孫毅剛，高鵬飛，陳維興

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

民航橋載設備是民航局節(jié)能減排[1]的重點項目，由電源機組和空調(diào)機組構成。根據(jù)民航局節(jié)能減排戰(zhàn)略部署，飛機在橋載作業(yè)時將通過橋載設備[2]替代航空器APU運行，使用電能替代燃油，能夠有效降低整體運行成本。近年來，隨著橋載設備在國內(nèi)各大機場的投入使用，一方面，航空公司減少APU的使用，從而延長了APU的使用壽命，降低了APU的故障率，也減少了燃油的消耗量；機場除了獲得設備租賃收益外，同時可以提高機場的服務質(zhì)量。另一方面，橋載設備的安全性問題也備受關注，機場橋載設備也曾陸續(xù)發(fā)生故障導致飛機機載設備燒毀事件，給國家和企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。主要原因是：橋載設備的工況參數(shù)不能實時地檢測和有效地干預，從而導致航空安全事故。鑒于此，民航橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡應運而生。本文主要針對LEACH協(xié)議[3-4]在民航橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡應用中出現(xiàn)數(shù)據(jù)吞吐量小、節(jié)點能耗高和網(wǎng)絡生命周期短等問題，提出優(yōu)化簇頭選舉機制的改進方法，進一步提升橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡的性能。

1 橋載設備監(jiān)控系統(tǒng)（BLEMwsn）

橋載設備監(jiān)控管理系統(tǒng)主要由無線感知層節(jié)點（SN）、現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中器（DE）、服務器以及相關網(wǎng)絡設備（網(wǎng)關、交換機）集成。工作原理是：每個停機位布設50～100個固定不動的SN，使用無線傳感器網(wǎng)絡所選定的網(wǎng)絡、MAC層協(xié)議，其中傳感器類感知節(jié)點采集橋載設備健康和工況數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，RFID類感知節(jié)點采集橋載設備的使用記錄數(shù)據(jù)；多個停機位共用一臺數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器即現(xiàn)場無線感知層網(wǎng)關，無線感知層節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過單跳的方式送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器將收集所有感知節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中器將采集的數(shù)據(jù)處理后經(jīng)由停機位LAN接入點和候機樓內(nèi)的網(wǎng)絡上傳至服務器；再通過服務器依據(jù)上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效地干預和控制，以此實現(xiàn)對機場橋載設備運行工況參數(shù)和故障的實時監(jiān)控，同時還可以實現(xiàn)對設備的無紙化管理和維護。圖1為BLEMwsn的物聯(lián)網(wǎng)結構圖。

圖1 BLEMwsn物聯(lián)網(wǎng)結構圖Fig.1 Structure of the internet of things for BLEMwsn

2 LEACH協(xié)議

LEACH協(xié)議的運行過程采用了“輪”的概念，每輪次分為2個階段，即：自組織成簇階段和信息穩(wěn)定傳輸階段。自組織成簇階段的主要任務是根據(jù)簇頭選擇算法[5-7]，在所有節(jié)點中選擇本輪次簇頭，其他非簇頭成員按照成簇機制選擇最優(yōu)簇頭并與其通信，成簇階段所用的時間也比較短。信息穩(wěn)定傳輸階段的主要任務是進行被監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和傳輸。LEACH協(xié)議的關鍵之一是簇頭節(jié)點的選取，每個節(jié)點產(chǎn)生一個大小在［0，1］的數(shù)，如果該數(shù)小于閾值T（n），那么該節(jié)點被選為簇首。閾值T（n）的公式為

式中：p為簇頭占所有節(jié)點的比例；r為當前輪次；G為最近一輪中未被選為簇頭的節(jié)點集合。

當簇頭選定后，簇頭節(jié)點通過廣播的方式向網(wǎng)絡發(fā)送消息，網(wǎng)絡中的節(jié)點根據(jù)所接收信號的強度[8]來決定加入簇并反饋給簇首，從而完成簇的建立工作。在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸階段[9-10]，簇成員節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳遞給簇頭節(jié)點，同時簇頭將對其所匯聚的大量數(shù)據(jù)進行融合處理后再轉發(fā)到基站。穩(wěn)定階段保持一定的時間后，網(wǎng)絡重新開始新一輪，不斷循環(huán)下去，直到整個網(wǎng)絡的生命周期[11]結束。

在原系統(tǒng)LEACH協(xié)議中，所有節(jié)點都有可能被選為簇頭，網(wǎng)絡中節(jié)點的屬性按照協(xié)議的規(guī)則能及時變換。在本文研究的網(wǎng)絡需要滿足以下特征：節(jié)點的能量有限，消耗完不能得到補充；網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都是靜止的，一旦完成部署不能再移動；節(jié)點可以通過單跳的方式與基站直接通信；只要網(wǎng)絡中所有節(jié)點死亡，網(wǎng)絡也因為沒有數(shù)據(jù)傳輸而宣告死亡。

3 改進算法

3.1 簇頭選舉閾值改進

改進算法主要對簇頭選舉的閾值公式進行優(yōu)化改進，原監(jiān)控系統(tǒng)的LEACH簇頭選舉算法未能考慮節(jié)點當前能量和節(jié)點到基站的距離等參量因子，改進算法把這2個參量因子加入到閾值公式中，且當節(jié)點距離基站在一定范圍內(nèi)變動時合理調(diào)整2個參量因子在閾值中的分配比例。改進后的閾值公式為

式中：Dmax為節(jié)點到基站的最大距離；Dmin為節(jié)點到基站的最小距離；Di為節(jié)點到基站的距離；Ec為節(jié)點的當前能量；Eave為節(jié)點的平均能量；A、B為參數(shù)因子。 其中：當 Di≤35 時，A=α，B=1-α；當 35＜Di≤70 時，A=B=α/2； 當 70＜Di≤100 時，B=α，A=1-α；此處的α取值為0.7。

修訂后算法選舉簇頭時考慮節(jié)點能量，盡可能選擇當前能量高的節(jié)點，提高其當選為簇頭的概率，若能量低的節(jié)點當選為簇頭，必定會加速節(jié)點的能量消耗，則簇頭節(jié)點因能量耗盡使整個簇失去通信能力，產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)；同時考慮節(jié)點位置因素，降低距離基站較遠的節(jié)點當選為簇頭的概率，由于進行數(shù)據(jù)傳輸時距離越遠能量的消耗就越大，傳輸相同大小的數(shù)據(jù)時距離簇頭或基站較遠的節(jié)點消耗更多的能量；如果其當選后續(xù)輪的簇頭，則此節(jié)點也會因為能量耗盡失效，這樣造成距離基站較遠范圍內(nèi)節(jié)點過早失效，對整個網(wǎng)絡的負載均衡是不利的。

3.2 基于路徑權重的成簇機制

由于LEACH協(xié)議在成簇階段對簇頭的選擇具有一定的盲目性，改進機制考慮普通節(jié)點（normal node）到簇頭節(jié)點（cluster head）再到基站（base station）的路徑權重值。

假設1 如果把普通節(jié)點（N）到基站（B）的最短時延稱為最短長度，即：lmin（N，B）；普通節(jié)點（N）和簇頭節(jié)點（C）之間的鏈路用（N，C）若 lmin（C，B）≤lmin（N，B），則稱它為有效鏈路。這里將通過鏈路（N，C）到基站（B）的最短長度稱為有效鏈路長度，即：

假設2若記是與普通節(jié)點（N）相接的所有有效路徑的平均長度，則有效鏈路（N，C）權重為

其中，K為關聯(lián)參數(shù)，根據(jù)下游鏈路數(shù)來確定取值，通常取 3～3.5。

那么，普通節(jié)點（N）的權重為與節(jié)點相鄰接的各有效鏈路的權重之和為

對于任意路徑Sk，其路徑可靠性wsk是其所有鏈路及所有節(jié)點的權重之積。顯然路徑權重值越大的路徑，其路徑可靠性也就越大。

改進的LEACH成簇算法，將分別計算普通節(jié)點（N）到每一個簇頭節(jié)點（C）再到基站（B）的路徑權重值，普通節(jié)點（C）選擇路徑權重值最大所在路徑的簇頭節(jié)點加入簇，因為路徑的權重值越大，整個鏈路的可靠性越高，這樣可以減少數(shù)據(jù)分組重傳，降低節(jié)點的能耗，同時減少傳輸延時，提高了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的吞吐量。

4 仿真與分析

4.1 仿真環(huán)境配置

運用Matlab作為實驗的仿真平臺，此監(jiān)控網(wǎng)絡區(qū)域選定一個停機坪單元（200×200）的正方形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機部署100個無線傳感器節(jié)點，所有無線節(jié)點的形態(tài)和功能都是一樣的，每一個節(jié)點都有一個標識，每個節(jié)點的能量是有限的，無線節(jié)點的位置固定不變，基站的位置是固定的，最優(yōu)簇頭數(shù)百分比5%；監(jiān)控網(wǎng)絡中無線節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功率，可以根據(jù)2個節(jié)點之間的距離自動調(diào)整。具體的環(huán)境配置參數(shù)如表1所示。

表1 橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡仿真環(huán)境參數(shù)配置Tab.1 Simulation parameters configuration of the BLEMwsn

4.2 仿真結果分析

由仿真圖像可知：圖2表明改進后協(xié)議的監(jiān)控網(wǎng)絡在第840輪次時出現(xiàn)第一個節(jié)點死亡，較原監(jiān)控網(wǎng)絡協(xié)議的713輪次，使整個監(jiān)控網(wǎng)絡出現(xiàn)第一個死亡節(jié)點時間推遲了17.8%，并且可以看出整個監(jiān)控網(wǎng)絡相同輪次存活節(jié)點數(shù)目較改進前有進一步的提升。圖3表明改進協(xié)議算法更有利于網(wǎng)絡能量的節(jié)約，提高了監(jiān)控網(wǎng)絡節(jié)點的能量利用率，使整個監(jiān)控網(wǎng)絡的能耗更為均衡，同時這種能量效率的提高對整個監(jiān)控網(wǎng)絡的生命周期有積極的意義。

圖2 網(wǎng)絡存活節(jié)點數(shù)目對比Fig.2 Comparison of alive nodes

圖3 網(wǎng)絡能量消耗對比Fig.3 Comparison of energy consumption

5 結語

本文對民航橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡應用低功耗的路由協(xié)議LEACH所暴露出的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐量小、節(jié)點能耗高和生命周期短等問題提出對原路由協(xié)議的簇頭選舉閾值和成簇機制進行改進，該算法在簇頭選舉階段充分考慮節(jié)點能量和位置2個因素在閾值中所占比重，使選舉出的簇頭對整個網(wǎng)絡的負載更趨于均衡。在成簇階段選擇最大的路徑權重值所在路徑的簇頭加入。由仿真結果表明，改進算法進一步提升了橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡的性能，增加了數(shù)據(jù)的傳輸量，節(jié)約了網(wǎng)絡能量，延長了橋載設備監(jiān)控網(wǎng)絡壽命。但是本次改進對于算法分簇后的簇成員缺少必要的睡眠機制，且數(shù)據(jù)信息傳輸只采用一跳的方式，這樣會產(chǎn)生大量的能量消耗，接下來的工作將主要針對這些方面進行優(yōu)化。

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