基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法   0    0

本发明公开了基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法。本发明方法通过充电效用与输出功率的比例最大化来确定每个停止点的功率分配，贪心选择充电覆盖增益最大的节点作为确定停止点，充电器输出功率更加细化，灵活地进行充电服务；将确定停止点均衡划分成不同的充电簇，同时缩短簇内移动距离，均衡不同充电器的工作负载；通过降低充电完成时间较早位置的输出功率及添加独立停止点的方式消除冲突停止点，避免了等待策略造成的延迟增加。本发明方法能更均衡的将网络中的充电任务分配给不同的充电器，提高整个网络中的充电效率，通过利用可调功率来更加灵活地服务网络中不同节点密度的区域，有效节约充电器能量消耗，缩短了充电延迟。

1.基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法，采用的无线传感网络为：在一个感兴趣的平面区域中，存在N个相同的移动可调功率无线充电器sn，n＝1,2,…,N，和M个随机部署的可充电固定传感器节点om，m＝1,2,…,M，并且N＜＜M，网络中心配有固定位置的基站；传感器节点收集来自充电器的无线电力，从而保持正常工作；所有移动可调功率无线充电器最初都位于仓库o0，基站是传感器数据采集的汇聚节点，并负责从仓库分派sn调度充电任务；其特征在于，该方法具体的步骤如下：
步骤(1)通过传感器节点和基站之间的无线通信传输，获取传感器节点的空间位置信息和剩余电量信息，根据空间位置信息构建网络图，根据剩余电量信息汇总请求节点；传感器节点的能量需求是当前节点的剩余电量距离节点电池容量的差值：Eo‑Er，Er表示节点当前的剩余能量，Eo表示节点电池容量，将能量低于阈值的传感器节点作为请求节点添加进服务队列Vo；
步骤(2)将每个请求节点都作为sn的停止点，计算每个停止点的功率等级分配；
步骤(3)从所有停止点中每次选择具有最大充电覆盖增益的停止点，并更新剩余节点的功率分配，确定最终选出的sn停止点；
步骤(4)计算每个确定停止点处的停留时间；
步骤(5)将选出的sn停止点划分成N个互斥的充电簇；
步骤(6)对划分的每个充电簇Cn求解初始充电路径：使用Christofides算法求解多个节点之间的最短TSP路径，Ln＝Christofides(Cn)；其中；Ln表示最短充电路径的长度，sn优先访问距离仓库较近的停止点；
步骤(7)根据初始路径中的充电停止点访问顺序进行冲突停止点判定和消除操作，并规划最终的多MC安全充电路径求出最大充电延迟；具体是：
(7‑1)第一个移动可调功率无线充电器不存在安全充电冲突不需要冲突消除操作，从第二个移动可调功率无线充电器开始将其充电停止点与前面所有的停止点之间执行冲突停止点判定操作，具体步骤如下：
(7‑1‑1)顺序取出当前sn初始充电路径中的每个停止点，与前面所有sn的停止点进行比较，判断是否存在充电区域重叠，如果停止点op和oq的距离d(op,oq)＜D(hp)+D(hq)，表示停止点op和oq存在充电区域重叠，执行步骤(7‑1‑2)，D(hp)和D(hq)分别表示停止点op和oq的充电覆盖半径；否则继续取下一个节点执行(7‑1‑1)；
(7‑1‑2)计算存在充电区域重叠的停止点的充电起始时间 和实际充电
持续时间 其中，ui,p和uj,q表示属于i,j两辆不同MC的停止点；
其中，δ表示当前停止点在初始充电路径中的序号，
d(ui,l,ui,l+1)表示ui,l和ui,l+1的距离， N'h(ui,p)表示停止在ui,p位置处充电范围内还未被完全充电的传感器节点， tw为充电覆盖集合中节点w
的充电时间；
(7‑1‑3)根据充电起始时间和实际充电持续时间，判断是否存在充电时间重叠；如果存在充电时间重叠，执行(7‑1‑4)；否则继续取下一个节点执行(7‑1‑1)；
(7‑1‑4)判断两个停止点的重叠区域内是否存在冲突节点oc，如果存在，计算冲突节点oc的累加电磁辐射强度并判断是否超出安全辐射阈值Rt，其中电磁辐射强度与接收功率的大小成正比，如果τp(d(op,oc))+τp(d(oq,oc))＞Rt，证明两者是冲突停止点，执行(7‑2),否则继续取下一个节点执行(7‑1‑1)，τ是拟合系数，p(d(op,oc))表示距离op为d的oc的接收功率，p(d(oq,oc))表示距离oq为d的oc的接收功率；
(7‑2)执行冲突消除操作，操作过程如下：
(7‑2‑1)计算两个冲突停止点各自的充电完成时间f(ui,p)：
(7‑2‑2)将两个充电完成时间进行排序，选择其中充电完成时间较小的位置调整输出功率；重新对两个停止点进行冲突判断，若降低功率后，有节点超出充电覆盖范围，将超出覆盖范围的节点作为独立停止点，加入充电簇并以最低功率进行充电，重新规划路径；
(7‑2‑3)重复(7‑2‑1)和(7‑2‑2)，直到两个停止点不再是冲突停止点，则完成消除操作；
(7‑3)判断当前sn充电簇中的确定停止点是否判断完成：若未完成，执行(7‑1‑1)；若完成，结束当前sn的冲突判定，执行(7‑4)；
(7‑4)判断当前是否是最后一个sn，如果是，则计算所有sn的充电延迟求出其中的最大值，否者重复步骤(7‑1)至(7‑2)；其中充电延迟指sn沿安全充电路径完成一次充电循环的时间，表示为： 其中|Ai|表示充电路径中停
止点的最大编号。

2.如权利要求1所述的基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法，其特征在于，步骤(2)具体是：
(2‑1)计算每个请求节点处的充电覆盖集合：当sn停靠在请求节点o，o∈O，O＝{o1,o2,...,oM}，并工作在h功率等级下,请求节点o和邻近节点Nh(o)能够被同时充电；Nh(o)指当MC处于功率级别h时位于其当前充电半径D(h)内的节点，表示为：
Nh(o)＝{u|d(u,o)≤D(h),u∈O,u≠o}；其中d(u,o)是请求节点u和o的欧式距离；定义请求节点o处的充电覆盖集合为： {o}表示仅包含请求节点o的集合，
∪表示求两个集合的并集；
(2‑2)计算每个请求节点处的充电效用，其中请求节点u的充电效用U(u)是指充电覆盖集合 中节点的能量接收功率总和： 其中，p(d(u,w))表示距
离u为d的节点w的接收功率；
(2‑3)计算每个请求节点处的功率等级，选择策略是从小到大遍历充电器的功率使得充电效用与功率成本之比最大化，表示为： 其中，L表示sn
可以开启的最大功率等级，uξ表示编号为ξ的停止点，p(hξ)表示sn在功率等级hξ的输出功率。

3.如权利要求2所述的基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法，其特征在于，步骤(3)具体是：
(3‑1)计算每个停止点对应的充电覆盖增益 其中，ok表示
选中的第k个停止点， 表示第k个停止位置开启的功率等级， 表示MC在功率等级下的输出功率；
(3‑2)从请求节点集合Vo中选出具有最大充电覆盖增益的节点作为确定停止点，并将当前停止点处覆盖到的请求节点从Vo中移除，对剩余的请求节点执行(2‑1)和(2‑2)更新节点的功率等级分配；
(3‑3)判断 是否成立：若不成立，重复执行(3‑1)和(3‑2)；若成立，结束步骤(3)。

4.如权利要求3所述的基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法，其特征在于，步骤(4)具体是：
(4‑1)针对步骤3中选出的停止点集合A，获得其中每个停止点的充电覆盖集合；
(4‑2)计算停止点集合A中每个停止点的输出功率pi，pi＝(h‑1)pgap+pmin；其中，h∈{1,
2,...,L}是sn的功率等级，pgap是两个相邻功率等级的恒定差距，pmin是sn的最小输出功率；
(4‑3)对每个充电覆盖集合中的节点计算充电时间，充电覆盖集合中节点w的充电时间其中，p(d′)是节点w的接收功率， 其中，α和β是
与充电器物理配置相关的参数，d′是充电器发射天线和节点接收天线之间的距离，pi是当前停止点的输出功率，D(hi)是充电器在功率等级hi下的最大充电覆盖距离，其中，pth表示传感器可忽略的最小接收功率阈值；
(4‑4)计算集合A中每个确定停止点处的停留时间，停止点u处的停留时间是 中所有节点充电完成时间的最大值：

5.如权利要求4所述的基于多节点可调功率充电模型的安全充电延迟最小化方法，其特征在于，步骤(5)具体是：
(5‑1)初始化过程，从A中为N个sn各随机选取一个停止点作为初始的簇头，并添加进各自的充电簇Cn中，n∈{1,...,N}，将选出的停止点从A中移除；
(5‑2)计算充电簇Cn中的累计充电时间Accn，Accn是Cn中所有停止点停留时间的总和；
(5‑3)计算Cn中具有最小累计充电时间的集合Cj的簇头位置，取Cj中所有节点坐标的平均值作为簇头位置；
(5‑4)从A中剩余停止点中选出距离Cj的簇头最近的节点添加到集合Cj中；
(5‑5)判断 是否成立：若不成立，重复执行(5‑2)至(5‑4)；若成立，结束步骤(5)。