[发明专利]一种基于APF-PSO算法的污染源定位方法

说明书

本发明提供一种基于APF‑PSO算法的污染源定位方法，采用PSO算法将移动传感器节点当做粒子，通过环境浓度和自身能量控制移动节点不断向污染物浓度大的区域移动，同时采用APF算法在各个移动节点和障碍物周围设计对应的斥力场，避免了节点在移向污染物中心的过程中发生碰撞；最终根据移动节点群体在环境中的移动轨迹和最终分布，利用SVR复现整个环境，从而对污染物源头进行定位。本发明的有益效果：考虑了移动传感器的能量问题，将节点剩余能量引入节点的运动控制中，使得整个探测过程节点能耗小、能耗稳定；所述方法原理简单，易于实现。

技术领域

本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种基于APF-PSO算法的污染源定位方法。

背景技术

日益发展的经济带来了生活质量的提升、科技的进步，但也造成了环境污染问题。化学物品及危险品在生产、运输、使用过程中由于人为疏忽、错误操作造成泄漏等等导致突发性环境污染，在处理此类污染事件时，需第一时间对污染物源头进行定位，并提供污染物的扩散情况，为事故处理提供强有力的帮助。

以水环境为例，常用的污染源定位及追踪方法有遥感探测、移动机器人探测、人工探测等，但这些技术在水污染源探测与定位中存在很大的局限性，例如，遥感技术只能观测到扩散较为缓慢的水体表面污染，人工探测成本较高且受到地形限制。

无线传感器网络具有节点分布密集、多节点协同工作、成本相对低廉、监测范围广、地理位置限制小等诸多优点，但现有基于无线传感器节点的污染源定位算法大部分都随机固定节点位置，定位结果过多依赖定位模型和算法，缺少移动性和灵活性，对特殊情况的适用性较低；另一方面，对于移动传感器节点定位算法，大多没有考虑节点在复杂环境中的碰撞问题。另外，移动传感器节点大都以电池供电，但电池电量有限，节点可以移动的距离受到能量限制，如何在保证节点探索到污染源的同时尽可能降低能耗、延长电池使用寿命，也是值得关注的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种移动传感器节点群体在未知的水环境中定位污染源的方法，旨在探究未知环境的污染物浓度，利用节点群体对污染物严重区域进行覆盖，同时避免节点群体在运动过程中产生碰撞，最终通过多节点采集数据从而复现整个环境中污染物的分布。

本发明提供一种基于APF-PSO算法的污染源定位方法，包括以下步骤：

S1、随机选取各个移动节点的初始位置，并设置移动节点的初始能量E₀以及每一次运动的时间t，所有移动节点根据初始速度进行第1次运动；

S2、完成第k次运动后，对于任一移动节点，计算所述移动节点运动后的剩余能量，判断能量是否低于能量阈值E_th，若是，则能量低于能量阈值E_th的所述移动节点停止工作，对所有移动节点进行判断，若所有移动节点均停止工作则执行步骤S6，否则能量不低于能量阈值E_th的移动节点继续执行步骤S3；

S3、对于任一移动节点，采集所述移动节点的当前位置的污染物浓度，记录所述移动节点采集到的最大浓度及对应的位置，并对所有移动节点采集到的最大浓度及对应的位置进行更新，计算所述移动节点在当前位置采集的污染物浓度与上一位置采集的污染物浓度的浓度差值，根据所述浓度差值判断移动节点是否到达污染物中心区域，若是，则到达污染物中心区域的所述移动节点停止工作；对所有移动节点进行判断，若所有移动节点均停止工作则执行步骤S6，否则未到达污染物中心区域的移动节点继续执行步骤S4；

S4、根据步骤S3中记录和更新的数据对移动节点的运动速度进行调整，得到更新速度

S5、根据斥力场计算出移动节点受到的斥力速度从而得到移动节点下一次运动的速度并根据所述下一次运动的速度以及时间t运动到下一位置，运动次数k增加1次；判断运动次数k是否小于阈值N，若是则回到步骤S2，否则执行步骤S6；

S6、根据移动节点的移动轨迹以及最终分布，重构整个环境中的污染物分布，从而确定污染源中心。