至所述岸基控制中心。
[0039]
可选地，所述可执行指令被处理器执行时实现如上所述的一种浮标的状态监测与调度方法。
[0040]
(三)有益效果
[0041]
本发明的有益效果是：本发明提供一种因浮标故障而导致通信阻塞的合理解决方案，其监测每一浮标的运行状态，在判断某一浮标故障之后，控制其他浮标快速进行补位的同时还依据相应约束条件维持故障之前的监测范围和通信效率，使得整个浮标通信网的抗干扰性和鲁棒性都较现有方案具备较大的优势，其应用前景广大。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的流程示意图；
[0043]
图2为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s1之前的具体流程示意图；
[0044]
图3为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s1的具体流程示意图；
[0045]
图4为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的浮标状态转换示意图；
[0046]
图5为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s2的具体流程示意图；
[0047]
图6为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的浮标的组成示意图。
具体实施方式
[0048]
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发
明作详细描述。
[0049]
图1为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提出的一种浮标的状态监测与调度方法，包括：首先，依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态；其次，在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率；其中，每一浮标在通信网中具备相应的通信权重。
[0050]
本发明提供了一种因浮标故障而导致通信阻塞的合理解决方案，其监测每一浮标的运行状态，在判断某一浮标故障之后，控制其他浮标快速进行补位的同时还依据相应约束条件维持故障之前的监测范围和通信效率，使得整个浮标通信网的抗干扰性和鲁棒性都较现有方案具备较大的优势，其应用前景广大。
[0051]
为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0052]
具体地，本发明提供的一种浮标的状态监测与调度方法，包括：
[0053]
s1、依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，判断每一浮标的状态。
[0054]
图2为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s1之前的具体流程示意图，如图2所示，在步骤s1之前，还包括：
[0055]
f11、利用飞机空投、船舶等方式在监测区域内的不同位置布设多个浮标团聚组，并依据预设的监测拓扑图控制每一浮标团聚组的所有浮标行进至各自的活动区，以组建若干监测范围交叠的最小监测组。这样设置的目的在于，避免存在监测盲区的情况下，选用的浮标尽可能少且可均匀覆盖较大的区域，一般来说，最小监测小组可选择三角阵形和矩形等。
[0056]
在实施例中，本发明基于预先规划的监测区域生成拓扑图；通过投放工具将多个浮标投放于预先规划的监测区域，得到多个浮标团聚组；接着，依据获取的区域约束信息，控制每个浮标行进直至抵达相应位置点以形成期望的监测区域。
[0057]
f12、在最小监测组内，依据任一浮标与其他浮标的通信路径和通信时长确定一个主站，即选择一个与其余浮标通信路径和通信时长最短的浮标作为主站，且至少选择一个在与其余浮标通信路径和通信时长上最接近主站的浮标作为次选主站。
[0058]
进一步地，在同一最小监测组内，各个浮标以自身设备序列号为主题与主站形成基于mqtt协议的订阅关系，主站用于将获取的指令按照预设的订阅关系下发至建立订阅关系的浮标，也用于将接收的建立订阅关系的浮标数据上传至相应数据库中；采用订阅/发布的通信方式，可以实现：不要求浮标实时在线，有利于减少电量消耗，这对于布设与海面上的难以补充电量的浮标而言有重大意义。同时，主站保持全功率运行，非主站的其他浮标则在未接收到主站的下发指令时，仅保持支持最低任务要求的低功率运行，这也减少了电量消耗，延长了使用时间。
[0059]
进一步地，处于交叠区域的浮标作为活动浮标，同时与形成该交叠区域的若干最小监测组通信。因活动浮标远离主站，处于最小监测组的最远边界处，其通信延时较长且丢包率较大，因此同时与形成该交叠区域的若干最小监测组的主站进行通信，采用这种双重
验证，增强其可靠性。
[0060]
图3为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s1的具体流程示意图，如图3所示，步骤s1包括：
[0061]
s11、依据获取的监测区域内的浮标的历史状态数据，得到浮标的若干转移状态和状态转换概率，并构建基于马尔科夫链的状态判断模型。
[0062]
s12、通过状态判断模型确定浮标的当前时刻的最大可能状态。
[0063]
图4为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的浮标状态转换示意图，如图4所示，状态依据预设的界定条件分为：正常运行s1、故障但支持最低任务要求s2、故障且不支持最低任务要求s3。
[0064]
状态转移概率为：
[0065][0066]
由此，状态判断模型为：x(t)＝x(0)
·
p，x(0)为浮标的初始概率分布，x(t)为所需时刻的浮标的各个状态概率。
[0067]
采用基于马尔科夫链的状态判断模型能够实现浮标故障的实时排查，在发现故障之后能够及时对故障浮标进行替换和回收，有效提高浮标工作的自动化智能化，大大减轻浮标的实时维护压力。
[0068]
s2、在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率。
[0069]
图5为本发明实施例提供的一种浮标的状态监测与调度方法的步骤s2的具体流程示意图，如图5所示，步骤s2包括：
[0070]
s21、若为主站的浮标处于故障时，调度同一最小监测组的次选主站行进至主站的活动区，作为新的主站来行使主站的通信权重，并依据预设的调度约束控制控制同一最小监测组的其他浮标的行进至相应位置点以维持故障之前的监测区域和通信效率。
[0071]
s22、若为次选主站的浮标处于故障时，通过主站调度同一最小监测组的其他非主站的浮标的行进至次选主站的活动区，作为新的次选主站来行使次选主站的通信权重，并依据预设的调度约束控制同一最小监测组的其他浮标的行进至相应位置点以维持故障之前的监测区域和通信效率。
[0072]
s23、若非主站和非次选主站的浮标处于故障时，并依据预设的调度约束控制控制其他非主站和非次选主站的浮标的位置以维持故障之前的监测区域和通信效率。
[0073]
上述故障的浮标经由后续的回收工具进行回收维修，以投入下次的浮标布设中。
[0074]
进一步地，主站在通信网中的通信权重包括：与预设的岸基控制中心直接通信以及与次选主站和其他非主站和非次选主站的浮标直接通信，即主站作为浮标通信网的通信主节点，分别与岸基控制中心通信连接、以及其他浮标通信连接；次选主站在通信网中的通信权重包括：与主站直接通信以及与其他非主站和非次选主站的浮标直接通信；其他非主站和非次选主站的浮标在通信网中的通信权重包括：仅与主站直接通信，仅与主站通信可最大化电量的节能。
[0075]
更进一步地，所述调度约束分别从通信时延、各个浮标的行进速度以及总耗电量
这三方面进行控制，具体为：
[0076][0077]
其中，分别为各浮标调整位置之前的主站向某一浮标下发指令直至收到该浮标的指令反馈信号这一整段的时长、各浮标调整位置之后的主站向某一浮标下发指令直至收到该浮标的指令反馈信号的时长；ui分别为第i个浮标的进行速度，u
i+1
为第i个浮标的相邻浮标的期望行进速度，通过第二个关系式的约束能使得每一个浮标到达相应位置的时间一致，保证整个浮标通信网的一致性；xi、yi分别为第i个浮标前往期望位置的横向距离和纵向距离，eu为浮标的单位距离所耗电量，e0为调度所耗电量阈值。
[0078]
以及，本发明提供一种浮标的状态监测与调度系统，包括：岸基控制中心以及与岸基控制中心通信的若干浮标。
[0079]
岸基控制中心包括：状态判断模块，用于依据获取的预设的监测区域的浮标状态信息，并依此来通过基于马尔科夫链的状态判断模型判断每一浮标的状态。浮标调度模块，用于在确定某一浮标的状态为故障时，调整其他一个或多个浮标的位置和/或通信权重以使所有浮标形成的通信网维持浮标未故障之前的监测区域和通信效率。
[0080]
其中，浮标形成多个监测范围交叠的最小监测组；每一个最小监测组包括：主站、次选主站以及非主站和非次选主站的浮标。
[0081]
在同一最小监测组内，主站与次选主站以及非主站和非次选主站的浮标形成订阅关系，主站用于将从岸基控制中心获取的指令按照预设的订阅关系下发至建立订阅关系的浮标，也用于将接收的建立订阅关系的浮标数据上传至岸基控制中心。
[0082]
由于本发明上述实施例所描述的系统/装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该系统/装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的系统/装置都属于本发明所欲保护的范围。
[0083]
然则，在具体实施例中，参考图6示出的本发明实施例提供的浮标的各部分组成，可知浮标包括：采集部分、用于对声音采集数据和浮标内部数据进行处理的数据处理部分、用于根据浮标电压数据控制电压输出的设备调整部分以及用于根据声音采集数据处理形成图形化显示的数据输出部分；其中采集部分包括：水听器采集阵列(五元十字阵列)、姿态传感器、ntp校时模块(gnss卫星定位校时)、内部采集模块(采集浮标的电压、电流、温度、湿度)。较佳地，本技术的浮标还可以增设相应的获能装置，如：水流波动获取装置、太阳能获取装置等。
[0084]
整个浮标的投放与监测流程为：
[0085]
(1)在投放时，在浮标主体安装特定的降落伞，由直升机等飞行器进行固定投放。
投放系统将为启动状态，并监测浮标内部状态。
[0086]
(2)浮标投入水里，由于大气压作用，水泵距离海面位置很近，由于重力作用，悬挂的配重将沉入水下，并通过绳索将传感器支架打开(支架近似于伞状结构)。
[0087]
(3)当浮标投放后，电池bms首先进入启动状态，并监测浮标内部状态，当内部温度、湿度、电池剩余电量符合预设时，bms将为内部主机提供供电；由此进入主机控制模式。
[0088]
(4)浮标的本身主机运行，接替bms的控制，并重新检测浮标内部环境，当内部温度、湿度、电池剩余电量符合主机内的预设时进行下一步工作。
[0089]
(5)浮标的本身主机控制电路发出工作指令，这时对应电路供电打开，如无线通讯、gnss、声音采集整列、内部环境监测等功能进入运行状态。浮标整体处于完全工作状态，即全功率运行。
[0090]
(6)浮标的本身主机读取gnss信息，获得卫星定位，和卫星精确时间，由于数据采集的时差精度，系统将直接使用获取到的卫星时间进行采集。
[0091]
(7)浮标的本身主机使用无线通讯进行远程连接主站，并将位置信息发送给主站，如断开连接，主机继续执行断开前的操作，并保存数据。
[0092]
(8)主站连接同一最小监测小组的浮标的主机，对浮标进行操作，是否采集声音数据。
[0093]
(9)浮标的本身主机运行采集功能，采集水下声音和读取bms状态。
[0094]
(10)浮标的本身主机通过无线传输，将采集的声音数据传输回主站，主站将通过算法对数据进行处理。
[0095]
(11)浮标的本身主机通过bms状态，获得电池余量信息，在余量不足时发送位置信息给主站，并通知服务此浮标电池电量不足。此时，浮标将断开出主机外的供电设备，并每隔半小时重新打开gnss与无线传输，通知主站的浮标当前位置，之后又将关闭供电。此循环将直至电池余量耗尽或回收完毕。
[0096]
(12)回收，由于浮标为电池供电，运行时间由电池容量决定，在接近耗完电时由浮标本身的主机向主站提供位置信息，在故障时由相邻浮标向主站提供位置信息，后续由水上工具进行定点回收。
[0097]
此外，本发明还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，其特征在于，可执行指令被处理器执行时实现如上所述的一种浮标的状态监测与调度方法。
[0098]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0099]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
[0100]
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的
硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
[0101]
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0102]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0103]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。