[01168810]医疗传感器网络的多目标优化及容错性能研究

本课题依托河南中医药大学博士科研基金项目“差分进化算法及其在生物信息学中的研究（BSJJ2015-19）”、河南省科技攻关研究项目“面向医疗传感器网络的多目标路径优化问题研究（172102210361）”。对医疗传感器网络相关技术进行研究,从路径、时延、能耗、稳定性考虑,建立多目标优化数学模型,并使用差分进化算法求解优化问题;改进了多目标差分进化的非支配解选取方法,提高算法的收敛速度和性能,并从理论上给出证明,仿真测试对比验证了改进方法的有效性;同时,研究了网络结构存在结构故障的情况下,k-元n-立方体网络的容错性,给出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。研究成果为医疗传感器网络部署和构建提供相关理论支持。 具体而言,本研究主要面向传感器网络,特别是医疗传感器网络中的多目标优化及容错问题。随着我国老龄化程度的加深,“独居老人”将越来越多,老年人的医疗养老已成为一个重要的社会问题。国家鼓励组织医疗机构开展面向养老的远程医疗服务,鼓励各地探索基于互联网的医养结合服务新模式,提高服务的便捷性和针对性,即利用医疗传感器网络优势推进医疗卫生和养老服务相关的业务。 对于医疗传感器网络,其关键问题是用户信息的隐秘性、安全性、传输时延、可靠性以及错误率等。在医疗传感器网络中,传感器节点工作在非恶劣环境,但由于其监控的是老人或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,传感器网络必须快速响应,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的抢救时间。 基于此,项目组深入剖析医疗传感器网络相关技术进行研究,从路径、时延、能耗、稳定性考虑,建立多目标优化的数学模型。在医疗传感器网络中,最小时延是其首要因素,时延包括计算处理时延、转发时延、传输时延,它受算法的收敛速度、节点工作效率、能量消耗和信道质量等多方面影响,有必要对时延的影响因素和计算测量进行研究。同时,还应考虑网络可靠性和节点的使用时间,这些因素存在相互冲突情况,项目组对他们进行了深入研究,分析相互间的制约关系,并建立相应的两目标和三目标数学优化模型,同时对数学模型进行了实验仿真,验证了它的正确性。 针对得到的数学优化模型,项目组采用差分进化算法求解医疗传感器网络中的优化问题。由于医疗传感器网络中时延是其首要需求,项目组研究算法的收敛性和时间复杂度,特别是减小多目标算法的计算时间复杂度,同时提升算法性能。对差分进化算法在收敛速度和全局搜索能力进行研究,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。同时,对多目标差分进化算法的非支配解排序和解的选择策略进行改进,得到一种快速高效的多目标差分进化算法。在数学优化模型中的仿真测试验证了算法的正确性和可用性。 深入研究了传感器网络结构,分析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部署和构建提供相关理论支持,为解决医疗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,取得了较多的研究成果。在国内外核心期刊及国家级期刊上发表相关论文21篇,其中SCI期刊论文收录7篇、中文及科技核心期刊论文12篇、EI收录4篇;作为主编出版相关专著1部;获批国家发明专利2项;厅级教学信息应用成果一等奖1项;指导培养硕士研究生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得到应用,创造了一定的经济和社会效益。