1.一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,包括以下步骤:
11)通信节点无人机多种群的设定:对通信节点无人机多种群进行设定,并分别对单种群通信节点无人机集群进行初始设置;
12)待通信节点的位置获取:根据待通信的二维兴趣区域对待通信节点的位置进行定位扫描获取;
13)多种群协同进化算法离线优化集群通信节点无人机的部署:通过多种群协同进化算法离线优化通信节点无人机的部署,在所有单种群中找出评分最高的集群通信节点无人机部署方案,为最终部署方案,即得到通信节点无人机集群的拓扑图结构;
14)多种群协同进化算法下的通信节点无人机的网络部署:根据最终部署方案的通信节点无人机集群的拓扑图结构,分别释放第一个、第二个通信节点无人机直至所有通信节点无人机释放完成。
2.根据权利要求1所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述对通信节点无人机多种群进行设定包括以下步骤:
21)设定通信节点无人机多种群协同进化算法的种群数量population_num;
22)设定离线优化过程中每个种群中通信节点无人机部署方案的数量P;
23)设定离线优化过程中多种群协同进化算法的最大迭代次数Imax;
24)设定离线优化过程中多种群间的迁移模式为优劣互助式迁移。
3.根据权利要求1所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述多种群协同进化算法离线优化集群通信节点无人机的部署包括以下步骤:
31)多种群通过随机算子生成若干个集群通信节点无人机部署方案:多个种群中的每个种群同时通过随机算子生成P个集群通信节点无人机部署方案,其中P为多种群协同优化过程中单个种群的通信节点无人机部署方案数量;
32)多种群部署方案的评价:通过方案评分准则同时对每个种群中的P个通信节点无人机部署方案一一评价,分别统计出每个种群中每个通信节点无人机部署方案相应的评分,其中P为多种群协同优化过程中单个种群的通信节点无人机部署方案数量;
33)多种群父种方案的选择:分别对每个种群中P个通信节点无人机部署方案评分进行降序排列,分别对每个种群的P个通信节点无人机部署方案中按照评分从高到低的顺序依次选出z个高评分方案,将其作为各自种群的父种方案,其中 P为多种群协同优化过程中单个种群通信节点无人机部署方案数量,z为每个单种群选择的父种方案的数量;
34)每个种群根据自身若干个父种生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案;
35)通过方案评分准则分别对每个单种群生成的若干个集群通信节点无人机部署方案一一评价,分别得出相应的评分;
36)判断是否达到种群间迁移条件:如果达到种群间迁移条件,则对种群间进行互助式迁移;
37)判断是否满足通信覆盖的要求或是否已经达到最大迭代次数Imax,其中最大迭代次数Imax=150;
如果没有,则按照步骤33)为每个种群从方案群体中重新选择各自新的父种方案,然后根据步骤34)为每个种群生成P个新的集群通信节点无人机部署方案,通过步骤35)评价每个种群的P个通信节点无人机部署方案,再根据步骤36)判断是否需要进行种群间迁移;
38)得到通信节点无人机集群网络覆盖方案,即得到通信节点无人机集群应部署的位置坐标,也即得到通信节点无人机集群的拓扑图结构。
4.根据权利要求3所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述多种群通过随机算子生成若干个集群通信节点无人机部署方案包括以下步骤:
41)开始通过随机算子离线生成第一个种群的通信节点无人机部署方案;
42)首先在目标区域内随机产生第一个通信节点无人机的位置,作为1号通信节点无人机;
43)保证2号通信节点无人机和1号通信节点无人机通信的前提下,随机生成2号通信节点无人机的位置;
44)保证3号通信节点无人机和1号通信节点无人机通信和2号通信节点无人机通信的前提下,随机生成3号通信节点无人机的位置;
45)保证k号无人机确保在能够和1,2,……,k‑1号通信节点无人机通信的前提下随机生成其位置;
46)N号无人机确保在能够和1,2,……,N‑1号通信节点无人机通信的前提下随机生成其位置;
47)直到所有任务无人机位置全部被分配,单个种群的通信节点无人机部署方案初始化完成;
48)离线生成第二个单种群的通信节点无人机部署方案,依次执行步骤42)至步骤47)使得第二个单种群的通信节点无人机部署方案初始化完成,其中离线生成第二个单种群的通信节点无人机部署方案的步骤42)至47)可以和离线生成第一个单种群的通信节点无人机部署方案的步骤42)至47)并行执行;
49)依次离线生成第三个单种群至最后一个单种群的通信节点无人机部署方案,分别依次执行步骤42)至步骤47)使得多种群中所有的单种群的通信节点无人机部署方案初始化完成。
5.根据权利要求3所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述多种群部署方案的评价包括以下步骤:
51)开始评价第一个种群的通信节点无人机部署方案;
52)统计整个通信节点无人机网络中待通信节点被覆盖的数量,记整个通信节点无人机网络覆盖的待通信节点数量为CO,CO计算公式如下:其中,n为通信节点无人机的数量,Ci为第i个无人机覆盖的待通信节点的集合,表示集合 的基数,集合Ci的计算公式如下:,Ci={gj|d(ui,gj)≤r},
其中ui代表第i个通信节点无人机,gj代表第j个通信节点,r是通信节点无人机的覆盖半径;
53)分析无人机网络的容错率,
记整个无人机网络的容错率为FTO,定义如果一个无人机集合U构成的无人机网络容错率为m,那么从U中去掉任何m个无人机,它仍然保持一个连通的网络;
54)统计所有带通信节点的冗余度,
记所有带通信节点的冗余度和为RO,RO计算公式如下:
其中,k是带通信节点的数量,|tj|是集合tj的基数,|tj|即是第j个待通信节点的冗余度,集合tj的计算公式如下:tj={ui|d(ui,gj)≤r};
其中ui代表第i个通信节点无人机,gj代表第j个待通信节点,r是通信节点无人机的覆盖半径;
55)对单种群中每个集群通信节点无人机部署方案分别执行步骤52)至步骤54),分别计算每个部署方案的得分,得分计算公式为:fitness=a×CO+b×FTO+c×RO,
其中,a、b、c均为可变参数;
单个种群的通信节点无人机部署方案评价完毕;
56)评价第二个种群的通信节点无人机部署方案:对第二个种群依次执行步骤52)至步骤55),第二个种群的通信节点无人机部署方案评价完毕,其中第二个种群的通信节点无人机部署方案评价可以和第一个种群的通信节点无人机部署方案评价并行执行;
57)依次评价第三个种群至最后一个种群的通信节点无人机部署方案:分别依次执行步骤52)至步骤55)使得多种群中所有的单种群的通信节点无人机部署方案评价完成。
6.根据权利要求3所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述每个种群根据自身若干个父种生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案包括以下步骤:
61)第一个种群开始根据自身若干个父种生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案;
62)通过旋转生成新的集群通信节点无人机部署方案,
旋转是以群体无人机的位置为顶点,按照最小生成树形成的树形结构,称作群体无人机的拓扑结构,群体无人机形成的拓扑结构绕着拓扑中心旋转;
具体公式描述为:
其中
其中,n为通信节点无人机的数量, 分别为新方案第i个通信节点无人机所在位置的横坐标、纵坐标, 分别为父代第i个通信节点无人机所在位置的横坐标和纵坐标,xmean,ymean分别为群体无人机拓扑结构中心的横坐标和纵坐标,θ(取值范围:[‑π,π])为每个通信节点无人机绕点(xmean,ymean)旋转的角度,为正值或负值,正值代表是逆时针旋转,负值则是顺时针旋转;
63)通过平移生成新的集群通信节点无人机部署方案,
平移为让群体无人机的拓扑结构整体朝着某一方向平移一段距离,具体公式描述为:其中
Δx=rand()×α
Δy=rand()×β
其中,n为通信节点无人机的数量, 分别为新方案第i个通信节点无人机所在位置的横坐标、纵坐标, 分别为父代第i个通信节点无人机所在位置的横坐标和纵坐标,Δx为群体无人机的拓扑结构沿二维兴趣区域AOI中x轴方向的平移量,Δy为群体无人机的拓扑结构沿二维兴趣区域AOI中y轴方向的平移量,AOI_xmax,AOI_xmin为二维兴趣区域x轴方向边界的最大值和最小值;AOI_ymax,AOI_ymin为兴趣区域y轴方向边界的最大值和最小值,α限制着着群体无人机的拓扑结构沿二维兴趣区域AOI中x轴方向的平移量的上界,β限制着群体无人机的拓扑结构沿二维兴趣区域AOI中x轴方向的平移量的上界,rand()是在区间[‑1,1]内的随机数生成器;
64)通过归一化交叉生成新的集群通信节点无人机部署方案,通过归一化让两个父种近似相似:父种方案先按照逆时针顺序对无人机进行排序,如果无人机角度相同,再按照离原点的距离降序排列,通过对归一化后的两个父种方案交叉产生新的集群通信节点无人机部署方案;
具体公式描述为:
parent1={(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),...,(xn,yn)}parent2={(x′1,y′1),(x′2,y′2),(x′3,y′3),...,(x′n,y′n)}其中,n为通信节点无人机的数量,parent1,parent2分别代表归一化后的父种方案一和父种方案二,(xi,yi),(x′i,y′i),i=1,2,3,...,n分别代表父种方案一和父种方案二归一化后的第i个通信节点无人机在直角坐标系中的坐标,这里的rand(0,1)是在区间[0,1]内的随机数生成器, 为后代的第i个通信节点无人机在直角坐标系中的坐标;
单个种群根据若干个父种生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案步骤执行完毕;
65)第二个种群根据自身若干个父种生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案:对第二个种群依次执行步骤62)至步骤64),第二个种群生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案执行完毕,其中第二个种群生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案步骤可以和第一个种群生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案步骤并行执行;
66)依次对第三个种群至最后一个种群生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案:分别依次执行步骤62)至步骤64)使得多种群中所有的单种群均生成若干个新的集群通信节点无人机部署方案。
7.根据权利要求3所述的一种通信节点无人机多种群网络部署方法,其特征在于,所述判断是否达到种群间迁移条件包括以下步骤:
71)分别统计每个种群当代最优个体比上一代最优个体的适应度值增加幅度的大小;
72)当某个种群当代最优个体比上一代最优个体的适应度值增加幅度小于mig_value,称这个种群进化缓慢,当所有的种群中超过一半的种群满足进化缓慢,则达到了种群间迁移条件,反之没有达到种群间迁移条件;
其中 max=10,g为当前处在的进化代数;
73)如果达到种群间迁移条件,按照子种群的最优个体对子种群进行排名,然后对多个种群进行互助式迁移,互助式迁移为两两种群之间交换前50%的父种,具体用数学表达式描述为:f(i)=populationnum‑i+1,i=1,2,...,populationnum,其中i、f(i)表示种群按照最优个体的排名,排名为f(i)的种群和排名为i的种群进行互助式交换前50%的父种,population_num为离线优化过程中多种群协同进化算法中子种群的数量。