基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化

張曙光，饒 寧

（1.杭州第一技師學院 浙江 杭州310023；2.杭州科技職業技術學院 浙江 杭州311402）

基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化

張曙光1，饒 寧2

（1.杭州第一技師學院 浙江 杭州310023；2.杭州科技職業技術學院 浙江 杭州311402）

基于提高物聯網傳動系統傳遞能力的目的，采用基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化方法，建立傳遞路徑分析模型，通過對物聯網傳動系統傳遞路徑的原理分析，建立物聯網傳動系統的動力方程，獲得物聯網系統路徑的傳遞函數，對物聯網傳動系統的傳遞性能和能耗進行評估，適時對模型能量參數E進行調整修正，完成物聯網傳動系統傳遞能力的優化。通過物聯網傳動系統仿真模型試驗，得出該系統能有效降低能耗，傳遞能力約為5622.3（N/m），比傳統方法提高約51.2%，實際應用價值強。

能耗最低；物聯網傳動系統；傳遞能力分析；傳遞路徑

近年來，物聯網發展越來越快。物聯網“The Internet of things”是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網就是物物相連的互聯網[1-3]。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯網的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[4-6]。而物聯網各個系統之間的信息交換和通信，需要物聯網傳動系統高效率、低能耗完成。物聯網傳動系統直接關系到產品的傳遞效率和傳遞質量，有著十分重要的意義。而物聯網傳動系統具有動態性，提高其傳遞能力可以避免傳遞過程中造成系統能耗浪費，已經成為該領域的熱點研究問題[7-9]。現階段，物聯網傳動系統研究已經引起相關專家和學者的重視，其中很多取得了一定的研究成果。

1 傳遞能力分析原理

傳遞能力分析法是通過研究系統的傳遞特性，分析系統性能、預測系統響應并發現其中存在的問題的過程，具體原理描述如下[10-15]：

假定物聯網傳動系統具有線性不變性，系統模型如圖1所示。

圖1 傳遞能力分析原理圖

分析圖1可知，該線性系統的頻域可描述如下：

其中，Y表示系統的輸出，Xi表示系統的第i個輸入，Hi表示傳遞函數，對公式（1）進行處理，利用公式（2）表示系統內存在的多個輸出：

分析公式（2）可知，假定在沒有信號干擾的理想狀態下，則可利用公式（3）獲取系統傳遞函數：

利用公式（5）對公式（4）進行變形：

分析公式（3）～（5）可知，對于第 j個傳遞路徑而言，可以利用公式（6）計算第i個輸入的貢獻值：

根據不同路徑中貢獻值的大小，對所有傳遞路徑中的傳遞能力進行排序，將結果進行輸出，選取具有最大貢獻值的傳遞能力的傳遞路徑。

2 基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化分析

2.1 系統傳遞函數構建

首先，利用公式（10）建立物聯網傳動系統的動力方程：

其中，[M]、[K]用來描述比例常數，[C]用來描述比例阻尼。

由此，利用公式（9）獲取物聯網傳動系統的最低傳動能耗：

通過上述描述可知傳遞系統任意點i的響應，利用系統傳遞模態，建立基于能耗最低的系統點i至點j的傳遞函數為：

通過上述方法可以獲得系統的傳遞函數，為分析模型的構建提供支持。

2.2 物聯網傳動系統的性能評估

利用2.1獲取的系統傳遞函數，對物聯網傳動系統的傳動性能進行評估，具體實現過程如下：

假定k0用來描述初始彈性系數，r用來描述彈性系數的增加概率，c用來描述移動高度。利用公式（11）獲取物聯網傳動系統的動力微分方程：

假設x=Aert，將其代入公式（12），可知系統能耗

以能耗為目標，利用系統能量特征方程根，對物聯網傳動系統的性能進行評估，具體步驟如下：

1）依據輸出的系統能量特征方程根按照設定順序對物聯網傳統系統分析模塊輸出進行更新；

2）更新后，通過對物聯網傳動系統的模塊離散狀態的調用，獲取系統的當前離散狀態；對于傳動系統的連續狀態，獲取其數值積分；

3）利用連續狀態的數值積分與離散狀態對比，檢測物聯網傳動系統在連續狀態下的非連續點，識別異常。

4）對模塊的下一個采樣時間進行計算，重復上述步驟，直至達到結束條件，輸出分析結果，即為物聯網傳動系統的性能評估結果。

2.3 物聯網傳動系統傳遞能力優化

以物聯網傳動系統的性能評估結果為依據，適時對模型的能量參數E進行調整修正，完成物聯網傳動系統傳遞能力的優化。

實現物聯網傳動系統傳遞能力優化，具體實現過程如下：

假設系統在{Fs}i（B）激勵下，系統傳遞物品A與傳動系統結構B的傳遞響應之和即是產品的響應：特征方程根可描述如下：

通過利用公式（15）可以得到物聯網傳動系統各點的振動傳遞能力：

通過公式（15）可以對物聯網傳動系統的能耗情況進行評析，并根據評價結果適時對模型能耗參數進行調整修正，提高傳遞能力，完成物聯網傳動系統傳遞能力的優化。

3 仿真試驗結果及分析

為了驗證改進算法的有效性，需要進行一次實驗。

試驗過程，采用計算機仿真平臺搭建物聯網傳動系統的仿真模型。在相同的環境下，采用不同算法進行基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力分析，實驗過程及結果如下：

1）物聯網傳動系統傳遞能力有效性分析

將改進算法計算得到物聯網傳動系統的傳遞能力與實際值比較，得到的結果如圖2所示。

圖2 物聯網傳動系統傳遞能力有效性分

分析圖2可知，改進算法計算得到的傳動系統體動剛度與實際值基本一致，說明改進算法的有效性。

2）不同算法的物聯網傳動系統傳遞能力優化效率比對

將傳統的基于動態子結構分析算法作為對照，對物聯網傳動系統部件傳遞能力進行優化，以優化效率為指標，得到不同算法的物聯網傳動系統傳遞能力優化效率比對結果。

圖3 不同算法的物聯網傳動系統傳遞能力優化效率比對

由圖3可知，在實驗次數一定的情況下，采用本文的能力優化方法與傳統的基于動態子結構分析算法進行優化效率方面的實驗分析時，采用傳統的基于動態子結構分析算法時，其傳動能力優化效率約為74.8%，且實驗次數在20～80次時，傳動能力優化效率出現了很大的波動，穩定性較差；采用本文提出的能力優化方法時，傳動能力優化效率約為95%，相比傳統的優化方法傳動能力優化效率提高了約20.2%，雖然在實驗次數為20～50時出現了較大波動，但其優化效率均在傳統方法之上，具有一定的優勢。

4 結束語

提出基于能耗最低的基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化方法，建立傳遞路徑分析模型，通過對物聯網傳動系統傳遞路徑的原理分析，建立物聯網傳動系統的動力方程，獲得物聯網系統路徑的傳遞函數，對物聯網傳動系統的傳遞性能和能耗進行評估，適時對模型能量參數E進行調整修正，完成物聯網傳動系統傳遞能力的優化。實驗結果表明，基于能耗最低的物聯網傳動系統傳遞能力優化方法，能有效提高分析系統的傳遞能力，減小計算量，降低系統能耗，具有較強的實際應用價值。

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Based on the minimum energy consumption of iot transmission system transmission capacity optimization

ZHANG Shu-guang1，RAO Ning2
（1.Department of Electrical Engineering of The first Hangzhou Technician College，Hangzhou 310023，China；2.Department of Information Engineering of Hangzhou Polytechnic，Hangzhou 311402，China）

For improving transmission transfer capability of the Internet of things，using the Internet of things based on the minimum energy consumption transmission capacity optimization method，to eatablish the transfer path analysis model，through analyzing the principle of Internet transmission system's transfer path，to establish Internet of things's transmission system dynamic equation，to obtain the Internet of things system path's transfer function，to assess the Internet of things transmission system's transmission performance and energy consumption，timely adjust the model's energy parameter E，to complete transmission system's transmission capacity optimization.Through Internet transmission system simulation model experiment，it is concluded that the system can effectively reduce the energy consumption ，transmission capacity is about 5622.3 （N/m），about 51.2%higher than that of traditional method，the actual application value is large.

the lowest energy consumption；coupling system；transfer path analysis；bang path

TN964.3

：A

：1674－6236（2017）14-0051-04

2016-04-16稿件編號：201604250

張曙光（1979—），男，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：檢測技術及自動化裝置。