三峡库区水环境监测网络的信息融合算法研究

论文摘要

长江三峡工程是举世瞩目的特大型水利工程,在带来巨大经济效益和社会效益的同时也面临着生态环境安全问题。由于静水体的自净能力降低,水环境状况呈逐渐恶化的趋势,库区的水环境安全问题成为国内外广泛关注的热点。无线传感器网络具有布点分布广、成本低、容错性好、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点,在军事、生态环境保护、工程监测和医疗卫生等领域有着广阔的应用前景。目前,无线传感器网络在环境监测方面的应用已成为前沿课题。本文在深入研究现有的三峡库区水环境监测方法和手段的基础上,结合三峡库区面积大、分布广的具体应用环境,提出了一种基于无线传感器网络并结合了GPRS和Internet的监测方案,研究了面向三峡库区水环境监测的超大规模无线传感器网络的组网策略,重点研究了监测网络的信息融合算法。本文的研究工作,有望为三峡库区水环境监测提供一种新的思路,为三峡库区水环境保护提供科学依据。这对提升三峡库区水环境监测的理论水平和应用水平具有重要的理论价值和重大的现实意义。主要研究工作如下:①三峡库区水环境监测网络的构建部署在三峡库区的监测网络是一个超大规模无线传感器网络,传统小规模无线传感器网络集中式架构的组网策略不能满足超大规模无线传感器网络组网需求,必须采用分布式架构的组网策略。因此,提出了一种适合三峡库区水环境监测网络的组网策略——“一网多PAN,一PAN多簇”。②三峡库区水环境监测信息的融合基于无线传感器网络构建的三峡库区水环境监测网络是通过大量的传感器节点采集水质信息实现的,如果把每个节点的数据都发送到监测中心势必会产生网络拥塞等问题,同时,发送这些数据会大量消耗节点的能量,但是无线传感器网络本身又存在着能量约束,所以,不加处理的将信息全部发送到监测中心是没有必要也是不现实的。利用节点的本地计算能力和存储能力对数据进行预处理,去除冗余信息,从而达到节省能量的目的,同时利用信息融合技术对多份数据进行综合,提高信息的准确度,进而提高数据收集效率。在本文中,分别采用不同的信息融合算法从告警检测和监测信息采集两方面着手解决信息融合问题,以达到降低能量消耗,提高信息准确度的目的。③三峡库区水环境监测网络的原型系统设计在完成上述研究工作的基础上,构建了“基于无线传感器网络的三峡库区水环境监测系统”模型,利用现有的实验设备和条件完成原型系统的实现。论文最后对研究工作进行了总结,并且对未来的研究工作进行了展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 概述
• 1.1 课题背景、目的及意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究目的
• 1.1.3 课题研究意义
• 1.2 无线传感器网络研究现状
• 1.2.1 国外无线传感器网络研究现状
• 1.2.2 国内无线传感器网络研究现状
• 1.3 多源信息融合技术研究现状
• 1.3.1 多源信息融合技术国外研究现状
• 1.3.2 多源信息融合技术国内研究现状
• 1.4 研究内容及拟解决的关键问题
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 拟解决的关键问题
• 1.5 研究方案和技术路线
• 1.5.1 研究方案
• 1.5.2 实现方案拟采取的技术路线
• 1.6 本章小结
• 2 无线传感器网络和信息融合基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 无线传感器网络基本概念和特点
• 2.2.1 无线传感器网络的概念
• 2.2.2 无线传感器网络的协议栈
• 2.2.3 无线传感器网络的特点
• 2.3 多源信息融合基本理论
• 2.3.1 多源信息融合的来源
• 2.3.2 多源信息融合的定义
• 2.3.3 多源信息融合的原理
• 2.4 无线传感器网络应用层信息融合
• 2.5 本章小结
• 3 监测网络的构建
• 3.1 引言
• 3.2 监测网络总体设计
• 3.3 监测网络的构建
• 3.3.1 WSN 组网设计
• 3.3.2 GPRS 和Internet 组网设计
• 3.4 监测网络的通信协议
• 3.4.1 应用需求分析
• 3.4.2 ZigBee 无线通信技术及其特点
• 3.4.3 GPRS 无线通信技术及其特点
• 3.5 本章小结
• 4 监测网络的信息融合算法
• 4.1 引言
• 4.2 分布式自适应检测融合
• 4.2.1 分布式检测融合模型
• 4.2.2 常用的分布式检测融合准则
• 4.2.3 多传感器自适应检测融合算法
• 4.2.4 计算机仿真结果与分析
• 4.3 分步式监测信息融合
• 4.3.1 分步式信息融合模型
• 4.3.2 簇内信息融合算法
• 4.3.3 簇间信息融合算法
• 4.3.4 计算机仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 5 监测系统的设计
• 5.1 引言
• 5.2 原型系统设计
• 5.2.1 原型系统总体设计
• 5.2.2 原型系统硬件设计
• 5.2.3 原型系统软件设计
• 5.3 监测方案设计
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读学位期间参与的科研项目