《医疗传感器网络的多目标优化及网络容错性能分析》

该项目来源于河南省科技攻关研究项目和河南中医药大学博士科研基金项目,项目面向传感器网络,特别是对医疗传感器网络中的多目标优化及网络容错问题分析,首次建立了相关优化模型、创新性地提出了单目标及多目标优化方法、研究了其中的网络容错性能、在国内较早开发了仿真人体经络穴位装置。

1.首次建立了医疗传感器网络多目标优化的数学模型,并使用微型按键传感器设计开发了仿真人体经络穴位装置。由于传感器网络监控的是病人的医疗健康指标,需要以较小的时延、较高的可靠性传递信息,特别是病人出现紧急状况时,传感器网络必须及时响应,将数据快速准确地传输到医生工作站中,为医护人员争取到较多抢救时间。因此,项目组深入剖析医疗传感器网络相关技术,从路径、时延、能耗、稳定性考虑,同时,还应兼顾网络可靠性和容错率。这些因素之间存在相互冲突情况,不能加权为单目标问题,需要多个目标同时进行优化。项目组对上述问题进行了深入研究,分析了因素间相互的制约关系,并建立相应的两目标和三目标数学优化模型,并对数学模型进行实验仿真,验证了它的正确性。另外,结合中医经络腧穴,项目组利用微型按键传感器组网开发了仿真人体经络穴位装置,装置表面没有标注任何穴位经络信息,主要用于考试测试,同时还具有学习和模拟诊病功能。

2.创新性提出了优劣交叉的差分进化和快速多目标差分进化算法,并使用提出的方法求解医疗传感器网络多目标数学模型。由于医疗传感器网络中时延是其首要需求,项目组研究改进算法的收敛性和时间复杂度,同时提升算法性能。在收敛速度和全局搜索能力方面对差分进化算法进行研究,改进了单目标算法的交叉策略,提出了基于优劣交叉的差分进化算法。对多目标差分进化的非支配解排序和解的选择策略进行改进,提出一种快速高效的多目标差分进化算法。在标准测试集和传感器网络数学优化模型中进行仿真测试,实验结果验证了算法的可用性和优越性。

3.深入网络结构,从拓扑学的角度研究了网络的容错性能,旨在通过容错拓扑控制技术,来改善网络中信息传输的效率和可靠性。该项目深入研究了互连网络的容错性能,以静态互连网络为例,首次给出了存在条件故障情况下,(n,k)-星图网络中任意两个无故障节点之间的容错路径的求法;在结构故障下,k-元n-立方体网络的连通性、容错路由和容错哈密顿性等性能,给出了相应的构造算法,并通过模拟实验进行了验证。研究成果为传感器网络的部署和构建提供相关理论依据,为解决传感器网络中的关键问题提供了参考思路。

通过该课题的研究,获批国家发明专利2项,出版相关专著1部,发表学术论文16篇,其中SCI期刊论文收录7篇、中文核心及科技核心期刊论文5篇、EI收录论文4篇;指导培养优秀硕士研究生3名,本科生7名,切实提高他们科技能力和水平。相关成果并在河南省中医院、河南省新星科技有限公司及无锡迈瑞生物技术有限公司得到应用,创造了一定的经济和社会效益。

成果说明

对医疗传感器网络相关技术进行深入研究,从路径、时延、能耗、稳定性等方面考虑,建立多目标优化的数学模型,并使用差分进化算法进行求解多目标优化问题;改进了多目标差分进化算法的非支配解选取方法,提高了算法的收敛速度和性能,并从理论上给出证明,与其他算法的仿真测试对比验证了改进方法的有效性;同时,深入网络结构,研究了在存在结构故障的情况下,k-元n-立方体网络的容错性,给出了在存在结构故障的情况下k-元n-立方体网络中容错路由、容错哈密顿圈和容错哈密顿路的构造算法,并通过模拟实验进行验证。研究成果为医疗传感器网络

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