一种电力通信网络冗余节点状态调度方法及系统与流程

1.本公开涉及电力通信技术领域，特别涉及一种电力通信网络冗余节点状态调度方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.在电力通信网络中，终端的冗余节点是指重复配置系统的一些部件节点，该节点可感知网络中所有节点，并在电力系统发生故障时，立即介入到系统中，承担故障部件的工作。
4.对于冗余节点状态调度的研究，有研究人员提供了一种无线传感器网络冗余传感器节点状态调度方法，主要目标是在保证一定覆盖率条件的同时，延长网络生存时间，该方法基于剩余能量的冗余判断，通过预休眠节点选举机制，避免相邻接点重复工作，但是此方案检测能量消耗较高。
5.此外，也有研究人员提供了一种位置无关的wsns节点睡眠调度算法，主要研究了依据距离和感测范围创建网络中的成对节点，基于成对节点的模式切换，消除冗余数据，为了减少能量消耗，该方案基于prime算法将数据从活动节点路由到基站。但是，此方案所需的工作节点数量较多，增加了网络监控时间。
6.发明人发现，目前大多数的冗余节点状态调度策略都是基于同构传感器网络，其可靠性和安全性相比于异构传感器网络表现较弱，同时，已有的调度方案，在能量消耗、覆盖率以及工作节点数量上不能达到很好地同步优化。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度方法及系统，克服了冗余节点状态调度中存在的能量消耗过高的问题，兼顾覆盖率和工作节点数量等影响因素，实现了冗余节点的高效和快速调度。
8.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
9.本公开第一方面提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度方法。
10.一种电力通信网络冗余节点状态调度方法，包括以下过程：
11.以工作-休眠-唤醒为预设区域内各个冗余节点的调度模式；
12.每一个调度周期开始时，当前冗余节点将周期分为多个均匀的时隙，根据当前冗余节点与其他节点相遇的时间以及历史相遇时间，在当前周期内计算时隙内的调度量；
13.将最大调度量对应的时隙时期设为当前冗余节点的唤醒状态，其他冗余节点按照当前节点的最大调度量调整为休眠状态。
14.进一步的，调度量为各个相遇节点的历史相遇时间与当前相遇时间的比值的加和。
15.进一步的，获取传感器采集到的各个节点数据，对得到的冗余节点进行标记，结合
标记后的冗余节点，根据融合的最小二乘算法与迭代算法，得到冗余节点的定位坐标。
16.进一步的，当获取的冗余节点传输的数据包中的数据与冗余节点真实身份不吻合时，判定冗余节点处于异常状态；
17.若未检测出冗余节点的传输信号，服务器节点向冗余节点的定位坐标发送唤醒信号，如果该节点可以接收唤醒信号并出现传输信号，则判断该节点处于休眠状态，否则处于故障状态；
18.对异常状态和故障状态的冗余节点进行状态调度。
19.进一步的，分别判定各个冗余节点的工作需求，当冗余节点需求与实际运行状态不符时，进行冗余节点的状态调度以调整冗余节点的运行状态。
20.更进一步的，状态调度方式为：
21.检测当前冗余节点的所有邻居节点并计算每个邻居节点的内斥力；
22.计算邻居节点对当前冗余节点的内斥力之和以及当前冗余节点受到的随机扰动；
23.如果当前冗余节点为边界节点，则结合临界外力、邻居节点的内斥力之和和随机扰动计算当前冗余节点受到的合力；否则，直接根据临界外力以及邻居节点的内斥力之和计算当前冗余节点受到的合力；
24.计算下一个节点的位置坐标，移动到下一个节点，继续进行合力计算；
25.判断每个节点受到的合力是否小于预设值，如是则完成调度，如否进行冗余节点的状态转移后继续返回计算合力并判断合力是否小于预设值。
26.本公开第二方面提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度系统。
27.一种电力通信网络冗余节点状态调度系统，包括：
28.调度模式设定模块，被配置为：以工作-休眠-唤醒为预设区域内各个冗余节点的调度模式；
29.调度量计算模块，被配置为：每一个调度周期开始时，当前冗余节点将周期分为多个均匀的时隙，根据当前冗余节点与其他节点相遇的时间以及历史相遇时间，在当前周期内计算时隙内的调度量；
30.节点调度模块，被配置为：将最大调度量对应的时隙时期设为当前冗余节点的唤醒状态，其他冗余节点按照当前节点的最大调度量调整为休眠状态。
31.本公开第三方面提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度系统，至少包括：处理器和传感元件，传感元件与各个节点通信连接，传感元件与处理器通信连接，处理器执行本公开第一方面所述的电力通信网络冗余节点状态调度方法进行冗余节点调度。
32.本公开第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的电力通信网络冗余节点状态调度方法中的步骤。
33.本公开第五方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的电力通信网络冗余节点状态调度方法中的步骤。
34.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
35.1、本公开度所述的方法、系统、介质及电子设备，解决了传统调度系统中能量消耗较高的问题，在传统设备上引入了传感器，利用最小二乘法与迭代法相结合，得到了电力通信网中冗余节点的准确定位坐标，利用传感设备采集的信号信息保证了节点状态判断的准
确性。
36.2、本公开度所述的方法、系统、介质及电子设备，构建了节点相遇网络模型，计算冗余节点状态调度量，实现了更高效和准确的状态调度。
37.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
38.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
39.图1为本公开实施例1提供的电力通信节点感知区域示意图。
40.图2为本公开实施例1提供的边界节点示意图。
41.图3为本公开实施例1提供的冗余节点定位流程图。
42.图4为本公开实施例1提供的电力通信网络的节点分布情况图。
43.图5为本公开实施例1提供的电力通信网络模型，其中，(a)为节点转移网络模型示意图，(b)为节点间的相遇网络模型示意图。
44.图6为本公开实施例1提供的冗余节点调度原理图，其中，(a)为节点状态转换示意图，(b)为不同情景下节点调度示意图。
45.图7为本公开实施例1提供的通信网络冗余节点状态调度实现流程图。
46.图8为本公开实施例1提供的不同方法能量消耗对比结果示意图。
47.图9为本公开实施例1提供的不同方法覆盖率对比结果示意图。
48.图10为本公开实施例1提供的不同方法工作节点个数对比结果示意图。
49.图11为本公开实施例3提供的调度驱动设备连接结构图。
具体实施方式
50.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
51.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
52.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
53.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
54.实施例1：
55.本公开实施例1提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度方法，包括以下过程：
56.s1：如图1随时，获取相关传感器硬件设备在感知区域中采集到的节点工作数据，确定通信网络节点的类型；
57.s1.1：工作节点即为可以正常实现自身的感知、监测、传输、通信等功能的节点；边界节点即为感知区域经过整个网络的边界位置上的节点，如图2所示；
58.邻居节点定义为对于任意一个节点i，若在i节点周围，且处于其感知范围内的节点，均为i节点的邻居节点，具体定义如下式所示：
59.n(i)＝{j|d(i,j)≤r,j≠i}
ꢀꢀꢀ
(1)
60.式(1)中，r为节点i的感知半径，d(i,j)为节点i与节点j之间的距离值；工作节点、边界节点与邻居节点间的关系如下表所示：
[0061][0062][0063]
s1.2：用ci来表示电力通信网络中任意一个节点i的感知范围，n(i)为i节点的所有邻居节点，完全冗余节点按本公式定义为：若∪
j∈n(i)cj
只能覆盖部分ci，则i定义为部分冗余节点；
[0064]
s2：用特殊符号对识别出的冗余节点进行标记，基于最小二乘法与迭代法相结合求出电力通信网络中冗余节点的定位坐标，具体的定位流程如图3所示。
[0065]
s2.1：确定冗余节点的权重，使用加权的最小二乘法进行坐标计算，假设电力通信网络的节点分布情况如图4所示，对应的坐标计算公式如下：
[0066]
其中，w为加权矩阵，a表示的是电力通信网络中的所有节点，可表示为：
[0067][0068]
式(2)中，参数表示的是网络节点在水平和竖直方向上的坐标，坐标计算公式中参
数b表示如下：
[0069][0070]
其中，d表示的是任意节点到指定节点(x,y)的距离值，整理后可以得出冗余节点的定位解为：
[0071][0072]
s2.2：在下一次的循环迭代中输入上一次的计算结果，重复定位过程，直到δx与δy满足：
[0073]
δx δy《e
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0074]
其中，e为预先设定的门限值。
[0075]
s3：对定位的冗余节点进行状态的检测，判断该冗余节点是否需要状态调度；
[0076]
s3.1：当传感器采集到的冗余节点传输的数据包中的数据与真实身份不吻合时，则判定冗余节点处于异常状态；
[0077]
s3.2：若未检测出冗余节点的传输信号，电力通信网络的服务器节点需向冗余节点的定位坐标发送一个唤醒信号，如果该节点可以接收唤醒信号并出现传输信号，则判断该节点处于休眠状态，否则处于故障状态。
[0078]
s4：根据状态转移原理，实现冗余节点的状态调度；
[0079]
s4.1：假设电力通信网络中的n个冗余节点随机部署在面积为l*l大小的区域内，冗余节点周期性的将电力通信数据传输给模型之外汇聚节点h，不同位置上的冗余节点的内部结构是相同的，且经过部署之后不再发生位置上的移动，任意一个冗余节点只能与其相邻的网络节点通信，具体的网络模型如图5所示；
[0080]
s4.2：唤醒状态、工作状态与休眠状态之间的状态转换以及在不同情景下调度的调度原理如图6所示。
[0081]
s4.3：基于图6的原理，设定工作-休眠-唤醒为一个节点调度周期，每一个调度周期开始时，冗余节点将周期t分为多个均匀的时隙，更新记录与其相遇的节点的时间，利用历史相遇时间，在当前周期内计算时隙内的ev值，公式如下：
[0082][0083]
其中，m为第m个时隙，r为两个节点历史接触时间，u为两个节点第k次的接触时间间隔；根据计算出的ev值，选择最大值对应的时隙时期设为唤醒状态，其他冗余节点按照计算出的调度量调整为休眠状态；
[0084]
s4.4：重新循环上述过程，直到电力通信网络重新趋于稳定为止；
[0085]
s4.5：分别判定电力通信网络冗余节点的工作需求，当出现节点需求与实际运行状态不符的情况时，按照图7所示的状态调度流程调整冗余节点的运行状态。
[0086]
具体调度策略为：
[0087]
检测当前冗余节点的所有邻居节点并计算每个邻居节点的内斥力；
[0088]
计算邻居节点对当前冗余节点的内斥力之和以及当前冗余节点受到的随机扰动；
[0089]
如果当前冗余节点为边界节点，则结合临界外力、邻居节点的内斥力之和和随机扰动计算当前冗余节点受到的合力；否则，直接根据临界外力以及邻居节点的内斥力之和计算当前冗余节点受到的合力；
[0090]
计算下一个节点的位置坐标，移动到下一个节点，继续进行合力计算；
[0091]
判断每个节点受到的合力是否小于预设值，如是则完成调度，如否进行冗余节点的状态转移后继续返回计算合力并判断合力是否小于预设值。
[0092]
s5：为了验证本实施例基于最小二乘法的电力通信网络冗余节点状态调度方法在降低能耗的同时，可以保证较高的覆盖率以及使用较少的工作节点，设计了与传统节点状态调度方法的对比试验，并将两个方案的程序输入到某区域的部分电力试运营系统当中，实时观察与监测状态调度过程中功率的消耗情况；
[0093]
s5.1：为保证设计的电力通信网络冗余节点的状态调度方法与电力系统的适配度，对实验环境下的相关参数进行重新配置，具体的配置结果如下表所示；
[0094][0095]
s5.2：设置电力通信网络各个节点的初始能连为1.0j，通信网络总长度为15米，冗余节点的感知半径为10米，且冗余节点在休眠状态与工作状态的时间为200ms和1s，在电力通信网络中连续发送长度为1024b的数据包，保证整个网络处于工作状态，在检验并调试硬件设备后，启动状态调度程序，与此同时开启能量监测设备；
[0096]
s5.3：下对仿真结果进行分析，图8比较了两种状态调度方法的能量消耗情况，从图中可以明显的看出从开始运行到1800s左右传统调度方法的能量消耗在0.9kj以上，随后由于电力通信网络的冗余节点的工作状态逐渐趋于平稳，能量消耗情况以一条抛物线的形式下降，直到实验结束。而设计的电力通信网络冗余节点的状态调度方法在运行到900s左右就将节点状态调整为平稳状态，通过计算传统方法的平均能量消耗分别为0.64kj、0.65kj、0.70kj，而设计方法的平均能量消耗为0.48kj，相比之下节省了0.16kj。
[0097]
s5.4：图9示出了两种状态调度方法的覆盖率情况，由图可以看出，实施例提出的方法在监控过程中有更好的覆盖质量表现。在运行时间到达第8轮之后，两种算法都有一定程度的下降。主要原因是有部分节点能量已经耗尽，但是本实施例所述算法在后期依然有
相对较好的覆盖质量表现，说明当冗余节点过多时在进入预休眠状态下会有节点同时进入休眠的情况，从而会造成覆盖率下降。
[0098]
s5.5：图10示出了两种状态调度方法的工作节点个数对比，从图中可以看出，在运行开始阶段，本实施例所述方法在保证网络覆盖质量的同时，降低了工作节点个数，这说明有更多的冗余节点进入休眠状态，而在运行后期阶段，本实施例所述方法能保持一定的工作节点数量，从而延长网络监控时间。
[0099]
综上所述，本实施例提供了一种基于最小二乘法的电力通信网络冗余节点状态调度方法，传统设备的基础上连接了传感器设备，在优化的状态调度方法中传感器设备用来采集网络节点的工作信号，以确保对冗余节点以及对应节点状态判断的准确性。实验结果表明，本实施例所提方法平均能量消耗为0.48kj，在监控过程中有更好的覆盖质量表现，在运行后期阶段，本实施例所提方法能保持一定的工作节点数量，从而延长网络监控时间，更好发挥电力通信网络的性能。
[0100]
实施例2：
[0101]
本公开实施例2提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度系统，包括：
[0102]
调度模式设定模块，被配置为：以工作-休眠-唤醒为预设区域内各个冗余节点的调度模式；
[0103]
调度量计算模块，被配置为：每一个调度周期开始时，当前冗余节点将周期分为多个均匀的时隙，根据当前冗余节点与其他节点相遇的时间以及历史相遇时间，在当前周期内计算时隙内的调度量；
[0104]
节点调度模块，被配置为：将最大调度量对应的时隙时期设为当前冗余节点的唤醒状态，其他冗余节点按照当前节点的最大调度量调整为休眠状态。
[0105]
所述系统的工作方法与实施例1提供的电力通信网络冗余节点状态调度方法相同，这里不再赘述。
[0106]
实施例3：
[0107]
如图11所示，本公开实施例3提供了一种电力通信网络冗余节点状态调度系统，包括微处理器、调度驱动模块等多个模块，并在传统设备基础上安装了传感器模块；
[0108]
其中，微处理器对传感器采集到的数据执行实施例1所述的调度方法进行数据分析，并将分析结果传输到调度驱动模块当中，调度驱动模块生成对应的调度控制程序，驱动相应的节点工作，从而实现节点状态的转移与调度；
[0109]
传感器设备用来采集网络节点的工作信号，当传感器与冗余节点相连接时，其工作周期是联动的；假设传感器的工作-休眠周期用参量ts来表示，在工作状态下传感器的信息采集间隔为2秒；在监听时间结束后传感器进入休眠状态，最大监听时间可表示为：
[0110]
t＝2t1 t2 δ,δ
→0[0111]
其中，参数t1与t2分别表示的是传输数据包m1和m2需要花费的时间，将相关硬件设备安装到感知区域中，用于节点数据采集和数据处理。
[0112]
实施例4：
[0113]
本公开实施例4提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的电力通信网络冗余节点状态调度方法中的步骤。
[0114]
实施例5：
[0115]
本公开实施例5提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的电力通信网络冗余节点状态调度方法中的步骤。
[0116]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0117]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0118]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0119]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0120]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0121]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。