一种灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法

1.本发明涉及灾害应急、物联网、不确定性等技术领域，特别是指一种灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法。


背景技术：

2.随着物联网技术和无人系统等技术的持续发展，基于无人机的灾害应急物联网模型凭借其特有的灵活性，机动性，极好的补充了当前灾害应急救援中无线通信系统，能更好地适应灾害应急救援事件的发展。但是，不确定性是灾害应急事件的本质特征，使得在通信过程中会出现不确定性因素。
3.为此，现有技术中提出了灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法。例如，sinay m,agmon n,maksimov o等人在文献“无人机/无人车研究以及面向目标的不确定目标捕获”(uav/ugv search and capture of goal-oriented uncertain targets)中指出，灾害应急物联网设备在执行过程中存在设备定位精度不准确、建筑物的遮挡和环境干扰等因素，使得指挥部无法获取到精确的位置信息，影响灾害应急救援效率。seong d,juliawan n,tyan m等人在文献“提高飞行稳定性的飞翼无人机设计优化方法”(flying-wing type uav design optimization for flight stability enhancement)中对无人机飞行的稳定性进行了研究。为提高稳定性，建立约束条件，使用sobol’方法进行无人机设计变量灵敏度分析。但是，该方法只考虑了飞行稳定性，未考虑无人机飞行中不确定性参数对于无人机的影响。zeng sijie,yan liang,duan xiaojun在文献“基于混沌多项式展开法的无人机轨迹设计与分析”(planning and analysis on uav trajectory based on pce method)中，针对无人机轨迹规划中存在不确定性进行了研究。通过sobol’灵敏度分析，减少了无人机轨迹规划模型中不确定性参数的计算量。但是，该方法主要针对无人机轨迹规划，未涉及无人机的不确定性贡献度，不能更准确地衡量不确定性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法，该方法在保证灾害应急物联网模型中设备的正常通信前提下，实现了对灾害应急物联网模型中不确定性参数的贡献度大小分析情况，同时对研究灾害应急物联网模型中不确定性的进一步研究具有指导意义。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法，包括以下步骤：
7.步骤1：针对灾害应急物联网模型进行通信连接请求；
8.步骤2：根据连接请求，获取物联网设备的信息，从而得到灾害应急物联网模型中物联网设备进行通信请求的功率：
9.[0010][0011]
式中，r为物联网设备之间通信所需的功率，d为应急物联网中地面物联网设备与空中无人机之间的距离，q为正交相移键控调制函数，q-1
为正交相移键控调制的反函数，τ为误码率，rb是传输码率，n0是噪声功率谱密度，η为空间自由传播损耗余量，b是数据传输速率，f是载波频率，c为光速；
[0012]
步骤3：根据灾害应急物联网模型中通信功率计算情况，得到灾害应急物联网模型中整体的不确定性大小：
[0013][0014]
式中，g为灾害应急物联网模型中整体的不确定性大小，l为灾害应急物联网模型对无人机位置参数的一个估值，δ为主观估值存在的不确定性，|c|为灾害应急物联网模型中设备的分组情况，e为灾害应急物联网模型中真实存在的不确定性；
[0015]
步骤4：对不确定性参数δ和e设置取值范围，进行多次实验对δ和e进行取样，并计算所取样的不确定性参数的贡献度；
[0016]
步骤5：根据贡献度的变化曲线，将具有代表性的六组不确定性参数代入到灾害应急物联网通信模型中，通过地面物联网设备的部署情况对灾害应急物联网通信模型进行验证。
[0017]
进一步地，所述步骤4中，采用sobol’敏感性分析计算不确定性参数的贡献度，计算方式为：
[0018][0019]
式中，v(g)表示灾害应急物联网模型中不确定性参数之间的函数的方差；v
δ
表示不确定性参数δ产生的方差，v
δe
表示不确定性参数δ和e相互作用产生的方差。
[0020]
本发明具有如下有益效果：
[0021]
1、本发明针对灾害应急物联网模型中位置存在不确定性问题，提出一种灾害应急物联网模型中位置不确定性贡献度的分析方法。该方法依据功率最小化原则，使用sobol’敏感性分析方法，分析了灾害应急物联网模型中不确定性参数的贡献度。
[0022]
2、本发明提出一种灾害应急物联网模型中位置不确定性贡献度的分析方法，对于灾害应急物联网模型中不确定性的分析提供了指导。
附图说明
[0023]
图1为本发明实施例中一条灾害应急物联网模型的示意图。
[0024]
图2是本发明实施例方法的流程图。
[0025]
图3是本发明实施中的设备部署示意图。
具体实施方式
[0026]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照
附图，对本发明做进一步的详细说明。
[0027]
一种灾害应急物联网模型中不确定性贡献度的分析方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0028]
步骤1：针对灾害应急物联网模型进行通信连接请求；
[0029]
步骤2：根据连接请求，获取物联网设备的信息，从而得到灾害应急物联网模型中物联网设备进行通信请求的功率：
[0030][0031][0032]
式中，r为物联网设备之间通信所需的功率，d为应急物联网中地面物联网设备与空中无人机之间的距离，q为正交相移键控调制函数，q-1
为正交相移键控调制的反函数，τ为误码率，rb是传输码率，n0是噪声功率谱密度，η为空间自由传播损耗余量，b是数据传输速率，f是载波频率，c为光速；
[0033]
步骤3：根据灾害应急物联网模型中通信功率计算情况，得到灾害应急物联网模型中整体的不确定性大小：
[0034][0035]
式中，g为灾害应急物联网模型中整体的不确定性大小，l为灾害应急物联网模型对无人机位置参数的一个估值，δ为主观估值存在的不确定性，|c|为灾害应急物联网模型中设备的分组情况，e为灾害应急物联网模型中真实存在的不确定性；
[0036]
步骤4：对不确定性参数δ和e设置取值范围，进行多次实验对δ和e进行取样，采用sobol’敏感性分析计算所取样的不确定性参数的贡献度：
[0037][0038]
式中，v(g)表示灾害应急物联网模型中不确定性参数之间的函数的方差；v
δ
表示不确定性参数δ产生的方差，v
δe
表示不确定性参数δ和e相互作用产生的方差；
[0039]
步骤5：根据贡献度的变化曲线，将具有代表性的六组不确定性参数代入到灾害应急物联网通信模型中，通过地面物联网设备的部署情况对灾害应急物联网通信模型进行验证。
[0040]
本方法中，为了对灾害应急物联网模型中的不确定性进行贡献度分析，提出了一个不确定性参数之间的函数关系g，并且使用敏感性分析方法对不确定性参数的范围进行取样实验。该方法能够为灾害应急物联网模型中的不确定性分析提供指导。
[0041]
该方法的原理如下：
[0042]
灾害应急物联网模型中，采用视距通信，物联网设备的距离计算公式与视距通信概率之间的关系如式(1)所示：
[0043][0044]
式中，d为地面物联网设备与空中物联网设备之间的距离；hd为地面物联网设备的高度，hu为空中物联网设备的高度，p
los
为视距通信概率函数，p
los-1
为视距通信概率反函数，ε为视距通信概率的极限值，且尽可能接近1，α和β为环境参数，θ为仰角。
[0045]
如图1所示，构建以最小化地面物联网设备的发射功率为目标的异构物联网模型，则优化问题描述为：
[0046][0047]
式中，r为通信过程中的发射功率，s.t.表示subject to，是受约束的意思，|cu|为灾害应急物联网中无人机的能够接入的地面物联网设备的数量，m为无人机的数量，l为地面物联网设备的数量，r为物联网设备之间通信所需的功率，d为应急物联网中地面物联网设备与空中无人机之间的距离，q为正交相移键控调制的函数，q-1
为正交相移键控调制的反函数，τ为误码率，rb是传输码率，n0是噪声功率谱密度，η为空间自由传播损耗余量，b是数据传输速率，f是载波频率，c为光速。由公式的约束条件可以得出约束发射功率的各个因素。
[0048]
由于位置数据边界可行域由于测量不准确和人为因素的干扰存在估值误差，通过使用鲁棒优化方法对其中存在的不确定性因素进行优化，最终得到的包含不确定性的优化模型为：
[0049][0050]
其中，为最终优化函数，b0和bd为对角矩阵，e0和ed为列矩阵，α
t
为行矩阵，和为行矩阵，d0和dd为优化模型中的常量。上述符号的具体公式表示如下：
[0051]
[0052][0053]
其中，r0、rd、s0、sd表示地面物联网设备的位置上下界与精准位置之间的参数关系，l表示地面物联网设备的位置坐标上界，v表示地面物联网设备的位置数据下界，|cu|为灾害应急物联网中无人机的能够接入的地面物联网设备的数量，(xd，yd，hd)表示地面物联网设备的位置坐标，ω表示高度与视距概率之间的关系，p
los-1
为视距通信概率反函数，ε为视距通信概率的极限值，和表示椭球不确定集的椭球半径。
[0054]
根据上述灾害应急物联网优化模型中通信功率计算情况，即可得到灾害应急物联网模型中不确定性参数之间的函数关系g。
[0055]
以功率最小化为原则，使用敏感性分析方法，对模型中不确定性参数δ和e进行贡献度分析。对不确定性参数设置取值范围，进行多次实验取样，将得到的数据结果代入灾害应急物联网模型中，则可求出灾害应急物联网模型中参数的不确定性贡献度。
[0056]
采用上述方法进行仿真实验后，得到的物联网设备部署情况如图3所示。图3中，黑色的实心
◇
型符号为使用传统方法的地面物联网设备部署情况，空心
○
型符号、*型符号、空心δ型符号、空心
□
符号、
×
型符号、
·
型符号均为使用本方法的优化模型对地面物联网设备部署情况，从其中挑选了与黑色实心
◇
型符号对比度最强的一组部署方案用黑色实心
○
型符号表示。
[0057]
总之，该方法在保证灾害应急物联网模型中设备的正常通信前提下，实现了对灾害应急物联网模型中不确定性参数的贡献度大小分析情况，对于灾害应急物联网模型中不确定性的分析具有指导意义。