麻丽娜，段 禹

(华北电力大学 科技学院，河北 保定 071000)

1 引言

冷链物流泛指冷藏、冷冻类产品在生产、贮藏运输、销售，到消费前的每一个环节中通过规定低温环境来保证质量，降低损耗的一项系统工程[1]。冷链物流适用于农产品、速冻食品及药品等特殊产品的运输，具备保鲜能力强、运输效率高、安全性强等优势[2]。通过冷链物流定位能够实现物流跟踪，便于物流状态监控与位置信息查询，提高发生异常时应急救援的效率[3]。激光技术与无线传感器技术在物流定位中的作用至关重要，合理的传感器布设能够提高定位精度。冷链物流定位传感器布设是当前物流及相关技术领域的重点研究内容，受到的众多专家与学者的重视，且已出现一些较好的物流定位传感器布设方法[4-5]。

文献[6]提出了基于有限包络圆的传感器布设方法。为保证传感器网络的稳定精度，通过配平来减小传感器相对位置的不平衡力矩，将各传感器的布设位置看作变量，采用有限包络圆方法进行约束，确保传感器之间互不干涉，结合覆盖范围确定各传感器最终的布设位置。该方法布设传感器的定位偏差较小，但传感器布设时间较长。文献[7]提出了基于TDOF的传感器布设方法。根据传感信号到达信号接收传感器的时间差，结合传感器信标节点获取同步节点与定位节点的信息，采用串口方式将TDOF信号发送到主控中心，通过空间坐标计算实现传感器定位，完成布设。该方法的传感器布设效率较高，但布设传感器的定位偏差较大。

针对上述方法中存在的不足之处，提出基于激光技术的冷链物流定位传感器布设方法。通过冷链物流定位体系构建定位量测方程，利用微分计算获得传感器网络定位误差，采用无偏参数估计误差方差理论确定最小定位误差集，最终求得传感器布设位置的全局最优解，实现传感器布设仿真优化。设计对比试验，验证了所提方法在传感器布设中的有效性。

2 基于激光技术的冷链物流定位传感器布设方法

2.1 基于激光技术的冷链物流定位体系

在进行冷链物流定位过程中，利用激光射频技术与无线传感器来获取冷链物流位置及相关状态信息。传感器的布设会影响定位结果的准确性，合理的传感器布设能够减小定位误差，降低成本花销[8-9]。

通常情况下，部署在冷链物流装置上的冷链物流源点信号在传播过程中，受到障碍物阻挡时，需要以反射、折射与散射等方式传播[10]，对应的传播图示如图1。

图1 定位传感信号传播图示

当信标节点的数量为N时，能够获取N个测量值，选取测量值集合中所有包含3个距离测量值的子集合，设其数量为k。采用最小二乘法[11]对各组合进行定位估计，获得信号发射节点的位置向量，初步位置向量X的中间结果描述式如下

k=argxmins(X，Sk)

(1)

其中，Sk代表满足条件的子集，s为信标节点索引基。

(2)

(3)

式中，Ri代表第i个距离测量值，Xi代表该值对应的信标节点向量，Si代表第k个子集中的组合数据。

重复上述过程，直至P=N，将各组合对应的位置估计与对应的距离均值残差平方，利用下式加权平均处理后得到冷链物流位置数据

(4)

式中，v代表所有得到的子集合数量。

综上所述即为传感器冷链物流定位的基本原理，为了实现物流区域覆盖，保证定位结果的准确性，需要进行传感器布设。

2.2 物流定位传感器布设建模

采用到达时间差与到达角技术提高物流定位精度，设冷链物流定位传感器位置坐标为Si′(xi′，yi′，zi′)，i′=1，2，…，N′，S1代表主定位传感器，其量测到达角为φ1，对应的位置坐标为(x1，y1，z1)，测定目标位置坐标为(x，y，z)，各冷链物流定位传感器接收到测定目标信号的时间为ti′，利用下式给出量测方程

(5)

(6)

式中，t1代表主定位传感器接收到测定目标信号的时间，ci′代表传感器i′的量测系数，(xi′，yi′，zi′)为对应传感器的位置坐标。

通过对上述方程的微分计算，可得到如下所示的综合定位误差方程

dV=C·dX0+dXs

(7)

若系数矩阵C的广义逆存在，则有定位误差的协方差矩阵如下

(8)

结合无偏参数估计误差方差理论，给出达到时间差、到达角测定误差的协方差矩阵Q=E[dV·dVT]，则误差方差的理论下界为

(9)

式中，C0=C|(x=x0，y=y0，z=z0)，其中(x0，y0，z0)代表定位量测目标的实际坐标。

采用遗传算法优化并确定各传感器的布设位置，将各冷链物流定位传感器的坐标Pi′(xi′，yi′，O)编为码长为M的两组二进制码，M的值根据传感器区域Z1及其自身定位精度确定。二进制码中分别采用0和1表示正数和负数，染色体向量组θ=[x1，y1，x2，y2，…，xN′，yN′]的编码长度为N1=2×M×N′。

(10)

(11)

为避免编码取值超出传感器分布限定区域，采用惩罚函数f进行约束，函数式如下

(12)

(13)

综合上述分析与计算，得到适应度函数表达式f(θi′)

(14)

在遗传选择算子中添加相似度及比重控制，相似度大小能够体现个体与目标个体的接近程度，相似度F(θi′)的计算式为

F(θi′)=f(θi′)

(15)

比重用于描述适应度值与某一个体相同或接近的个体在整个种群中的占比情况，设种群内适应度最大的个体为θmax，适应度最小的个体为θmin，则比重控制函数G的表达式如下

(16)

其中，J表示比重控制系数。

当个体适应度值f(θi′)的取值范围为[f(θmin)+(J-1)·G，f(θmin)+J·G]，设满足条件的个体数量为n′，种群规模为S′，个体θi′所占比重C(θi′)=n′/S′，综上，θi′的选择概率计算式为

(17)

根据上式计算结果，利用轮盘赌方式进行个体选择。

采用改进遗传算法的协调系数，并在此条件下，进行交叉与变异操作，交叉操作选择二点交叉方式进行。

完成上述操作后，构建优质个体群，选择各代中的优质个体添加到该群内，每隔一定的进化代数后，按规定比例剔除该群内的低适应度个体，最终确定优质个体，据此确定各冷链物流定位传感器位置，据此进行传感器布设。

3 实验结果与分析

为了验证所提基于激光技术的冷链物流定位传感器布设方法的综合有效性，需要进行一次仿真，实验环境为Matlab 2014a，实验平台为32位、Windows XP系统，CPU型号为Intel Pentium G2030，频率2.6GHz，内存空间32GB。

3.1 最佳适应度变化

采用所提方法进行实验，观察遗传进化代数与最佳适应度值间的关系，实验中种群规模设定为100个，最大遗传进化代数设定为60，得到的实验结果如图2所示。

图2 最佳适应度变化曲线

根据图2可知，遗传代数在0～30以内时，随着遗传进化代数的增加，种群的最佳适应适度值逐渐增加；遗传进化代数为30时，种群最佳适应度值趋近于1；遗传进化30代以后，种群最佳适应度值基本处于平稳状态，说明进化代数为30时，即可获取传感器布设最佳方案。

3.2 传感器的定位偏差

采用所提方法与限包络圆的传感器布局方法、TDOF的传感器布局方法进行实验，对比各方法所布设传感器的冷链物流定位偏差，为保证实验结果的准确性，共进行8次定位实验，得到实验结果如表1、所示。表1中YA代表所提方法，YB代表限包络圆的传感器布局方法，YC代表TDOF的传感器布局方法。

表1 各方法布设传感器的定位偏差

分析表1数据可知，当进行第3次数实验时，限包络圆的传感器布局方法的定位偏差为28cm，TDOF的传感器布局方法的定位偏差为31cm，所提方法的定位偏差仅为3.2cm。当进行第8次数实验时，限包络圆的传感器布局方法的定位偏差为25cm，TDOF的传感器布局方法的定位偏差为38cm，所提方法的定位偏差仅为2.5cm。计算此次实验的误差均值，限包络圆的传感器布局方法为28cm，TDOF的传感器布局方法为37.25cm，所提方法为2.575cm。所提方法的定位偏差远远小于其它方法，说明所提方法的定位精准度较高。

3.3 传感器布设时间

为验证传感器布设效率，采用所提方法与限包络圆的传感器布局方法、TDOF的传感器布局方法进行实验，对比各方法所布设传感器的传感器布设所需时间，为保证实验结果的准确性，共进行8次定位实验，得到实验结果如表2所示。

表2 各方法传感器布设时间比较

分析表2数据可知，当进行第2次数实验时，限包络圆的传感器布局方法的传感器布设时间为64s，TDOF的传感器布局方法的传感器布设时间为79s，所提方法的传感器布设时间为8s。当进行第6次数实验时，限包络圆的传感器布局方法的传感器布设时间为79s，TDOF的传感器布局方法的传感器布设时间为86s，所提方法的传感器布设时间为5.8s。计算此次实验的传感器布设时间均值，限包络圆的传感器布局方法为70.5s，TDOF的传感器布局方法为81.375s，所提方法为7.125s。所提方法的传感器布设时间远远小于其它方法，说明所提方法的布设效率较高。

3.3 冷链物流定位时延

为了进一步验证所提方法的有效性，采用限包络圆的传感器布局方法、TDOF的传感器布局方法以及所提方法对冷链物流定位时延进行检测，得到结果如图3所示。

图3 不同方法下冷链物流定位时延

分析图3可知，定位对象个数越多，冷链物流定位时延越大。当定位对象个数为15个时，限包络圆的传感器布局方法的冷链物流定位时延为38ms，TDOF的传感器布局方法的冷链物流定位时延为79ms，所提方法的冷链物流定位时延为6ms。当定位对象个数为50个时，限包络圆的传感器布局方法的冷链物流定位时延为421ms，TDOF的传感器布局方法的冷链物流定位时延为365ms，所提方法的冷链物流定位时延为31ms。所提方法的冷链物流定位时延较低，说明所提方法对传感器布设后反应速度得到有效提升。

4 结论

物流网络信息化是物流产业发展的重要条件之一，特别对于冷链物流至关重要，激光技术与传感器网络技术提高了物流信息采集的效率，能够及时获取冷链物流各阶段的相关信息，在物流监测、跟踪中应用广泛。

为提高冷链物流定位精度，通过相关算法的学习与研究，提出基于激光技术的冷链物流定位传感器布设方法，通过仿真，得出以下结论：

1)所提方法的定位精准度较高，当进行第8次数实验时，所提方法的定位偏差仅为2.5cm。

2)所提方法的布设效率较高，当进行第6次数实验时，所提方法的传感器布设时间为5.8s。

3)经过所提方法布设后的传感器反应速度得到有效提升。当定位对象个数为50个时，所提方法的冷链物流定位时延仅为31ms。