一种空间约束的传感器安装点优化布设方法及系统与流程

本发明涉及空间测量、传感器布设及智能优化，尤其涉及一种空间约束的传感器安装点优化布设方法及系统。

背景技术：

1、随着工业厂房、大型装备、桥梁隧道、能源设施及复杂建筑的数字化监测需求不断提高，需要在受限空间内安装温度、振动、应力、位移、气体或图像传感器，以采集待测结构的状态信息。传感器安装位置及安装姿态会直接影响待测表面的覆盖程度、测量精度和数据稳定性。实际布设过程中，安装点还受到允许安装区域、禁装区域、障碍物、检修通道、支架尺寸、线缆走向及施工可达性等条件限制。

2、现有技术通常先根据三维模型、允许安装构件或均匀网格生成离散候选安装点，再以待测区域覆盖率、传感器数量或布设成本为目标，采用粒子群算法、遗传算法或多目标进化算法筛选候选安装点。部分方案还通过射线相交或视场判断确定安装点与待测表面之间的可视关系，并以罚函数处理禁装区侵入、安装间距不足、测量距离超限及安装姿态不符合要求等约束，最终输出被选中的传感器安装位置。

3、然而，固定候选点难以对实际安装坐标和姿态进行局部连续调整，而采用数量及次序不固定的坐标集合又会造成不同候选方案之间缺少稳定的点位对应关系。现有覆盖评价多以是否可见或覆盖次数为依据，未充分反映测量距离、入射姿态及传感器质量对有效测量结果的共同影响，部分中间覆盖贡献也未与最终有效覆盖判据建立明确联系。此外，多项空间约束通常被相互独立地处罚，难以反映约束共同违反的关联性，优化结果中还可能保留贡献较低的冗余安装点，导致布设数量、施工成本与测量可靠性难以兼顾。

4、因此，需要一种能够在保持候选方案点位对应关系的同时，联合优化传感器安装点启用状态、坐标和姿态，将覆盖贡献切实接入有效覆盖判断，并能根据搜索样本中的约束共同满足或共同违反状态形成耦合惩罚的空间约束优化布设方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种空间约束的传感器安装点优化布设方法及系统，以解决复杂空间中固定候选点缺乏局部可调性、变长度方案难以对应、覆盖评价与最终目标脱节、多约束共同违反难以刻画以及优化后仍存在冗余安装点的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种空间约束的传感器安装点优化布设方法，包括如下步骤：

4、s1，获取待测空间的三维几何模型、待测表面、允许安装区域、禁装区域、障碍物、传感器参数及布设约束，将所述待测表面离散为多个表面单元，将所述允许安装区域划分为具有唯一编号的多个安装子区域，并为各安装子区域确定初始安装点、坐标可调范围和姿态可调范围；

5、s2，针对由被激活安装子区域中的传感器安装点构成的候选布设方案，进行安装点至各表面单元的可视性检测，结合可视性、安装点与表面单元之间的距离及入射姿态，计算覆盖贡献和测量可靠度，并根据各表面单元的累计覆盖程度及聚合可靠度确定有效覆盖状态；

6、s3，统计多个候选布设方案对各项布设约束的满足状态，依据任意两项布设约束共同满足、共同违反及单项违反的出现次数构建约束耦合矩阵，并基于所述约束耦合矩阵形成同时表征单项约束违反和耦合约束共同违反的约束惩罚项；

7、s4，采用由各安装子区域的激活度、传感器安装点坐标和安装姿态组成的定长编码构建候选布设方案，以有效覆盖、测量可靠度、布设成本和所述约束惩罚项构成优化目标进行粒子群迭代；当群体离散度和最优目标改进率同时低于各自阈值时，对候选布设方案执行差分变异和交叉，并对变异交叉后的激活度、坐标及安装姿态进行边界投影和约束修复；

8、s5，对获得的候选最优布设方案计算各传感器安装点被删除前后的有效覆盖损失、测量可靠度损失及成本节省量，据此确定边际贡献并依次删减低边际贡献的冗余传感器安装点；每次删减后重新执行有效覆盖和布设约束校验，输出通过校验的传感器安装点坐标、安装姿态及安装顺序。

9、作为优选的，所述表面单元为由待测表面三角剖分得到的三角形面元，第

j个表面单元至少具有中心点

cj、面积

aj、单位法向量

nj和重要性权重

wj；第

i个安装子区域记为

ωi，对应的传感器安装点坐标

pi满足

pi∈

ωi，安装姿态

φi位于预设姿态范围内；所述可视性检测包括从

pi向

cj发射检测线段，当所述检测线段未与障碍物模型在先于

cj处发生相交且入射姿态满足传感器视场条件时，将可视性标识

vij置为1，否则置为0。

10、作为优选的，第

i个传感器安装点对第

j个表面单元的覆盖贡献

gij按下式计算：

11、

12、其中：

13、

dij=‖

pi-

cj‖2为传感器安装点与表面单元中心点之间的距离；

14、

d0为优选测量距离；

15、

sd为距离衰减尺度；

16、

θij为测量方向与所述单位法向量之间的偏离角；

17、

θ0为允许偏离角尺度，且 0<

θ0<

π/2。

18、作为优选的，第

i个传感器安装点对第

j个表面单元的测量可靠度

rij按下式计算：

19、

20、

21、其中：

22、

qi∈[0,1]为第

i个传感器的标定质量系数；

23、

dmin和

dmax分别为允许测量距离的下限和上限，且

dmin<

d0<

dmax；

24、

θmax为允许偏离角上限；

25、为有效测量工况标识；

26、区间截断算子定义为：

27、

28、用于将相应距离衰减因子和角度衰减因子分别限定至区间[0,1]。

29、作为优选的，令

zi∈{0,1}表示第

i个安装子区域是否被激活，归一化覆盖贡献为

γij=

gij/

aj，第

j个表面单元的累计覆盖程度

γj(p)、聚合可靠度

rj(p)和有效覆盖标识

ej(p)分别为：

30、

31、

32、

33、其中：

34、

p为候选布设方案；

35、

m为安装子区域数量；

36、

ε为防止分母为零的正数；

37、

τj和

ηj分别为第

j个表面单元的覆盖程度阈值和可靠度阈值；

38、候选布设方案的加权有效覆盖率为：

39、

40、作为优选的，针对布设约束

p和布设约束

q，在预设统计窗口内分别统计二者共同满足的次数

npq11、共同违反的次数

npq00、约束

p满足而约束

q违反的次数

npq10以及约束

p违反而约束

q满足的次数

npq01，约束耦合矩阵中的元素为：

41、

42、令

δp(p)为候选布设方案

p对约束

p的归一化违反量，则约束惩罚项为：

43、

44、其中，

λp为单项约束惩罚系数，

μ为耦合约束惩罚系数。

45、作为优选的，第

k个候选布设方案采用如下定长编码：

46、

47、其中，

ρki∈[0,1] 为第

i个安装子区域的激活度，且当

ρki≥

τs时令

zki=1，否则令

zki=0；不同候选布设方案中编号相同的安装子区域相互对应；优化目标为：

48、

49、其中，f(p)为候选布设方案的综合目标值，c(p)为加权有效覆盖率，r(p)为加权聚合可靠度，k(p)为归一化布设成本，为约束惩罚项，

αc、

αr、

αk为权重系数。

50、作为优选的，在第

t次迭代中，令

ai(t)={

k∣

zki(t)=1} 表示激活第

i个安装子区域的候选布设方案集合，所述群体离散度

d(t)和最优目标改进率

δf(t)分别为：

51、

52、

53、其中，

p _

i(t)为集合

ai(t)中第

i个传感器安装点坐标的均值，

li为安装子区域

ωi的特征长度；当

d(t)<

τd且

δf(t)<

τf时触发所述差分变异和交叉，ft best和ft-1 best分别为第t次和第t-1次迭代的群体最优目标值。

54、作为优选的，差分变异和交叉同时作用于激活度、传感器安装点坐标和安装姿态，交叉后将激活度截断至区间 [0,1]，将传感器安装点坐标投影至对应安装子区域，将安装姿态投影至对应姿态范围，并对禁装区侵入、障碍物碰撞和最小安装间距违反进行修复；对于当前布设方案

p中的第

i个传感器安装点，其边际贡献为：

55、

56、其中，

βc、

βr和

βk分别为有效覆盖损失、聚合可靠度损失和成本节省量的权重系数；按照边际贡献由小到大的顺序尝试删除传感器安装点，仅在删除后仍满足最低有效覆盖率、最低聚合可靠度及全部硬约束时保留该删除操作，并根据相邻安装点之间的可达距离生成安装顺序。

57、一种空间约束的传感器安装点优化布设系统，包括：

58、空间建模与离散模块，用于获取待测空间的三维几何模型及布设数据，将待测表面离散为多个表面单元，将允许安装区域划分为具有唯一编号的多个安装子区域，并为各安装子区域确定初始安装点、坐标可调范围及姿态可调范围；

59、覆盖与可靠度计算模块，用于进行传感器安装点至表面单元的可视性检测，计算覆盖贡献、测量可靠度、累计覆盖程度、聚合可靠度和有效覆盖状态；

60、约束耦合分析模块，用于统计候选布设方案对各项布设约束的满足状态，构建约束耦合矩阵并生成约束惩罚项；

61、混合优化模块，用于采用包含激活度、传感器安装点坐标及安装姿态的定长编码执行粒子群迭代，并在群体离散度及最优目标改进率同时低于各自阈值时执行差分变异和交叉，以及执行边界投影和约束修复；

62、冗余删减与输出模块，用于计算传感器安装点的边际贡献，依次尝试删除低边际贡献的传感器安装点，重新校验有效覆盖和布设约束，并输出传感器安装点坐标、安装姿态及安装顺序。

63、作为优选的，同时提供执行所述方法的电子设备和计算机可读存储介质。

64、本发明具有如下有益效果：

65、1.本发明采用“唯一编号安装子区域、逻辑点位槽、激活度及区域内连续坐标”的表示方式，既能保证不同候选方案中的点位一一对应，又允许实际安装点在工程许可范围内细化调整，从数据结构上避免粒子或差分向量中不同物理点位相互错配。

66、2.本发明将带面积量纲的覆盖贡献归一化为无量纲贡献，再依次形成表面单元累计覆盖程度、聚合可靠度、有效覆盖标识和整体加权有效覆盖率，使安装点局部贡献与最终优化目标形成明确的计算链，能够同时排除“可见但角度不合适”和“覆盖达到但可靠度不足”的表面单元。

67、3.本发明基于共同满足、共同违反及两种单项违反四种状态构建对称约束耦合矩阵，统计含义明确；耦合矩阵仅对正耦合且共同违反的约束对施加联合惩罚，能够在不替代硬约束修复的情况下引导搜索避开反复出现的复合不可行区域。

68、4.本发明将粒子群的快速全局搜索能力与由离散度、改进率双阈值触发的差分变异相结合，只有当群体聚集且目标改进不足时才引入额外扰动，因而能够兼顾迭代效率和跳出局部停滞的能力；变异后的边界投影和约束修复保证了安装坐标、姿态及激活状态仍具有明确工程意义。

69、5.本发明在优化后依据性能损失与成本节省共同确定边际贡献，并逐点复核硬约束，能够减少对有效覆盖和可靠度贡献有限的冗余传感器安装点，同时输出可执行的坐标、姿态和安装顺序，有利于降低采购、布线、施工及维护成本。