生态环境监测地空通信网部署方法、装置、设备及介质与流程

本发明属于通信设施智能部署，具体涉及生态环境监测地空通信网部署方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、无人机由于其部署灵活、机动性强等优势已被用于搭载通信装备，可作为陆基和高空卫星之间的通信节点增加通信带宽和通信范围。在自然灾害、事故损毁、偏远地带等因素引发的无网环境下，通信节点能够克服山谷或沟壑湖泊等复杂结构导致的信号遮蔽影响，在大范围的生态环境监测环境中结合地面、高空等移动通信资源搭建自组织通信网络实现临时通信，有效满足生态环境监测数据传输需求。尽管通信网部署已具有一定研究基础，但仍少有学者研究如何合理、智能地部署通信车、通信节点的时空位置及连接链路以保障动态分布的生态环境监测人员实时传输采集数据。

2、地空通信网部署方法及装置本质属于设施选址问题，传统覆盖选址方法本质上都是对部署区域进行划分，然后分配通信节点到对应区域，该过程考虑因素较单一，只能对简单约束问题求得近优解，多与启发式算法、智能算法进行融合。现有研究大多聚焦在已知固定场景下的静态部署，不适用于复杂、动态的实际生态环境监测工作中监测数据的实时传输，并且较少考虑不可抗因素导致通信链路失效的风险。

技术实现思路

1、根据现有技术的不足，本发明的目的是提供生态环境监测地空通信网部署方法、装置、设备及介质，通过构建初始种群，初始种群包括多个种群个体，种群个体包括多时段的时空递阶染色体矩阵，建立多因素的适应度评价模型来综合评估种群个体的适应度，且对种群个体的每一时段的时空递阶染色体矩阵的多种基因依次执行协同进化机制，实现无网环境下对生态环境监测区域进行连续周期的应急地空通信网络覆盖，能够进行动态部署，且考虑任务需求、信号遮挡等多种因素，适用于复杂、动态的实际生态环境监测工作中监测数据的实时传输，减少通信链路失效的风险。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种生态环境监测地空通信网部署方法，包括以下步骤：

4、根据生态环境监测场景确定可调度的通信节点构建初始种群，初始种群包括多个种群个体，种群个体包括多时段的时空递阶染色体矩阵，每一时段的时空递阶染色体矩阵包含多种基因且基于通信节点和监测点的数据编码生成；

5、建立多因素的适应度评价模型；

6、基于多因素的适应度评价模型获取种群个体的适应度；

7、基于适应度对种群个体排序并剔除适应度不满足预设阈值的种群个体；

8、对种群个体的每一时段的时空递阶染色体矩阵的多种基因依次执行协同进化机制；

9、返回基于多因素的适应度评价模型获取种群个体的适应度，进行迭代；

10、当达到最大迭代次数后，输出历史最优的种群个体并解码为地空通信部署方案。

11、进一步地，通信节点包括通信车和通信无人机，时空递阶染色体矩阵包括两层控制基因和一层参数基因，其中，第二层控制基因包括监测点信息基因、通信节点性能基因和通信车坐标基因，第一层控制基因包括通信无人机坐标基因，且通信无人机坐标基因在第二层控制基因控制下生成和进化；

12、参数基因代表每一监测点与各个通信节点的链接关系且在第一层控制基因控制下完成进化，采用链接矩阵表示监测点在某一时段与各个通信节点的链接关系，对多个时段的时空递阶染色体矩阵解码后能够得到连续周期的地空通信网部署方案。

13、进一步地，每一时段的时空递阶染色体矩阵包含多种基因且基于通信节点和监测点的数据编码生成的方法为：

14、编码监测点信息基因，包括每个时段的监测点编号、由该监测点三维坐标和对应的监测人员的预估到达时间组成的监测点四维时空坐标和该监测点传输数据的紧要程度；

15、编码通信节点性能基因，包括覆盖半径、续航、负载能力；

16、编码通信车坐标基因，为通信车当前定位；

17、编码通信无人机坐标基因，由每个时段的监测点分布范围随机初始化生成；

18、编码参数基因，采用二值变量判断通信节点与监测点的链接关系。

19、进一步地，适应度评价模型中，多因素具体包括时空覆盖度、任务强度、信号干扰度、紧要任务优先度、任务均衡度和移动成本指标；

20、适应度评价模型由惩罚函数和目标函数组成：

21、，

22、

23、

24、

25、式中，、、分别是监测点、时段数和通信节点的总数，目标函数是上述多因素的加权函数，时空覆盖度、任务均衡度、紧要任务优先度属于正向评价指标，任务强度 i、信号干扰度、移动成本属于负向评价指标，和是对应的权重系数且满足所有权重之和为1，和表示所有种群个体对应优化指标最大值，和对应最小值，惩罚函数 p根据通信节点续航时间、链路数量限制由惩罚因子 、组成，分别作为通信无人机、通信车超出续航时间限制和负载能力的惩罚，和分别是约束条件的上下界，是时段第个通信节点的工作时长，代表第个通信节点的最大续航，代表第个通信节点通信链路上界，函数表示在括号内两者中取更大的一项，是判断时段第个通信节点与第个监测点建立通信链路的二值变量。

26、进一步地，对种群个体中的每一时段的时空递阶染色体矩阵中的多种基因依次执行协同进化机制的方法为：

27、将通信无人机坐标基因看作染色体粒子，根据粒子群算法的速度和位置更新公式对通信无人机坐标进行进化；

28、对参数基因进行交叉操作；

29、对参数基因进行变异操作。

30、进一步地，对参数基因进行交叉操作的方法为：

31、设两个父代种群个体的参数基因为y1、y2，随机得到父代种群个体中待交叉的监测点数目：

32、

33、式中，为监测点的总数，是当前迭代中的最优适应度，是父代种群个体的当前适应度，为取整函数，表示在[1，a]值域内随机生成b个整数；

34、随机生成 crossnum个待交叉的监测点编号；

35、找到选中的待交叉监测点在y1、y2中的时段定位和及链接关系和，和为该监测点在两个父代种群个体对应时段的任务编号，随机生成交换位置 a，1< a< m， m为通信节点总数，对、进行单点交叉得到、，若交叉后的参数基因没有能够链接的通信节点则更换交换位置，直到满足覆盖条件；

36、对参数基因进行变异操作的方法为：

37、设当前待变异的参数基因为y，若小于自适应变异概率，同样结合父代种群个体适应度表现随机选择待变异的监测点编号，定位选中监测点的通信时段和链接关系，由时段监测点与所有通信节点的链接矩阵限定参数基因的变异范围，随机生成连接的若干个通信节点，变异后的链接关系是在可用通信节点约束内进化的一段新可行解。

38、一种生态环境监测地空通信网部署装置，包括：

39、种群初始化模块，用于根据生态环境监测场景确定可调度的通信节点构建初始种群，初始种群包括多个种群个体，种群个体包括多时段的时空递阶染色体矩阵，每一时段的时空递阶染色体矩阵包含多种基因且基于通信节点和监测点的数据编码生成；

40、适应度评价模型建立模块，用于建立多因素的适应度评价模型；

41、适应度获取模块，用于基于多因素的适应度评价模型获取种群个体的适应度；

42、排序模块，用于基于适应度对种群个体排序并剔除适应度不满足预设阈值的种群个体；

43、协同进化模块，用于对种群个体的每一时段的时空递阶染色体矩阵的多种基因依次执行协同进化机制；

44、迭代模块，用于返回基于多因素的适应度评价模型获取种群个体的适应度，进行迭代；

45、输出模块，用于当达到最大迭代次数后，输出历史最优的种群个体并解码为地空通信部署方案。

46、一种生态环境监测地空通信网部署设备，包括处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，处理器用于运行计算机程序时，执行上述的生态环境监测地空通信网部署方法的步骤。

47、一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的生态环境监测地空通信网部署方法的步骤。

48、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的生态环境监测地空通信网部署方法的步骤。

49、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

50、（1）本发明提供的生态环境监测地空通信网部署方法，针对相关技术存在缺乏断网环境生态环境数据实时传输的应用、缺少智能化的动态部署、目标优化考虑因素不全的问题，根据实际情况设置包括一定数量的通信节点，通信节点为通信车或通信无人机，且生成具有两层控制基因、一层参数基因的时空递阶染色体矩阵，第二层控制基因包括监测点信息基因、通信节点性能基因和通信车坐标基因，第一层控制基因包括通信无人机坐标且在第二层控制基因控制下生成和进化，参数基因为每一监测点与各个通信节点的链接关系且在第一层控制基因控制下完成进化，并综合考虑时空覆盖、任务强度等多方因素，建立适应度评价模型来评价对应的各个通信节点协同部署的地空通信网部署方案，进而对种群个体的每一时段的时空递阶染色体矩阵的多种基因依次执行协同进化机制，获取协同进化后的种群个体，本实施例设计融合粒子群位置更新策略和递阶结构染色体思想的混合递阶遗传算法，实现无网环境下对生态环境监测区域进行连续周期的地空通信网络覆盖，在通信需求和通信节点性能基因限制内以地空通信网的最优协同部署方案保障生态环境数据有效的传输，在下达新的监测点、通信节点变动等情况下，本实施例能响应这类动态变化，在当前部署场景基础上更新调度，进而确保动态部署，适用于复杂、动态的实际生态环境监测工作中监测数据的实时传输，减少通信链路失效的风险。

51、（2）本发明提供的生态环境监测地空通信网部署方法，结合通信车和通信无人机进行地空部署，提供的时空递阶染色体矩阵具有三层基因和若干时段，对种群个体的每一时段的时空递阶染色体矩阵的多种基因依次执行协同进化机制，获取协同进化后的种群个体，比传统遗传算法能携带更全面的遗传信息实现不同类型基因的协同进化，比传统递阶遗传算法的染色体排列结构更复杂，在基因层级类型基础上增加了场景资源类型，并且另外设计了染色体时段划分，参数基因矩阵延续了传统递阶染色体生成不同长度解的优势，同时每一种群个体都能解码为可行的地空通信网动态部署方案。