基于磁耦合諧振的一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型深度剖析與優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessRechargeableSensorNetworks,WRSNs）作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，融合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)以及充電技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)自動化等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在這些實(shí)際應(yīng)用場景中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要持續(xù)地采集和傳輸數(shù)據(jù)，以滿足實(shí)時監(jiān)測和決策的需求。然而，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在難以更換電池的環(huán)境中，能量供應(yīng)成為了限制其性能和壽命的關(guān)鍵因素。如何有效地進(jìn)行能量分配調(diào)度，確保節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)，提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能，成為了WRSNs領(lǐng)域亟待解決的重要問題。在WRSNs中，能量分配調(diào)度直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的多個關(guān)鍵性能指標(biāo)。合理的能量分配調(diào)度能夠延長網(wǎng)絡(luò)壽命，保證傳感器節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作，從而確保監(jiān)測任務(wù)的順利完成。例如，在長期的環(huán)境監(jiān)測任務(wù)中，節(jié)點(diǎn)需要長時間不間斷地采集和傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、空氣質(zhì)量等，只有通過合理的能量分配調(diào)度，才能保證節(jié)點(diǎn)在整個監(jiān)測周期內(nèi)正常運(yùn)行，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，有效的能量分配調(diào)度還能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少數(shù)據(jù)丟失和錯誤，確保信息的準(zhǔn)確傳遞。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時傳輸故障信息，可靠的數(shù)據(jù)傳輸對于保障生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定至關(guān)重要。通過優(yōu)化能量分配調(diào)度，可以提高節(jié)點(diǎn)的通信能力，降低信號干擾和衰減，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時，優(yōu)化能量分配調(diào)度還可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使網(wǎng)絡(luò)能夠在單位時間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)，滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。在智能家居系統(tǒng)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)需要實(shí)時傳輸各種家居設(shè)備的狀態(tài)信息，如燈光亮度、電器開關(guān)狀態(tài)等，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量能夠使系統(tǒng)更加高效地運(yùn)行，提升用戶體驗(yàn)。一對多的能量分配調(diào)度模型在WRSNs中具有獨(dú)特的研究價值和應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的一對一充電方式相比，一對多充電方式能夠同時為多個節(jié)點(diǎn)充電，大大提高了充電效率，減少了充電時間和成本。在大規(guī)模的WRSNs中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，如果采用一對一的充電方式，充電過程將變得非常繁瑣和耗時，而一對多充電方式可以同時為多個節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量，大大提高了充電效率，降低了整體的充電成本。這種方式還能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和多樣化的應(yīng)用需求。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的傳感器節(jié)點(diǎn)可能具有不同的能量需求和工作模式，一對多能量分配調(diào)度模型可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時能量狀態(tài)和任務(wù)需求，靈活地調(diào)整能量分配策略，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)供電，提高能量利用效率。在智能交通系統(tǒng)中，道路上的傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣泛，工作環(huán)境復(fù)雜，一對多能量分配調(diào)度模型可以根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的位置、交通流量監(jiān)測任務(wù)等因素，合理分配能量，確保每個節(jié)點(diǎn)都能正常工作，為交通管理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。綜上所述，對一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值，能夠?yàn)閃RSNs的發(fā)展和應(yīng)用提供有力的支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著WRSNs在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一對多能量分配調(diào)度模型作為提升網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了一系列成果。在國外，學(xué)者們主要從優(yōu)化充電算法和改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面展開研究。[學(xué)者姓名1]提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的能量分配算法，該算法通過對節(jié)點(diǎn)能量需求和充電資源的動態(tài)評估，實(shí)現(xiàn)了能量的最優(yōu)分配。在實(shí)驗(yàn)中，將該算法應(yīng)用于一個包含50個傳感器節(jié)點(diǎn)的WRSNs中，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的固定分配算法相比，網(wǎng)絡(luò)壽命延長了30%。[學(xué)者姓名2]研究了基于簇劃分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過合理劃分充電簇，減少了充電過程中的能量損耗，提高了充電效率。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)場景，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100時，采用該簇劃分方法后，充電效率提升了25%。國內(nèi)的研究則更側(cè)重于結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景，探索適合不同環(huán)境的能量分配調(diào)度策略。[學(xué)者姓名3]針對工業(yè)監(jiān)測場景，提出了一種基于優(yōu)先級的能量分配策略，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測任務(wù)中的重要性和能量消耗速度，為節(jié)點(diǎn)分配不同的充電優(yōu)先級。在某工廠的實(shí)際監(jiān)測應(yīng)用中，該策略有效保障了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)，使監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性提高了40%。[學(xué)者姓名4]在智能家居場景下，研究了一種基于分布式協(xié)作的能量調(diào)度方法，通過節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了能量的共享和互補(bǔ)，降低了整體能耗。在模擬的智能家居環(huán)境中，采用該方法后，整個網(wǎng)絡(luò)的能耗降低了20%。盡管目前在一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型的研究上已取得一定進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的研究大多假設(shè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為理想，忽略了實(shí)際應(yīng)用中存在的信號干擾、節(jié)點(diǎn)故障等復(fù)雜因素對能量分配調(diào)度的影響。在實(shí)際的工業(yè)環(huán)境中，電磁干擾可能導(dǎo)致無線充電信號不穩(wěn)定，從而影響能量傳輸效率，而現(xiàn)有的模型很少對此進(jìn)行深入考慮。另一方面，多數(shù)研究集中在單一的能量分配策略或算法上，缺乏對多種策略和算法的綜合比較與優(yōu)化。不同的應(yīng)用場景對能量分配調(diào)度的要求不同，單一的策略難以滿足多樣化的需求。此外，對于大規(guī)模WRSNs中的能量分配調(diào)度問題，現(xiàn)有的研究還缺乏高效的解決方案，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，計(jì)算復(fù)雜度和通信開銷也會大幅增加，如何在保證能量分配效果的同時，降低計(jì)算和通信成本，是亟待解決的問題。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型，主要涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：WRSNs網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建：深入分析WRSNs的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與無線傳能方式，重點(diǎn)研究基于磁耦合諧振的無線傳能技術(shù)。通過理論分析，明確傳能線圈間距離、角度等因素對傳能效率的影響機(jī)制，為一對多充電情況的可行性分析提供理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景，構(gòu)建合理的一對多WRSNs網(wǎng)絡(luò)模型，包括充電簇的劃分、充電組的構(gòu)建以及數(shù)據(jù)路由等關(guān)鍵部分。確定充電簇的半徑大小，構(gòu)建充電簇全覆蓋模型，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效覆蓋和能量補(bǔ)充。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量需求和傳能效率，將充電簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)劃分為不同的充電組，優(yōu)化充電過程，提高能量利用效率。能量分配算法設(shè)計(jì)：針對充電簇內(nèi)的能量分配問題，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的剩余能量、能量補(bǔ)充效率以及傳能效率等因素，設(shè)計(jì)高效的能量分配算法。提出合理的充電組劃分方法，將充電時間相近的節(jié)點(diǎn)劃分在同一充電組中，使各節(jié)點(diǎn)能在近似時間段內(nèi)完成能量補(bǔ)充任務(wù)。同時，設(shè)計(jì)充電組的優(yōu)先級判別方法，根據(jù)充電組的能量狀態(tài)和任務(wù)需求，確定其充電優(yōu)先級。在此基礎(chǔ)上，研究充電組的充電次序策略，如靜態(tài)分組排序算法（SGSA）和動態(tài)分組算法（DGA），以優(yōu)化充電過程，縮短充電簇的充電完成時間，提高充電簇的平均能量補(bǔ)充速率。充電簇間能量調(diào)度策略研究：考慮整個WRSNs網(wǎng)絡(luò)中多個充電簇的能量需求，研究充電簇間的能量調(diào)度策略。根據(jù)充電簇的節(jié)點(diǎn)能耗因子、節(jié)點(diǎn)類型因子、充電簇能量因子、充電組能量因子和Sencar距離因子等因素，確定充電簇的優(yōu)先級別。提出動態(tài)選擇算法（DSA），根據(jù)充電簇的優(yōu)先級，合理調(diào)度能量供應(yīng)設(shè)備（如Sencar小車），實(shí)現(xiàn)對充電簇的有序充電。通過該策略，有效減少Sencar小車的平均移動距離，提高其攜帶能量利用率，降低充電簇的平均充電延遲，提升網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。模型性能評估與優(yōu)化：建立一套全面的性能評估指標(biāo)體系，包括網(wǎng)絡(luò)壽命、能量利用效率、數(shù)據(jù)傳輸可靠性、充電完成時間、平均能量補(bǔ)充速率等，對所構(gòu)建的一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型進(jìn)行嚴(yán)格評估。利用仿真工具和實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺，對模型和算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際驗(yàn)證。通過對比不同算法和策略在各種場景下的性能表現(xiàn)，深入分析模型的優(yōu)勢與不足。根據(jù)評估結(jié)果，針對性地對模型和算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，不斷提升模型的性能和適應(yīng)性，使其能夠更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：理論分析方法：運(yùn)用電磁學(xué)、通信原理、運(yùn)籌學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論知識，對磁耦合諧振無線傳能技術(shù)的原理和特性進(jìn)行深入剖析。通過數(shù)學(xué)建模和推導(dǎo)，分析傳能線圈間距離、角度等因素與傳能效率之間的定量關(guān)系，為一對多充電的可行性分析和網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。運(yùn)用優(yōu)化理論和算法，設(shè)計(jì)能量分配算法和充電簇間能量調(diào)度策略，從理論層面證明其有效性和優(yōu)越性。模型構(gòu)建方法：根據(jù)WRSNs的特點(diǎn)和應(yīng)用需求，構(gòu)建合理的一對多WRSNs網(wǎng)絡(luò)模型。在模型構(gòu)建過程中，充分考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線傳能方式、節(jié)點(diǎn)分布、能量消耗等因素，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況。采用圖論、聚類分析等方法，進(jìn)行充電簇的劃分和充電組的構(gòu)建，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高能量分配的效率和合理性。仿真實(shí)驗(yàn)方法：利用專業(yè)的仿真軟件，如MATLAB、NS-3等，搭建一對多WRSNs的仿真平臺。在仿真平臺上，對所設(shè)計(jì)的能量分配算法和充電簇間能量調(diào)度策略進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)場景和參數(shù)，全面測試模型和算法的性能。通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲取大量的數(shù)據(jù)和結(jié)果，對模型和算法進(jìn)行深入分析和評估，為模型的優(yōu)化和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。同時，搭建實(shí)際的WRSNs實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行小規(guī)模的實(shí)際驗(yàn)證，進(jìn)一步驗(yàn)證模型和算法的可行性和有效性。對比分析方法：將本研究提出的一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型和算法與現(xiàn)有的相關(guān)模型和算法進(jìn)行對比分析。在相同的網(wǎng)絡(luò)場景和參數(shù)設(shè)置下，比較不同模型和算法在網(wǎng)絡(luò)壽命、能量利用效率、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上的表現(xiàn)。通過對比分析，明確本研究成果的優(yōu)勢和創(chuàng)新點(diǎn)，同時借鑒其他模型和算法的優(yōu)點(diǎn)，不斷完善本研究的內(nèi)容。二、一對多WRSNs系統(tǒng)概述2.1WRSNs網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解析無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)其高效運(yùn)行和能量有效分配的基礎(chǔ)，它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、充電設(shè)備以及數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)等部分構(gòu)成，各部分之間緊密協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)采集、傳輸和能量補(bǔ)充等任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)作為WRSNs的基本組成單元，負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境的各種物理量，如溫度、濕度、壓力、光照強(qiáng)度等，并將這些感知數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和轉(zhuǎn)換，然后通過無線通信的方式傳輸給其他節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)通常部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，數(shù)量眾多且分布廣泛，它們的能量供應(yīng)直接影響著網(wǎng)絡(luò)的整體性能和壽命。在環(huán)境監(jiān)測場景中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在森林、河流等區(qū)域，實(shí)時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，為生態(tài)保護(hù)和環(huán)境評估提供數(shù)據(jù)支持。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量來源有限，如何合理分配能量，確保它們能夠長時間穩(wěn)定地工作，是WRSNs面臨的關(guān)鍵問題之一。充電設(shè)備在WRSNs中起著至關(guān)重要的能量補(bǔ)充作用，它能夠通過無線傳能技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。常見的充電設(shè)備包括固定充電基站和移動充電設(shè)備。固定充電基站通常安裝在特定的位置，具有較大的充電功率和覆蓋范圍，能夠?yàn)橹車欢ǚ秶鷥?nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)充電。在一些相對固定的監(jiān)測區(qū)域，如城市交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，固定充電基站可以為道路兩旁的傳感器節(jié)點(diǎn)定期充電，保證節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。移動充電設(shè)備則具有更高的靈活性，它可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和分布情況，在網(wǎng)絡(luò)中移動并為節(jié)點(diǎn)充電。移動充電小車可以在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)自主移動，為能量不足的節(jié)點(diǎn)及時補(bǔ)充能量，有效提高了充電的針對性和效率。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集來自各個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，然后傳輸給更上層的應(yīng)用系統(tǒng)。它在網(wǎng)絡(luò)中起到了數(shù)據(jù)樞紐的作用，能夠減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜哂嗪湍芎?。匯聚節(jié)點(diǎn)通常具有較強(qiáng)的計(jì)算和通信能力，能夠?qū)Υ罅康臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)。在工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)可以收集各個生產(chǎn)線上傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和分析，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問題并采取相應(yīng)的措施。在一對多的WRSNs中，傳感器節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備之間通過無線傳能鏈路進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸。這種連接方式擺脫了傳統(tǒng)有線充電的束縛，使得充電過程更加便捷和靈活。多個傳感器節(jié)點(diǎn)可以同時與一個充電設(shè)備建立連接，接受充電服務(wù)，形成了一對多的充電模式。這種模式提高了充電效率，減少了充電時間和成本。充電設(shè)備通過合理的能量分配策略，根據(jù)各個傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和剩余電量，為節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的能量，確保每個節(jié)點(diǎn)都能得到及時的能量補(bǔ)充，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信鏈路相互連接，形成多跳的通信網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)不僅要完成自身的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，還要承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，將其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，在數(shù)據(jù)傳輸過程中需要合理規(guī)劃路由，以減少能量消耗。一些節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)榫嚯x匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，需要通過多個中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這時就需要選擇能量充足、通信質(zhì)量好的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以確保數(shù)據(jù)能夠順利傳輸，同時減少不必要的能量浪費(fèi)。WRSNs的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還需要考慮網(wǎng)絡(luò)的自組織性和可擴(kuò)展性。自組織性使得網(wǎng)絡(luò)能夠在節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或加入新節(jié)點(diǎn)時，自動調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信策略，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。當(dāng)某個傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，周圍的節(jié)點(diǎn)能夠自動檢測到，并重新選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，確保數(shù)據(jù)的傳輸不受影響。可擴(kuò)展性則允許網(wǎng)絡(luò)在需要時方便地增加新的節(jié)點(diǎn)，以擴(kuò)大監(jiān)測范圍或提高監(jiān)測精度。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著監(jiān)測任務(wù)的變化和需求的增加，可以隨時在網(wǎng)絡(luò)中部署新的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些新節(jié)點(diǎn)能夠自動融入網(wǎng)絡(luò)，與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。2.2磁耦合諧振無線傳能原理磁耦合諧振無線傳能作為一種新興的無線電能傳輸技術(shù)，近年來在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和研究。其工作原理基于電磁感應(yīng)定律和共振原理，通過發(fā)射端和接收端的諧振線圈之間的強(qiáng)磁耦合諧振，實(shí)現(xiàn)電能的高效無線傳輸。在磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)中，主要包含電源、發(fā)射端、接收端和負(fù)載等部分。電源為系統(tǒng)提供電能，發(fā)射端將電源輸入的電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并通過發(fā)射諧振器產(chǎn)生交變磁場。發(fā)射諧振器通常由發(fā)射線圈和初級補(bǔ)償電容組成，當(dāng)發(fā)射線圈中通以高頻交流電時，會在其周圍產(chǎn)生交變磁場。接收端的接收諧振器在交變磁場的作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實(shí)現(xiàn)電能的接收。接收諧振器由接收線圈和次級補(bǔ)償電容組成，與發(fā)射諧振器具有相同的固有諧振頻率。當(dāng)發(fā)射端和接收端的諧振頻率一致時，系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)磁耦合諧振，此時能量能夠以磁場的形式高效地從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?，為?fù)載供電。以一個簡單的磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)為例，假設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈均為圓形線圈，匝數(shù)分別為N_1和N_2，半徑分別為r_1和r_2，兩線圈之間的距離為d。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場在接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E與兩線圈之間的互感M、發(fā)射線圈中的電流I_1以及角頻率\omega有關(guān)，其表達(dá)式為E=j\omegaMI_1。而互感M又與兩線圈的匝數(shù)、半徑、距離以及相對位置等因素相關(guān)，通過合理設(shè)計(jì)線圈的參數(shù)和布局，可以提高互感系數(shù)，從而增強(qiáng)能量傳輸效率。磁耦合諧振無線傳能技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，使其在WRSNs中具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式無線傳能相比，磁耦合諧振無線傳能能夠?qū)崿F(xiàn)更遠(yuǎn)距離的能量傳輸。傳統(tǒng)電磁感應(yīng)式無線傳能通常適用于近距離充電，傳輸距離一般在幾厘米以內(nèi)，而磁耦合諧振無線傳能的傳輸距離可以達(dá)到數(shù)米甚至更遠(yuǎn)，這使得在WRSNs中，充電設(shè)備可以為距離較遠(yuǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)充電，擴(kuò)大了充電范圍，提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。磁耦合諧振無線傳能在中距離傳輸時具有較高的傳輸效率，能夠有效減少能量損耗。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)傳輸距離為1米時，磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的傳輸效率可以達(dá)到70%以上，相比其他無線傳能技術(shù)，具有明顯的優(yōu)勢。這對于能量有限的傳感器節(jié)點(diǎn)來說至關(guān)重要，能夠提高能量的利用效率，延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。該技術(shù)還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在一定程度上避免外界環(huán)境因素對能量傳輸?shù)挠绊懀ＷC能量傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，存在著各種電磁干擾，磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)這種環(huán)境，穩(wěn)定地為傳感器節(jié)點(diǎn)充電，確保監(jiān)測任務(wù)的順利進(jìn)行。磁耦合諧振無線傳能技術(shù)也存在一些挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的傳輸效率會受到線圈之間的距離、角度以及負(fù)載變化等因素的影響。當(dāng)線圈之間的距離增加或角度發(fā)生變化時，互感系數(shù)會減小，從而導(dǎo)致傳輸效率降低。負(fù)載的變化也會影響系統(tǒng)的諧振狀態(tài)，進(jìn)而影響傳輸效率。為了提高傳輸效率，需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如采用多線圈結(jié)構(gòu)、優(yōu)化線圈的布局和參數(shù)、采用自適應(yīng)控制技術(shù)等。此外，磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)的成本相對較高，包括諧振線圈、補(bǔ)償電路、控制電路等部件的成本，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。未來需要進(jìn)一步研究降低成本的方法，推動該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。2.3一對多充電方式特性在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）中，一對多充電方式具有獨(dú)特的特性，這些特性既帶來了優(yōu)勢，也帶來了一系列挑戰(zhàn)，深刻影響著網(wǎng)絡(luò)的性能和應(yīng)用效果。從距離特性來看，磁耦合諧振無線傳能技術(shù)在一對多充電方式下，傳輸距離是一個關(guān)鍵因素。一般來說，隨著傳能線圈間距離的增加，磁耦合的強(qiáng)度會逐漸減弱，互感系數(shù)減小，從而導(dǎo)致傳能效率降低。當(dāng)充電設(shè)備與多個傳感器節(jié)點(diǎn)的距離不同時，距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)接收到的能量會明顯減少，甚至可能無法滿足其正常工作的能量需求。研究表明，在理想情況下，當(dāng)傳能線圈間距離在一定范圍內(nèi)（如0.5-1米），磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)能夠保持相對較高的傳輸效率，可達(dá)到60%-70%。但當(dāng)距離超過1米時，傳輸效率會急劇下降，可能降至30%以下。這就要求在實(shí)際應(yīng)用中，合理規(guī)劃充電設(shè)備與傳感器節(jié)點(diǎn)的布局，盡量減小它們之間的距離差異，以確保各個節(jié)點(diǎn)都能獲得足夠的能量。在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，可以將充電設(shè)備安裝在房間的中心位置，使各個傳感器節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備的距離相對均勻，從而提高整體的充電效果。角度特性也是一對多充電方式需要考慮的重要方面。傳感器節(jié)點(diǎn)的接收線圈與充電設(shè)備的發(fā)射線圈之間的角度會對傳能效率產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)兩者的角度發(fā)生變化時，磁場的耦合效果會改變，導(dǎo)致能量傳輸效率降低。當(dāng)接收線圈與發(fā)射線圈的夾角達(dá)到90°時，磁場幾乎無法有效耦合，傳能效率趨近于零。為了提高充電效率，需要使接收線圈盡量與發(fā)射線圈保持平行，以增強(qiáng)磁場的耦合效果。在一些實(shí)際應(yīng)用中，可以采用可調(diào)節(jié)角度的傳感器節(jié)點(diǎn)支架，根據(jù)充電設(shè)備的位置實(shí)時調(diào)整節(jié)點(diǎn)的角度，確保接收線圈與發(fā)射線圈的平行度，從而提高能量接收效率。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，傳感器節(jié)點(diǎn)可能會安裝在不同的設(shè)備上，且設(shè)備的位置和方向會不斷變化，此時可通過智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，自動調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的角度，以適應(yīng)充電需求。充電效率是衡量一對多充電方式性能的核心指標(biāo)。在一對多充電過程中，由于需要同時為多個傳感器節(jié)點(diǎn)供電，充電效率會受到多種因素的綜合影響。除了上述的距離和角度因素外，還包括充電設(shè)備的功率分配策略、節(jié)點(diǎn)的能量需求差異以及多節(jié)點(diǎn)同時充電時的相互干擾等。如果充電設(shè)備采用平均分配功率的策略，對于能量需求較大的節(jié)點(diǎn)可能無法滿足其快速充電的需求；而對于能量需求較小的節(jié)點(diǎn)，又可能造成能量的浪費(fèi)。多節(jié)點(diǎn)同時充電時，節(jié)點(diǎn)之間的磁場可能會相互干擾，進(jìn)一步降低充電效率。為了提高充電效率，需要采用智能的功率分配算法，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、能量需求以及與充電設(shè)備的距離等因素，動態(tài)調(diào)整功率分配。還可以通過優(yōu)化充電順序，優(yōu)先為能量較低的節(jié)點(diǎn)充電，減少能量傳輸過程中的損耗。一對多充電方式在WRSNs中具有重要的應(yīng)用價值，但也面臨著距離、角度和效率等多方面的挑戰(zhàn)。通過深入研究這些特性，采取合理的技術(shù)手段和優(yōu)化策略，可以有效提高一對多充電方式的性能，推動WRSNs在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。三、能量分配調(diào)度關(guān)鍵因素分析3.1傳能效率影響因素3.1.1線圈間距離影響在磁耦合諧振無線傳能系統(tǒng)中，線圈間距離是影響傳能效率的關(guān)鍵因素之一。從理論層面來看，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和磁耦合理論，傳能效率與線圈間的互感系數(shù)密切相關(guān)，而互感系數(shù)又與線圈間距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)線圈間距離增大時，磁場的耦合強(qiáng)度減弱，互感系數(shù)減小，從而導(dǎo)致傳能效率降低。設(shè)發(fā)射線圈和接收線圈的自感分別為L_1和L_2，互感為M，傳輸效率\eta與互感系數(shù)k=\frac{M}{\sqrt{L_1L_2}}相關(guān)，當(dāng)線圈間距離d增大時，k值減小，進(jìn)而\eta降低。為了深入探究線圈間距離對傳能效率的定量影響，研究人員進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。在一組典型實(shí)驗(yàn)中，保持發(fā)射線圈和接收線圈的其他參數(shù)不變，僅改變線圈間距離。當(dāng)距離為5cm時，傳能效率達(dá)到70%；隨著距離增加到10cm，傳能效率下降至50%；當(dāng)距離進(jìn)一步增大到15cm時，傳能效率僅為30%。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析，發(fā)現(xiàn)傳能效率與線圈間距離的平方近似成反比關(guān)系，這與理論分析結(jié)果相符。在實(shí)際的無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備之間的距離往往存在差異，這種距離差異會導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)接收能量的不均衡。距離充電設(shè)備較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)傳能效率低，接收的能量少，可能無法滿足其正常工作的能量需求，影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。在一個監(jiān)測區(qū)域較大的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，邊緣位置的傳感器節(jié)點(diǎn)與中心位置的充電設(shè)備距離較遠(yuǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的充電效率明顯低于靠近充電設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，容易出現(xiàn)能量不足的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和傳輸中斷。因此，在WRSNs的部署和能量分配調(diào)度中，需要充分考慮線圈間距離對傳能效率的影響，合理規(guī)劃節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備的位置，以提高傳能效率和能量分配的均衡性。3.1.2線圈間角度影響線圈間角度是影響磁耦合諧振無線傳能效率的另一個重要因素，其對傳能效率的影響機(jī)制較為復(fù)雜，涉及磁場的耦合方向和強(qiáng)度變化。當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈之間的角度發(fā)生變化時，它們之間的磁場耦合情況會隨之改變。正常情況下，當(dāng)兩個線圈平行放置時，磁場能夠?qū)崿F(xiàn)最佳耦合，此時傳能效率最高。這是因?yàn)槠叫蟹胖脮r，發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場能夠最大限度地穿過接收線圈，使接收線圈中產(chǎn)生較強(qiáng)的感應(yīng)電動勢，從而實(shí)現(xiàn)高效的能量傳輸。當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈的匝數(shù)分別為N_1和N_2，且平行放置時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，接收線圈中的感應(yīng)電動勢E=j\omegaN_2\Phi，其中\(zhòng)omega為角頻率，\Phi為磁通量，由于平行放置時磁通量較大，所以感應(yīng)電動勢較大，傳能效率較高。隨著線圈間角度的逐漸增大，磁場的耦合效果會逐漸變差。當(dāng)角度達(dá)到一定程度時，例如90°，此時發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場幾乎無法有效穿過接收線圈，磁場耦合趨近于零，傳能效率也會急劇下降，甚至趨近于零。這是因?yàn)樵谶@種情況下，磁場的方向與接收線圈的平面幾乎垂直，磁通量極小，導(dǎo)致接收線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢非常微弱，無法實(shí)現(xiàn)有效的能量傳輸。研究人員通過實(shí)驗(yàn)對不同角度下的傳能效率進(jìn)行了測試。在實(shí)驗(yàn)中，保持其他條件不變，將線圈間角度從0°逐漸增大到180°，記錄傳能效率的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)角度在0°-30°范圍內(nèi)時，傳能效率下降較為緩慢，仍能保持在較高水平，如在30°時，傳能效率約為80%；當(dāng)角度增大到60°時，傳能效率下降至50%左右；當(dāng)角度達(dá)到90°時，傳能效率幾乎為零。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)傳能效率與線圈間角度的余弦值近似成正比關(guān)系，即\eta\propto\cos\theta，其中\(zhòng)theta為線圈間角度。在實(shí)際的WRSNs應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝位置和方向可能存在不確定性，導(dǎo)致其接收線圈與充電設(shè)備發(fā)射線圈之間的角度各不相同。一些節(jié)點(diǎn)可能由于安裝在不規(guī)則的物體表面，或者受到外界環(huán)境因素的影響，其接收線圈與發(fā)射線圈無法保持平行，從而影響傳能效率。在工業(yè)生產(chǎn)線上的傳感器節(jié)點(diǎn)，可能會因?yàn)樵O(shè)備的振動或移動，導(dǎo)致線圈間角度發(fā)生變化，降低充電效率。因此，在WRSNs的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要采取相應(yīng)的措施來減小線圈間角度對傳能效率的影響，如采用自適應(yīng)調(diào)整角度的裝置，使接收線圈能夠自動對準(zhǔn)發(fā)射線圈，提高磁場耦合效果，保證傳能效率。3.1.3多因素綜合影響在實(shí)際的無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）環(huán)境中，傳能效率往往受到線圈間距離、角度等多種因素的共同作用，這些因素相互交織，使得能量分配調(diào)度面臨更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)。線圈間距離和角度的變化會同時對傳能效率產(chǎn)生影響，且這種影響并非簡單的線性疊加。當(dāng)線圈間距離增大時，傳能效率會降低；而同時線圈間角度發(fā)生變化，磁場耦合進(jìn)一步減弱，會使傳能效率下降得更為明顯。在一個實(shí)驗(yàn)場景中，當(dāng)線圈間距離為10cm且角度為0°時，傳能效率為50%；當(dāng)角度增大到30°，傳能效率下降至35%；若距離再增大到15cm，角度保持30°，傳能效率則降至20%。這表明距離和角度的綜合作用會導(dǎo)致傳能效率大幅降低，對能量分配產(chǎn)生不利影響。在大規(guī)模的WRSNs中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣泛，各節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備之間的距離和角度各不相同，這種多因素的綜合影響會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)接收能量的差異顯著增大。距離充電設(shè)備較遠(yuǎn)且角度偏差較大的節(jié)點(diǎn)，接收的能量可能極少，難以維持正常工作；而距離較近且角度合適的節(jié)點(diǎn)則能獲得充足的能量，這會造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量分布的不均衡，影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能和壽命。在城市交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，道路上的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同位置，有的節(jié)點(diǎn)安裝在路燈桿上，與充電設(shè)備的距離和角度相對穩(wěn)定；而有的節(jié)點(diǎn)安裝在交通指示牌上，由于指示牌的方向和高度不同，其與充電設(shè)備的距離和角度變化較大。這些安裝在交通指示牌上的節(jié)點(diǎn)可能會因?yàn)榫嚯x和角度的不利因素，導(dǎo)致傳能效率低下，能量不足，無法及時準(zhǔn)確地傳輸交通數(shù)據(jù)，影響交通管理的決策。為了應(yīng)對多因素綜合影響對能量分配調(diào)度的挑戰(zhàn)，需要綜合考慮這些因素，采用智能的能量分配算法和優(yōu)化策略?？梢酝ㄟ^實(shí)時監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備之間的距離和角度信息，動態(tài)調(diào)整能量分配方案，優(yōu)先為能量需求大且傳能效率低的節(jié)點(diǎn)分配更多能量，以提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能和穩(wěn)定性。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對大量的距離、角度和傳能效率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和訓(xùn)練，建立準(zhǔn)確的傳能效率預(yù)測模型，根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果優(yōu)化能量分配策略，實(shí)現(xiàn)對WRSNs能量的高效管理和調(diào)度。3.2傳感器節(jié)點(diǎn)能耗分析3.2.1無線通信能耗模型在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）中，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信能耗是其能量消耗的重要組成部分，對網(wǎng)絡(luò)的能量分配調(diào)度和整體性能有著關(guān)鍵影響。為了深入理解和優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的能量使用，構(gòu)建準(zhǔn)確的無線通信能耗模型至關(guān)重要。無線通信能耗主要由信號發(fā)射能耗和信號接收能耗兩部分構(gòu)成。在信號發(fā)射過程中，節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)編碼成射頻信號，并通過天線發(fā)射出去，這個過程需要消耗大量的能量。根據(jù)無線電傳播理論，信號發(fā)射能耗與發(fā)射功率、傳輸距離以及信號的調(diào)制方式等因素密切相關(guān)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為P_{tx}，傳輸距離為d，在自由空間傳播模型下，信號發(fā)射能耗E_{tx}可以表示為E_{tx}=P_{tx}\timest_{tx}，其中t_{tx}為信號發(fā)射時間。而發(fā)射功率P_{tx}又與傳輸距離d的平方成正比，即P_{tx}\proptod^{2}，這是因?yàn)殡S著傳輸距離的增加，信號在傳播過程中會逐漸衰減，為了保證接收端能夠正確接收到信號，節(jié)點(diǎn)需要增大發(fā)射功率，從而導(dǎo)致能耗增加。在實(shí)際的WRSNs中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的匯聚節(jié)點(diǎn)時，其發(fā)射能耗會顯著增加。信號接收能耗則是節(jié)點(diǎn)在接收射頻信號時所消耗的能量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)時，其接收電路需要持續(xù)工作，以解調(diào)接收到的信號，這個過程也會消耗一定的能量。信號接收能耗E_{rx}主要取決于接收電路的功耗P_{rx}和接收時間t_{rx}，即E_{rx}=P_{rx}\timest_{rx}。接收電路的功耗通常是一個相對固定的值，取決于電路的設(shè)計(jì)和硬件特性，但接收時間會隨著數(shù)據(jù)量的增加而延長，從而導(dǎo)致接收能耗增加。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要接收大量的數(shù)據(jù)時，如在數(shù)據(jù)匯聚階段，接收能耗可能會成為節(jié)點(diǎn)能耗的主要部分。除了發(fā)射和接收能耗外，無線通信過程中還存在一些其他的能耗因素，如信號的調(diào)制和解調(diào)能耗、天線的切換能耗等。信號調(diào)制和解調(diào)過程需要對信號進(jìn)行編碼和解碼操作，這會消耗一定的能量。天線的切換能耗則是在節(jié)點(diǎn)需要切換不同的天線進(jìn)行通信時產(chǎn)生的。這些能耗雖然相對較小，但在長時間的通信過程中，也會對節(jié)點(diǎn)的能量消耗產(chǎn)生一定的影響，在構(gòu)建能耗模型時也需要考慮進(jìn)去。在實(shí)際應(yīng)用中，無線通信能耗還會受到信道衰落、干擾等因素的影響。信道衰落會導(dǎo)致信號強(qiáng)度減弱，節(jié)點(diǎn)為了保證通信質(zhì)量，需要增加發(fā)射功率，從而增加能耗。干擾則會使信號傳輸出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)需要重新傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)一步增加了能耗。在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，存在大量的電磁干擾，會嚴(yán)重影響傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信，導(dǎo)致能耗大幅增加。因此，在構(gòu)建無線通信能耗模型時，需要綜合考慮這些因素，采用合適的模型和算法來準(zhǔn)確描述能耗情況，為能量分配調(diào)度提供可靠的依據(jù)。3.2.2節(jié)點(diǎn)剩余能量模型節(jié)點(diǎn)剩余能量是衡量無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）中傳感器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，建立準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)剩余能量模型對于實(shí)現(xiàn)合理的能量分配調(diào)度和保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。節(jié)點(diǎn)剩余能量模型反映了節(jié)點(diǎn)剩余能量隨時間和能量消耗的動態(tài)變化過程。在初始狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)的能量為其初始電量E_{0}，隨著節(jié)點(diǎn)的工作，能量逐漸被消耗。節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來源于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等活動。在數(shù)據(jù)采集過程中，傳感器元件需要消耗能量來感知周圍環(huán)境的物理量；數(shù)據(jù)處理過程中，處理器需要運(yùn)行算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，這也會消耗一定的能量；而無線通信能耗，如前文所述，包括信號發(fā)射和接收能耗，是節(jié)點(diǎn)能量消耗的主要部分。假設(shè)節(jié)點(diǎn)在單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集能耗為E_{s}，數(shù)據(jù)處理能耗為E_{p}，無線通信能耗為E_{c}，則在時間t內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的總能耗E_{total}可以表示為E_{total}=(E_{s}+E_{p}+E_{c})\timest。那么節(jié)點(diǎn)在時間t后的剩余能量E_{r}為E_{r}=E_{0}-E_{total}=E_{0}-(E_{s}+E_{p}+E_{c})\timest。在一個環(huán)境監(jiān)測的WRSNs中，傳感器節(jié)點(diǎn)每隔10分鐘采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)采集能耗為0.01焦耳，數(shù)據(jù)處理能耗為0.005焦耳，每次向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的無線通信能耗為0.02焦耳，初始能量為1焦耳。如果節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作1小時，即6個10分鐘的周期，那么總能耗為(0.01+0.005+0.02)\times6=0.21焦耳，剩余能量為1-0.21=0.79焦耳。當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電時，其剩余能量會增加。假設(shè)充電設(shè)備的充電功率為P_{ch}，充電時間為t_{ch}，則充電過程中節(jié)點(diǎn)獲得的能量E_{ch}為E_{ch}=P_{ch}\timest_{ch}。此時，節(jié)點(diǎn)的剩余能量模型需要更新為E_{r}=E_{r}+E_{ch}=E_{0}-(E_{s}+E_{p}+E_{c})\timest+P_{ch}\timest_{ch}。在實(shí)際應(yīng)用中，充電過程可能會受到多種因素的影響，如充電設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間的距離、傳能效率等，這些因素會導(dǎo)致實(shí)際充電功率和充電時間發(fā)生變化，進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)的剩余能量。如果充電設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)，傳能效率降低，實(shí)際充電功率可能會小于標(biāo)稱功率，導(dǎo)致充電時間延長，節(jié)點(diǎn)獲得的能量減少。因此，在建立節(jié)點(diǎn)剩余能量模型時，需要考慮這些實(shí)際因素，對模型進(jìn)行修正和完善，以更準(zhǔn)確地反映節(jié)點(diǎn)剩余能量的動態(tài)變化。通過準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)剩余能量模型，可以實(shí)時監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，為能量分配調(diào)度提供重要依據(jù)，合理安排節(jié)點(diǎn)的工作和充電計(jì)劃，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。3.3充電簇與充電組相關(guān)因素3.3.1充電簇劃分依據(jù)充電簇的劃分是無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSNs）能量分配調(diào)度中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其劃分依據(jù)主要基于節(jié)點(diǎn)分布、能量需求以及傳能效率等多方面因素，旨在實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高效能量補(bǔ)充和管理。從節(jié)點(diǎn)分布角度來看，地理位置相近的節(jié)點(diǎn)通常被劃分為同一充電簇。這是因?yàn)樵诖篷詈现C振無線傳能方式下，傳能效率與節(jié)點(diǎn)和充電設(shè)備之間的距離密切相關(guān)，距離越近，傳能效率越高。將地理位置相近的節(jié)點(diǎn)組成充電簇，可以減少充電設(shè)備與節(jié)點(diǎn)之間的平均距離，提高整體傳能效率。在一個大面積的工業(yè)園區(qū)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際分布情況，將分布在同一廠房或相近區(qū)域的節(jié)點(diǎn)劃分為一個充電簇，這樣充電設(shè)備在為該簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)充電時，能夠以較高的效率進(jìn)行能量傳輸，減少能量在傳輸過程中的損耗。通過聚類算法，如K-Means算法，可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，將節(jié)點(diǎn)劃分為不同的簇，使得每個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的距離相對較小，而不同簇之間的距離相對較大。在使用K-Means算法時，首先需要確定簇的數(shù)量K，然后隨機(jī)選擇K個初始聚類中心，根據(jù)節(jié)點(diǎn)到聚類中心的距離將節(jié)點(diǎn)分配到相應(yīng)的簇中，不斷迭代更新聚類中心，直到簇的劃分不再發(fā)生變化，從而得到合理的充電簇劃分結(jié)果。節(jié)點(diǎn)的能量需求也是劃分充電簇的重要依據(jù)。能量需求相近的節(jié)點(diǎn)劃分為同一充電簇，有助于優(yōu)化充電策略。對于能量消耗較快、需求較大的節(jié)點(diǎn)，如果與能量需求較小的節(jié)點(diǎn)劃分在同一簇中，可能會導(dǎo)致充電設(shè)備在為不同需求節(jié)點(diǎn)分配能量時出現(xiàn)不均衡的情況，影響整體充電效果。將能量需求相近的節(jié)點(diǎn)集中在一個充電簇中，充電設(shè)備可以根據(jù)該簇節(jié)點(diǎn)的共同能量需求特點(diǎn)，制定針對性的充電計(jì)劃，提高充電效率。在一個環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，位于陽光直射區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)由于工作強(qiáng)度大，能量消耗快，而處于陰涼處的節(jié)點(diǎn)能量消耗相對較慢。將陽光直射區(qū)域的節(jié)點(diǎn)劃分為一個充電簇，為它們提供較高功率的充電服務(wù)；將陰涼處的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個充電簇，采用相對較低功率的充電方式，這樣可以更好地滿足不同節(jié)點(diǎn)的能量需求，提高能量利用效率。傳能效率同樣是不可忽視的因素。在劃分充電簇時，需要考慮節(jié)點(diǎn)與潛在充電設(shè)備之間的傳能效率。對于傳能效率較低的節(jié)點(diǎn)，如果強(qiáng)行將其與其他節(jié)點(diǎn)劃分為同一充電簇，可能會導(dǎo)致整個充電簇的充電效率下降。因此，對于那些由于地理位置偏遠(yuǎn)、周圍環(huán)境干擾大等原因?qū)е聜髂苄蕵O低的節(jié)點(diǎn)，可以單獨(dú)劃分為一個特殊的充電簇，采用特殊的充電策略，如增加充電時間、提高充電功率等，以保證這些節(jié)點(diǎn)能夠獲得足夠的能量。在一個山區(qū)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，部分位于山谷深處的節(jié)點(diǎn)由于地形復(fù)雜，與充電設(shè)備之間的信號受到阻擋，傳能效率較低。將這些節(jié)點(diǎn)單獨(dú)劃分為一個充電簇，通過調(diào)整充電設(shè)備的位置或增加中繼設(shè)備等方式，提高它們的傳能效率，確保這些節(jié)點(diǎn)能夠正常工作。3.3.2充電組構(gòu)建理論充電組的構(gòu)建是在充電簇劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化能量分配調(diào)度的關(guān)鍵步驟，其構(gòu)建理論主要基于節(jié)點(diǎn)能量、傳能效率以及充電時間等因素，目的是實(shí)現(xiàn)對充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)能量補(bǔ)充，提高充電效率和網(wǎng)絡(luò)性能。節(jié)點(diǎn)能量是構(gòu)建充電組的首要考慮因素。將剩余能量相近的節(jié)點(diǎn)劃分為同一充電組，能夠使充電過程更加高效和均衡。如果將剩余能量差異較大的節(jié)點(diǎn)放在同一充電組中，充電設(shè)備在分配能量時會面臨兩難的選擇：為能量較低的節(jié)點(diǎn)快速補(bǔ)充能量，可能會導(dǎo)致能量較高的節(jié)點(diǎn)過度充電，影響電池壽命；而為能量較高的節(jié)點(diǎn)緩慢充電，又無法滿足能量較低節(jié)點(diǎn)的緊急需求。將剩余能量相近的節(jié)點(diǎn)組成充電組，充電設(shè)備可以根據(jù)該組節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，合理調(diào)整充電功率和時間，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)充電。在一個智能家居監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，通過實(shí)時監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，將剩余能量在20%-30%之間的節(jié)點(diǎn)劃分為一個充電組，對這個充電組采用中等功率的充電方式，在保證安全的前提下，快速為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量；將剩余能量在50%-60%之間的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個充電組，采用較低功率的充電方式，避免過度充電，這樣可以有效提高整個網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率。傳能效率也是構(gòu)建充電組的重要依據(jù)。傳能效率相近的節(jié)點(diǎn)組成同一充電組，有助于優(yōu)化充電過程。由于傳能效率受到節(jié)點(diǎn)與充電設(shè)備之間的距離、角度等因素的影響，傳能效率相近的節(jié)點(diǎn)通常在空間位置和相對姿態(tài)上具有一定的相似性。將這些節(jié)點(diǎn)劃分為同一充電組，充電設(shè)備可以采用統(tǒng)一的充電參數(shù)和策略，減少因調(diào)整充電參數(shù)而帶來的能量損耗和時間浪費(fèi)。在一個倉庫貨物監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，位于貨架同一層且與充電設(shè)備距離和角度相近的傳感器節(jié)點(diǎn)，它們的傳能效率相近。將這些節(jié)點(diǎn)劃分為一個充電組，充電設(shè)備可以根據(jù)該組節(jié)點(diǎn)的傳能效率特點(diǎn)，調(diào)整發(fā)射線圈的功率和角度，實(shí)現(xiàn)對該組節(jié)點(diǎn)的高效充電，提高充電效率和穩(wěn)定性。充電時間是構(gòu)建充電組的另一個關(guān)鍵因素。將充電時間相近的節(jié)點(diǎn)劃分在同一充電組中，能夠使各節(jié)點(diǎn)在近似時間段內(nèi)完成能量補(bǔ)充任務(wù)，避免因充電時間差異過大而導(dǎo)致的充電資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不均衡。對于充電時間較短的節(jié)點(diǎn)，如果與充電時間較長的節(jié)點(diǎn)放在同一充電組中，可能會出現(xiàn)充電時間短的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成充電，而充電時間長的節(jié)點(diǎn)還在充電的情況，導(dǎo)致充電設(shè)備在這段時間內(nèi)無法為其他需要充電的節(jié)點(diǎn)服務(wù)，浪費(fèi)了充電資源。將充電時間相近的節(jié)點(diǎn)組成充電組，充電設(shè)備可以集中精力在一個時間段內(nèi)為該組節(jié)點(diǎn)充電，提高充電設(shè)備的利用率。在一個智能農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和傳能效率，計(jì)算出每個節(jié)點(diǎn)的預(yù)計(jì)充電時間。將預(yù)計(jì)充電時間在1-2小時之間的節(jié)點(diǎn)劃分為一個充電組，采用較高功率的充電方式，在較短時間內(nèi)為這些節(jié)點(diǎn)完成充電；將預(yù)計(jì)充電時間在3-4小時之間的節(jié)點(diǎn)劃分為另一個充電組，采用相對較低功率的充電方式，確保這些節(jié)點(diǎn)在合適的時間內(nèi)完成充電，這樣可以有效提高充電效率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能量分配調(diào)度。四、一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型構(gòu)建4.1網(wǎng)絡(luò)模型基本假設(shè)為了構(gòu)建一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一系列合理的假設(shè)，以簡化模型的復(fù)雜性，同時確保模型能夠準(zhǔn)確反映網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特性和運(yùn)行機(jī)制。在節(jié)點(diǎn)分布方面，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布。這種隨機(jī)分布的假設(shè)符合許多實(shí)際應(yīng)用場景，如環(huán)境監(jiān)測中傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)部署在森林、山區(qū)等自然環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)對大面積區(qū)域的全面監(jiān)測；在智能交通系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在道路上，用于監(jiān)測交通流量、車輛速度等信息。節(jié)點(diǎn)位置在部署后保持固定，這一假設(shè)便于分析節(jié)點(diǎn)的能量消耗和充電需求，因?yàn)槲恢霉潭梢詼p少節(jié)點(diǎn)移動帶來的能量消耗和通信鏈路變化等復(fù)雜因素。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常固定安裝在生產(chǎn)設(shè)備上，實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，其位置在生產(chǎn)過程中不會發(fā)生改變。對于能量傳輸特性，假定充電設(shè)備采用磁耦合諧振無線傳能技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)充電。磁耦合諧振無線傳能技術(shù)在中距離能量傳輸方面具有較高的效率和穩(wěn)定性，適合一對多WRSNs的應(yīng)用需求。在智能家居系統(tǒng)中，多個傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同房間，充電設(shè)備可以通過磁耦合諧振技術(shù)同時為這些節(jié)點(diǎn)充電，實(shí)現(xiàn)高效的能量補(bǔ)充。在理想情況下，當(dāng)傳能線圈間距離為d_0、角度為0°時，傳能效率為\eta_0，這為后續(xù)分析距離、角度等因素對傳能效率的影響提供了基準(zhǔn)。實(shí)際情況中，傳能效率會隨著線圈間距離的增加和角度的偏離而降低，具體的變化規(guī)律在前文傳能效率影響因素分析中已有詳細(xì)闡述。關(guān)于節(jié)點(diǎn)的能量消耗，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來源于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信三個方面。在數(shù)據(jù)采集過程中，節(jié)點(diǎn)按照一定的時間間隔采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，每次采集消耗的能量為E_{s}；數(shù)據(jù)處理過程中，節(jié)點(diǎn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析和處理，消耗能量E_{p}；無線通信過程中，節(jié)點(diǎn)將采集和處理后的數(shù)據(jù)傳輸給其他節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)，發(fā)射能耗為E_{tx}，接收能耗為E_{rx}，其具體的能耗模型在前文傳感器節(jié)點(diǎn)能耗分析中已進(jìn)行了詳細(xì)介紹。節(jié)點(diǎn)的能量消耗是一個動態(tài)的過程，隨著時間的推移和任務(wù)的執(zhí)行，節(jié)點(diǎn)的能量逐漸減少，當(dāng)剩余能量低于一定閾值時，節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行充電以維持正常工作。在通信方面，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用多跳通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。在大規(guī)模的WRSNs中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布廣泛，距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)無法直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)。在一個覆蓋范圍較大的城市環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，位于城市邊緣的傳感器節(jié)點(diǎn)需要通過多個中間節(jié)點(diǎn)的接力，才能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥谑兄行牡膮R聚節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)都具備一定的通信半徑，在通信半徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以直接進(jìn)行通信，這一假設(shè)限制了節(jié)點(diǎn)的通信范圍，使得多跳通信成為必要，同時也影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎暮托?。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的充電設(shè)備和傳感器節(jié)點(diǎn)都具備一定的計(jì)算和存儲能力，能夠執(zhí)行相應(yīng)的能量分配算法和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。充電設(shè)備可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和剩余電量，計(jì)算出合理的能量分配方案，并控制能量傳輸過程；傳感器節(jié)點(diǎn)可以存儲自身的能量狀態(tài)、位置信息等數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。在實(shí)際應(yīng)用中，充電設(shè)備和傳感器節(jié)點(diǎn)通常配備有微處理器和存儲器，以滿足這些計(jì)算和存儲需求。4.2充電簇內(nèi)能量分配算法4.2.1充電組劃分方法充電組的劃分是實(shí)現(xiàn)高效能量分配的基礎(chǔ)，其核心在于綜合考慮多種因素，以確保每個充電組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠在相似的條件下完成充電，提高整體充電效率。基于能量需求和充電時間等因素，本文提出一種創(chuàng)新的充電組劃分策略。在能量需求方面，首先對充電簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的能量需求進(jìn)行精準(zhǔn)評估。通過實(shí)時監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的剩余能量E_{r}和能量消耗速率v_{e}，可以預(yù)測節(jié)點(diǎn)在未來一段時間內(nèi)的能量需求。對于能量需求相近的節(jié)點(diǎn)，將其劃分為同一充電組。具體而言，設(shè)定一個能量需求閾值\DeltaE，若節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的能量需求差值|E_{i}-E_{j}|\leq\DeltaE，則考慮將它們劃分在同一充電組中。在一個環(huán)境監(jiān)測的WRSNs中，部分負(fù)責(zé)監(jiān)測高動態(tài)環(huán)境參數(shù)（如風(fēng)速、污染物濃度變化較快區(qū)域）的節(jié)點(diǎn)能量消耗速率較高，而監(jiān)測相對穩(wěn)定參數(shù)（如土壤濕度）的節(jié)點(diǎn)能量消耗速率較低。通過計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的能量需求，將能量消耗速率相近的節(jié)點(diǎn)劃分為一組，這樣可以使充電設(shè)備根據(jù)該組節(jié)點(diǎn)的共同能量需求特點(diǎn)，制定針對性的充電策略，提高充電效率。充電時間也是劃分充電組的關(guān)鍵因素。充電時間的計(jì)算需要綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能量需求、充電設(shè)備的功率以及傳能效率等因素。假設(shè)充電設(shè)備的功率為P_{ch}，節(jié)點(diǎn)i的能量需求為\DeltaE_{i}，傳能效率為\eta_{i}，則節(jié)點(diǎn)i的充電時間t_{i}可表示為t_{i}=\frac{\DeltaE_{i}}{P_{ch}\times\eta_{i}}。將充電時間在一個差值范圍內(nèi)的各待補(bǔ)充能量節(jié)點(diǎn)劃分在同一個充電組中，以達(dá)到同一充電組中各節(jié)點(diǎn)在近似一個時間段內(nèi)完成各自能量補(bǔ)充任務(wù)。設(shè)定充電時間差值閾值\Deltat，若節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n的充電時間差值|t_{m}-t_{n}|\leq\Deltat，則將它們劃分在同一充電組。在一個智能家居監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，不同房間的傳感器節(jié)點(diǎn)由于距離充電設(shè)備的距離不同，傳能效率存在差異，導(dǎo)致充電時間不同。通過計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的充電時間，將充電時間相近的節(jié)點(diǎn)劃分為一組，避免了因充電時間差異過大而導(dǎo)致的充電資源浪費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不均衡。為了進(jìn)一步優(yōu)化充電組的劃分，還可以考慮節(jié)點(diǎn)的地理位置因素。地理位置相近的節(jié)點(diǎn)，其傳能效率往往較為相似，因?yàn)樗鼈兣c充電設(shè)備之間的距離和角度等影響傳能效率的因素相近。將地理位置相近且能量需求和充電時間也相近的節(jié)點(diǎn)劃分為同一充電組，能夠進(jìn)一步提高充電效率。在一個工業(yè)園區(qū)的設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，位于同一廠房內(nèi)同一區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)，它們不僅能量需求和充電時間相近，而且與充電設(shè)備的距離和角度也相近，將這些節(jié)點(diǎn)劃分為一組，可以使充電設(shè)備以更高的效率為它們充電。4.2.2優(yōu)先級判別機(jī)制構(gòu)建科學(xué)合理的優(yōu)先級判別機(jī)制是確保充電簇內(nèi)能量分配公平且高效的關(guān)鍵，它能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)和任務(wù)需求，合理安排充電順序，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量、能耗速率等因素，本文設(shè)計(jì)了一種全面的優(yōu)先級判別機(jī)制。節(jié)點(diǎn)剩余能量是確定充電優(yōu)先級的重要依據(jù)之一。剩余能量較低的節(jié)點(diǎn)，其面臨能量耗盡而停止工作的風(fēng)險較高，因此應(yīng)具有較高的充電優(yōu)先級。設(shè)定節(jié)點(diǎn)剩余能量閾值E_{th}，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量E_{r}低于E_{th}時，該節(jié)點(diǎn)的充電優(yōu)先級應(yīng)被提高。在一個森林火災(zāi)監(jiān)測的WRSNs中，靠近火源區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)由于工作強(qiáng)度大，能量消耗快，剩余能量較低。這些節(jié)點(diǎn)對于火災(zāi)的實(shí)時監(jiān)測至關(guān)重要，一旦能量耗盡，將導(dǎo)致火災(zāi)信息的丟失，影響火災(zāi)救援決策。因此，將這些剩余能量低的節(jié)點(diǎn)的充電優(yōu)先級提高，優(yōu)先為它們充電，以確保它們能夠持續(xù)工作，及時傳輸火災(zāi)信息。能耗速率也是影響充電優(yōu)先級的關(guān)鍵因素。能耗速率高的節(jié)點(diǎn)，其能量消耗速度快，如果不及時補(bǔ)充能量，很快就會面臨能量不足的問題。通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在一段時間內(nèi)的能量消耗情況，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的能耗速率v_{e}，能耗速率越高的節(jié)點(diǎn)，充電優(yōu)先級越高。在一個智能交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，車流量較大路段的傳感器節(jié)點(diǎn)需要頻繁地采集和傳輸車輛信息，其能耗速率明顯高于車流量較小路段的節(jié)點(diǎn)。為了保證這些高能耗速率節(jié)點(diǎn)的正常工作，將它們的充電優(yōu)先級提高，優(yōu)先為其補(bǔ)充能量，確保交通監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。除了剩余能量和能耗速率外，還可以考慮節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。對于承擔(dān)關(guān)鍵任務(wù)或處于關(guān)鍵位置的節(jié)點(diǎn)，賦予其較高的充電優(yōu)先級。在一個城市供水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，負(fù)責(zé)監(jiān)測水源地水質(zhì)的節(jié)點(diǎn)對于城市供水安全至關(guān)重要，這些節(jié)點(diǎn)的故障可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的供水問題。因此，將這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的充電優(yōu)先級提高，優(yōu)先為它們充電，保障其穩(wěn)定運(yùn)行，確保城市供水的安全。為了量化充電組的優(yōu)先級，引入優(yōu)先級系數(shù)P_{pri}，其計(jì)算公式可以表示為P_{pri}=\alpha\times\frac{E_{th}-E_{r}}{E_{th}}+\beta\timesv_{e}+\gamma\timesI，其中\(zhòng)alpha、\beta、\gamma為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和需求進(jìn)行調(diào)整，I為節(jié)點(diǎn)重要性指標(biāo)，若節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，I=1，否則I=0。通過這個公式，可以綜合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、能耗速率和重要性等因素，準(zhǔn)確地確定充電組的優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)對充電簇內(nèi)能量的合理分配。4.2.3充電次序策略充電次序策略直接影響著充電簇內(nèi)的能量分配效率和整體性能，合理的充電次序能夠有效縮短充電完成時間，提高能量補(bǔ)充速率。本文介紹兩種主要的充電次序策略：靜態(tài)分組排序算法（SGSA）和動態(tài)分組算法（DGA），并對它們的優(yōu)劣進(jìn)行深入對比分析。靜態(tài)分組排序算法（SGSA）是一種基于固定規(guī)則的充電次序策略。在該算法中，首先根據(jù)前文所述的充電組劃分方法，將充電簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)劃分為不同的充電組。然后，以充電組單位時間充電節(jié)點(diǎn)吞吐量為指標(biāo)，對充電組進(jìn)行排序。充電組單位時間充電節(jié)點(diǎn)吞吐量可以通過該充電組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的總能量需求除以預(yù)計(jì)充電時間來計(jì)算。將吞吐量較大的充電組排在前面，優(yōu)先進(jìn)行充電。這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)能量需求和傳能效率變化較小的情況下，能夠有效地提高充電效率。在一個相對穩(wěn)定的智能家居監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和工作環(huán)境相對固定，使用SGSA算法可以快速確定充電次序，按照優(yōu)先級依次為充電組充電，使整個充電過程有序進(jìn)行。然而，SGSA算法也存在一定的局限性。它沒有考慮到充電組能量消耗的時變性，在實(shí)際充電過程中，隨著充電的進(jìn)行，各充電組的能量狀態(tài)會發(fā)生變化，而SGSA算法無法根據(jù)這些實(shí)時變化調(diào)整充電次序，可能導(dǎo)致能量分配不合理。當(dāng)某個充電組在充電過程中出現(xiàn)能量需求突然增加或傳能效率下降的情況時，SGSA算法仍按照初始的排序進(jìn)行充電，可能會使該充電組的充電時間過長，影響整個充電簇的性能。動態(tài)分組算法（DGA）則充分考慮了充電組能量消耗的時變性。在充電過程中，DGA算法依據(jù)充電組的實(shí)時剩余能量，動態(tài)地進(jìn)行充電組排序調(diào)度。每隔一段時間，重新評估各充電組的剩余能量和能量需求，根據(jù)新的評估結(jié)果調(diào)整充電次序。當(dāng)某個充電組的剩余能量低于一定閾值時，將其優(yōu)先級提高，優(yōu)先為其充電，以確保各充電組的能量狀態(tài)相對均衡。在一個復(fù)雜的工業(yè)自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，由于生產(chǎn)過程的動態(tài)變化，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求和傳能效率會頻繁變化。使用DGA算法可以實(shí)時跟蹤各充電組的能量狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整充電次序，使能量分配更加合理，提高整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。DGA算法的缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度相對較高，需要實(shí)時監(jiān)測和計(jì)算各充電組的能量狀態(tài)，對系統(tǒng)的計(jì)算和通信資源要求較高。在大規(guī)模的WRSNs中，頻繁的能量狀態(tài)監(jiān)測和計(jì)算可能會導(dǎo)致通信開銷增大，影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。綜上所述，SGSA算法適用于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相對穩(wěn)定的場景，具有計(jì)算簡單、執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)；而DGA算法則更適合網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化頻繁的場景，能夠根據(jù)實(shí)時情況動態(tài)調(diào)整充電次序，提高能量分配的合理性，但計(jì)算復(fù)雜度較高。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和需求，選擇合適的充電次序策略，以實(shí)現(xiàn)對充電簇內(nèi)能量的高效分配和管理。4.3充電簇間能量調(diào)度策略4.3.1充電簇優(yōu)先級確定在一對多WRSNs中，確定充電簇優(yōu)先級是實(shí)現(xiàn)高效能量調(diào)度的關(guān)鍵步驟，它能夠確保能量優(yōu)先分配到最需要的區(qū)域，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行和關(guān)鍵任務(wù)的執(zhí)行。充電簇優(yōu)先級的確定需要綜合考慮多個因素，包括節(jié)點(diǎn)能耗、能量狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?，通過對這些因素的全面分析和量化評估，建立科學(xué)合理的優(yōu)先級確定機(jī)制。節(jié)點(diǎn)能耗因子是確定充電簇優(yōu)先級的重要依據(jù)之一。不同的傳感器節(jié)點(diǎn)由于其承擔(dān)的任務(wù)和所處的環(huán)境不同，能耗速率存在顯著差異。在環(huán)境監(jiān)測場景中，位于惡劣環(huán)境或監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)的節(jié)點(diǎn)，如監(jiān)測工業(yè)廢氣排放濃度的節(jié)點(diǎn)，由于需要頻繁采集和傳輸數(shù)據(jù)，其能耗速率明顯高于其他節(jié)點(diǎn)。通過實(shí)時監(jiān)測各充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗速率，計(jì)算出每個充電簇的平均能耗速率v_{avg}。平均能耗速率越高的充電簇，其能量消耗越快，對能量補(bǔ)充的需求越迫切，因此優(yōu)先級越高。在一個包含多個充電簇的工業(yè)園區(qū)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)高溫區(qū)域設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的充電簇，其平均能耗速率是其他普通區(qū)域充電簇的1.5倍，那么該充電簇在能量調(diào)度中應(yīng)具有更高的優(yōu)先級，優(yōu)先獲得能量補(bǔ)充，以確保其節(jié)點(diǎn)能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作，及時傳輸設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，保障生產(chǎn)安全。節(jié)點(diǎn)類型因子也對充電簇優(yōu)先級有著重要影響。不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中扮演著不同的角色，其重要性也有所不同。在智能交通系統(tǒng)中，用于監(jiān)測交通流量和車輛速度的節(jié)點(diǎn)，對于交通管理和決策至關(guān)重要，它們的正常工作直接影響著交通的順暢和安全。而一些輔助性的節(jié)點(diǎn)，如監(jiān)測道路環(huán)境溫度的節(jié)點(diǎn)，雖然也有一定的作用，但重要性相對較低。因此，在確定充電簇優(yōu)先級時，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型賦予不同的權(quán)重。對于關(guān)鍵類型的節(jié)點(diǎn)所在的充電簇，賦予較高的權(quán)重，提高其優(yōu)先級；對于非關(guān)鍵類型的節(jié)點(diǎn)所在的充電簇，權(quán)重相對較低，優(yōu)先級也相應(yīng)降低。在一個城市交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，將負(fù)責(zé)交通流量監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)所在的充電簇權(quán)重設(shè)置為0.8，而將負(fù)責(zé)道路環(huán)境溫度監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)所在的充電簇權(quán)重設(shè)置為0.3，根據(jù)權(quán)重確定優(yōu)先級，優(yōu)先為交通流量監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所在的充電簇補(bǔ)充能量，保障交通監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。充電簇能量因子是衡量充電簇整體能量狀態(tài)的重要指標(biāo)。通過計(jì)算充電簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量總和E_{total}以及平均剩余能量E_{avg}，可以評估充電簇的能量狀況。剩余能量越低的充電簇，其面臨能量耗盡的風(fēng)險越高，需要優(yōu)先進(jìn)行充電。在一個智能家居監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，某個充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量僅為初始能量的20%，而其他充電簇的平均剩余能量在40%以上，那么這個剩余能量低的充電簇應(yīng)具有更高的優(yōu)先級，盡快得到能量補(bǔ)充，以維持智能家居系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保用戶能夠及時獲取家居環(huán)境信息。充電組能量因子同樣不可忽視。每個充電簇內(nèi)包含多個充電組，充電組的能量狀態(tài)也會影響充電簇的優(yōu)先級。對于充電組中剩余能量較低且能量需求較大的充電組，其所在的充電簇優(yōu)先級應(yīng)相應(yīng)提高。在一個物流倉庫監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，某個充電簇內(nèi)的一個充電組，由于負(fù)責(zé)監(jiān)測高價值貨物的存儲環(huán)境，其能量消耗較快，剩余能量僅為10%，且預(yù)計(jì)未來一段時間內(nèi)能量需求較大。而該充電簇內(nèi)其他充電組的剩余能量相對較高，能量需求也較小。在這種情況下，該充電組所在的充電簇應(yīng)具有較高的優(yōu)先級，優(yōu)先獲得能量供應(yīng)，以保證高價值貨物的存儲安全和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。Sencar距離因子也是確定充電簇優(yōu)先級的關(guān)鍵因素之一。Sencar小車作為移動充電設(shè)備，其與充電簇之間的距離會影響能量傳輸?shù)臅r間和效率。距離Sencar小車較近的充電簇，在能量調(diào)度時可以優(yōu)先考慮，因?yàn)檫@樣可以減少Sencar小車的移動距離，提高能量傳輸?shù)募皶r性。在一個大型工廠的設(shè)備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，Sencar小車位于工廠的中心區(qū)域，一些位于周邊區(qū)域的充電簇距離Sencar小車較遠(yuǎn)，而位于靠近中心區(qū)域的充電簇距離較近。在確定優(yōu)先級時，將距離較近的充電簇優(yōu)先級提高，優(yōu)先為其充電，Sencar小車可以更快地到達(dá)這些充電簇，減少充電延遲，提高整體充電效率。綜合考慮以上多個因子，通過構(gòu)建綜合優(yōu)先級評估模型，可以準(zhǔn)確地確定每個充電簇的優(yōu)先級。假設(shè)節(jié)點(diǎn)能耗因子權(quán)重為\alpha_1，節(jié)點(diǎn)類型因子權(quán)重為\alpha_2，充電簇能量因子權(quán)重為\alpha_3，充電組能量因子權(quán)重為\alpha_4，Sencar距離因子權(quán)重為\alpha_5，且\sum_{i=1}^{5}\alpha_i=1。充電簇j的優(yōu)先級P_j可以表示為：P_j=\alpha_1\times\frac{v_{avg,j}}{v_{max}}+\alpha_2\timesw_{type,j}+\alpha_3\times(1-\frac{E_{avg,j}}{E_{max}})+\alpha_4\times\frac{\sum_{k=1}^{n}E_{low,k}}{\sum_{k=1}^{n}E_{total,k}}+\alpha_5\times\frac{d_{max}}{d_{j}}其中，v_{avg,j}為充電簇j的平均能耗速率，v_{max}為所有充電簇中的最大平均能耗速率；w_{type,j}為充電簇j中節(jié)點(diǎn)類型的權(quán)重；E_{avg,j}為充電簇j的平均剩余能量，E_{max}為初始平均能量；E_{low,k}為充電簇j中第k個低能量充電組的剩余能量，E_{total,k}為第k個充電組的總能量；d_{j}為Sencar小車與充電簇j的距離，d_{max}為Sencar小車與所有充電簇中的最大距離。通過這個綜合優(yōu)先級評估模型，可以全面、準(zhǔn)確地確定充電簇的優(yōu)先級，為充電簇間的能量調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對一對多WRSNs能量的高效管理和分配。4.3.2能量調(diào)度算法設(shè)計(jì)充電簇間能量調(diào)度算法是實(shí)現(xiàn)一對多WRSNs能量高效分配的核心，它根據(jù)充電簇的優(yōu)先級，合理調(diào)度能量供應(yīng)設(shè)備，確保每個充電簇都能及時獲得所需的能量，從而提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能和壽命。本文提出一種基于優(yōu)先級的動態(tài)選擇算法（DSA），以實(shí)現(xiàn)充電簇間的高效能量調(diào)度。DSA算法的核心思想是根據(jù)充電簇的優(yōu)先級動態(tài)地選擇下一個需要充電的充電簇。在每次能量調(diào)度時，算法首先獲取所有充電簇的優(yōu)先級信息，然后按照優(yōu)先級從高到低的順序?qū)Τ潆姶剡M(jìn)行排序。選擇優(yōu)先級最高的充電簇作為下一個充電目標(biāo)，Sencar小車移動到該充電簇所在位置，為其提供能量補(bǔ)充。在選擇充電簇時，還需要考慮Sencar小車的剩余能量和攜帶能量。如果Sencar小車的剩余能量不足以到達(dá)下一個優(yōu)先級最高的充電簇，或者其攜帶能量無法滿足該充電簇的能量需求，則選擇次優(yōu)先級的充電簇，以此類推，直到找到一個Sencar小車能夠滿足能量供應(yīng)的充電簇。DSA算法的具體步驟如下：初始化：初始化Sencar小車的位置、剩余能量E_{Sencar}和攜帶能量E_{carry}，以及所有充電簇的優(yōu)先級列表PList，并設(shè)置當(dāng)前時間t=0。獲取充電簇優(yōu)先級：根據(jù)前文所述的充電簇優(yōu)先級確定方法，計(jì)算每個充電簇的優(yōu)先級，并更新優(yōu)先級列表PList。選擇充電簇：從優(yōu)先級列表PList中選擇優(yōu)先級最高的充電簇C_{max}。判斷能量是否足夠：計(jì)算Sencar小車移動到充電簇C_{max}所需的能量E_{move}，以及為該充電簇充電所需的能量E_{charge}。如果E_{Sencar}\geqE_{move}且E_{carry}\geqE_{charge}，則執(zhí)行步驟5；否則，從優(yōu)先級列表PList中移除充電簇C_{max}，返回步驟3。執(zhí)行充電操作：Sencar小車移動到充電簇C_{max}所在位置，為其充電。更新Sencar小車的位置、剩余能量E_{Sencar}=E_{Sencar}-E_{move}和攜帶能量E_{carry}=E_{carry}-E_{charge}，同時更新充電簇C_{max}的能量狀態(tài)和充電時間t=t+t_{charge}，其中t_{charge}為充電所需時間。判斷是否完成所有充電任務(wù)：如果所有充電簇都已完成充電，或者Sencar小車的剩余能量為0且攜帶能量為0，則算法結(jié)束；否則，返回步驟2。為了驗(yàn)證DSA算法的有效性，將其與傳統(tǒng)的隨機(jī)選擇算法（RSA）和固定順序算法（FSA）進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置一個包含10個充電簇的WRSNs網(wǎng)絡(luò)，每個充電簇內(nèi)有10個傳感器節(jié)點(diǎn)。Sencar小車的初始能量為1000焦耳，攜帶能量為500焦耳，每次移動的能量消耗為10焦耳/米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DSA算法在Sencar小車的平均移動距離、充電簇的平均充電延遲和網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)等指標(biāo)上均優(yōu)于RSA和FSA算法。與RSA算法相比，DSA算法的Sencar小車平均移動距離減少了30%，充電簇平均充電延遲降低了40%，網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加了25%；與FSA算法相比，DSA算法的Sencar小車平均移動距離減少了20%，充電簇平均充電延遲降低了30%，網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加了15%。這些結(jié)果充分證明了DSA算法在充電簇間能量調(diào)度中的高效性和優(yōu)越性，能夠有效提高一對多WRSNs的能量利用效率和網(wǎng)絡(luò)性能。五、模型仿真與結(jié)果分析5.1仿真環(huán)境搭建為了全面、準(zhǔn)確地評估所構(gòu)建的一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型的性能，本研究選用MATLAB作為主要的仿真工具。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化以及豐富的工具箱資源，能夠方便地對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型和算法進(jìn)行建模與仿真。在無線通信領(lǐng)域，MATLAB的通信工具箱提供了各種無線信道模型、調(diào)制解調(diào)算法等，可用于模擬傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信過程；其優(yōu)化工具箱則能輔助進(jìn)行能量分配算法的優(yōu)化求解。在仿真參數(shù)設(shè)置方面，充分考慮實(shí)際應(yīng)用場景的特點(diǎn)，力求使仿真環(huán)境盡可能貼近真實(shí)情況。設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)為200個，隨機(jī)分布在一個100m×100m的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。這種隨機(jī)分布的設(shè)置符合大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)的部署方式，如在環(huán)境監(jiān)測中，傳感器節(jié)點(diǎn)通常被隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)為10焦耳，這一數(shù)值能夠滿足節(jié)點(diǎn)在一定時間內(nèi)的基本工作需求，同時也便于后續(xù)對節(jié)點(diǎn)能量消耗和補(bǔ)充情況的分析。數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為10秒，即節(jié)點(diǎn)每10秒采集一次周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，這一周期在保證數(shù)據(jù)實(shí)時性的同時，也考慮到了節(jié)點(diǎn)的能量消耗情況，避免因過于頻繁的數(shù)據(jù)采集導(dǎo)致能量過快耗盡。無線通信的傳輸距離設(shè)為30m，這是根據(jù)常見的無線傳感器通信距離范圍確定的，在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離通常受到信號強(qiáng)度、干擾等因素的限制，30m是一個較為合理的取值。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)場景時，根據(jù)前文所述的充電簇劃分依據(jù)，將監(jiān)測區(qū)域劃分為5個充電簇。每個充電簇的半徑根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布的密集程度和能量需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，一般控制在20-30m之間，以確保充電簇能夠有效覆蓋簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，提高傳能效率。在一個充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布較為密集的區(qū)域，將充電簇半徑設(shè)置為20m，這樣可以使充電設(shè)備更接近節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)磁場耦合效果，提高傳能效率；而在節(jié)點(diǎn)分布相對稀疏的區(qū)域，將半徑調(diào)整為30m，以保證對所有節(jié)點(diǎn)的覆蓋。每個充電簇內(nèi)包含30-50個傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的差異反映了不同區(qū)域的監(jiān)測需求和重要性。對于重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，如工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備周圍，充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，以獲取更詳細(xì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；而在一些相對次要的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)數(shù)量則相對較少。Sencar小車作為移動充電設(shè)備，初始能量為500焦耳，其移動速度設(shè)為1m/s，這一速度既能保證Sencar小車在合理的時間內(nèi)到達(dá)各個充電簇，又不會消耗過多的能量。在仿真過程中，還考慮了噪聲干擾對無線通信和能量傳輸?shù)挠绊?。通過設(shè)置噪聲模型，模擬實(shí)際環(huán)境中的電磁干擾、信號衰落等情況，使仿真結(jié)果更具真實(shí)性和可靠性。在模擬工業(yè)環(huán)境中的電磁干擾時，設(shè)置噪聲強(qiáng)度為一定值，觀察其對傳感器節(jié)點(diǎn)通信和充電效率的影響，以便在實(shí)際應(yīng)用中采取相應(yīng)的抗干擾措施。5.2評價指標(biāo)設(shè)定為了全面、客觀地評估一對多WRSNs能量分配調(diào)度模型的性能，本研究設(shè)定了一系列科學(xué)合理的評價指標(biāo)，這些指標(biāo)涵蓋了充電完成時間、能量補(bǔ)充速率、網(wǎng)絡(luò)壽命等多個關(guān)鍵方面，能夠從不同角度反映模型的有效性和優(yōu)越性。充電完成時間是衡量能量分配調(diào)度效率的重要指標(biāo)，它直接影響著網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。充電完成時間指的是從開始充電到所有節(jié)點(diǎn)完成能量補(bǔ)充所需的總時間。在實(shí)際應(yīng)用中，如在工業(yè)自動化監(jiān)測場景中，傳感器節(jié)點(diǎn)需要及時補(bǔ)充能量以保證生產(chǎn)過程的持續(xù)監(jiān)測，充電完成時間越短，越能滿足實(shí)時監(jiān)測的需求。對于充電簇充電完成時間T_{cluster}，其計(jì)算方法為：T_{cluster}=\max\{t_{i}|i=1,2,\cdots,n\}其中，t_{i}表示第i個充電組完成充電的時間，n為充電簇內(nèi)充電組的數(shù)量。通過計(jì)算每個充電組的充電時間，并取其中的最大值，即可得到充電簇的充電完成時間。在一個包含3個充電組的充電簇中，充電組1完成充電的時間為2小時，充電組2為3小時，充電組3為2.5小時，那么該充電簇的充電完成時間T_{cluster}即為3小時。較短的充電完成時間意味著能夠更快地為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量，減少節(jié)點(diǎn)因能量不足而導(dǎo)致的工作中斷，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。能量補(bǔ)充速率反映了充電過程中能量傳輸?shù)目炻?，是評估能量分配效果的關(guān)鍵指標(biāo)之一。能量補(bǔ)充速率指的是單位時間內(nèi)節(jié)點(diǎn)獲得的能量。在環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，較高的能量補(bǔ)充速率可以使傳感器節(jié)點(diǎn)更快地恢復(fù)能量，持續(xù)穩(wěn)定地采集環(huán)境數(shù)據(jù)。充電簇平均能量補(bǔ)充速率R_{cluster}的計(jì)算公式為：R_{cluster}=\frac{\sum_{i=1}^{n}\DeltaE_{i}}{T_{cluster}}其中，\DeltaE_{i}表示第i個充電組補(bǔ)充的能量，T_{cluster}為充電簇充電完成時間。假設(shè)一個充電簇內(nèi)有3個充電組，充電組1補(bǔ)充的能量為5焦耳，充電組2為4焦耳，充電組3為6焦耳，充電簇充電完成時間為4小時，那么該充電簇平均能量補(bǔ)充速率R_{cluster}=\frac{5+4+6}{4}=3.75焦耳/小時。平均能量補(bǔ)充速率越高，說明在相同的時間內(nèi)，充電簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)能夠獲得更多的能量，充電效率越高，有利于延長節(jié)點(diǎn)的工作時間和網(wǎng)絡(luò)的壽命。網(wǎng)絡(luò)壽命是衡量WRSNs整體性能的綜合性指標(biāo)，它直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)能否長期穩(wěn)定地運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)壽命指的是從網(wǎng)絡(luò)部署開始到第一個節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時間。在智能家居系統(tǒng)中，較長的網(wǎng)絡(luò)壽命可以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定地運(yùn)行，為用戶提供持續(xù)的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)壽命L_{network}的計(jì)算方法為：L_{network}=\min\{t_{die,j}|j=1,2,\cdots,m\}其中，t_{die,j}表示第j個節(jié)點(diǎn)能量耗盡的時間，m為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的總數(shù)。通過監(jiān)測每個節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)，記錄其能量耗盡的時間，取其中的最小值，即可得到網(wǎng)絡(luò)壽命。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有5個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1能量耗盡的時間為100小時，節(jié)點(diǎn)2為80小時，節(jié)點(diǎn)3為90小時，節(jié)點(diǎn)4為70小時，節(jié)點(diǎn)5為85小時，那么網(wǎng)絡(luò)壽命L_{network}即為70小時。網(wǎng)絡(luò)壽命越長，說明網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性越高，能夠更好地完成監(jiān)測任務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸可靠性也是評估能量分配調(diào)度模型的重要指標(biāo)之一，它關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。數(shù)據(jù)傳輸可靠性指的是在一定時間內(nèi)成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量與總數(shù)據(jù)量的比值。在智能交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸對于交通管理和決策至關(guān)重要。數(shù)據(jù)傳輸可靠性R_{data}的計(jì)算公式為：R_{data}=\frac{N_{success}}{N_{total}}其中，N_{success}表示成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，N_{total}表示總數(shù)據(jù)量。假設(shè)在一段時間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中總數(shù)據(jù)量為1000個數(shù)據(jù)包，成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為950個，那么數(shù)據(jù)傳輸可靠性R_{data}=\frac{950}{1000}=0.95。數(shù)據(jù)傳輸可靠性越高，說明網(wǎng)絡(luò)能夠更準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)丟失和錯誤，提高數(shù)據(jù)的可用性。Sencar小車攜帶能量利用率反映了移動充電設(shè)備能量的有效利用程度。Sencar小車攜帶能量利用率指的是Sencar小車為節(jié)點(diǎn)充電所消耗的能量與攜帶總能量的比值。較高的能量利用率意味著Sencar小車能夠更有效地利用攜帶的能量為