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本人是texlive編譯的允青，當(dāng)時是一個翻譯論文的大作業(yè)，就直接全都粘貼過來了

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\parindent22pt

\begin{CJK}{GBK}{song}

\title{\huge{探討基于人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的\\

智能垃圾處理系統(tǒng)}}

\author{你媽\\[2pt]

\normalsize

（上海交通大學(xué)電子工程系~~~學(xué)號:cnmbcnmb）\\[2pt]}

\end{CJK}

\fancypagestyle{plain}{

\fancyhf{}

\lhead{\thepage}

\chead{\centering{人~群~聯(lián)~結(jié)~網(wǎng)~絡(luò)\\

\scriptsize{\textbf{Crowd Associated Network}}}}

\rhead{December, 2017}

\lfoot{}

\cfoot{}

\rfoot{}}

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\fancyhead[RE,RO]{Crowd Associated Network}

\fancyhead[CE,CO]{人~群~聯(lián)~結(jié)~網(wǎng)~絡(luò)}

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\begin{document}

\begin{CJK*}{GBK}{song}

\CJKcaption{GB}

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\maketitle

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\vspace{-.8cm}

\begin{center}

\parbox{\textwidth}{

\CJKfamily{hei}摘~~~要\quad\CJKfamily{kai}~本文提出了利用人群傳輸數(shù)據(jù)

的非即時通信網(wǎng)絡(luò)昧廷，并依據(jù)此網(wǎng)絡(luò)提出了一種智能垃圾管理系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)想。

本文首先討論了人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)偎箫，然后提出了智能垃圾管理系統(tǒng)的構(gòu)架和通信協(xié)議

木柬，最后提出了利用遺傳算法處理數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)化垃圾處理的方案的構(gòu)思。\\

\CJKfamily{hei}關(guān)鍵詞\quad\CJKfamily{kai}人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)淹办，智能垃圾處理系統(tǒng)眉枕，通信協(xié)議，遺傳算法}

\end{center}

\vspace{.1cm}

\begin{center}

\parbox{\textwidth}{

\begin{center}

{\large{\textbf{Exploiting over a Smart Garbage Management System\\based on Crowd Associated Network}}}

\vspace{0cm}

\end{center}

\begin{center}

\textbf{Your Mother}\\[2pt]

\small{\textit{Dept. Electronic Engineering, Shanghai Jiao Tong Univ., Student ID: cnmbcnmb}}\\[2pt]

\end{center}

{\small{\textbf{Abstract}\quadIn this paper, we propose a non-real-time

messaging network that uses the crowd to transmit data and put

forward an idea of constructing a smart garbage management system based

on this network. This paper first discusses the characteristics

? of crowd associated network, and then puts forward the architecture and

? communication protocols of the smart garbage management system we proposed.

? Finally, it proposes the concept of using genetic algorithm to process

data to select the optimal garbage disposal scheme.\\

\textbf{Key Words}\quadcrowd associated network, smart garbage management system, communication protocols, genetic algorithm}}

}

\end{center}

\begin{minipage}[c]{10cm}

\vspace{-35.5cm}

\end{minipage}

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\CJKfamily{song}

\begin{multicols}{2}

\section{引言}

我們常見的通信系統(tǒng)都可以分為即時（real-time）通信系統(tǒng)和非即時（non-real-time）通信系統(tǒng)\supercite{one}怜森，在實(shí)時的通信系統(tǒng)中速挑，

對特定事件的響應(yīng)都要在一定的時間范圍內(nèi)，因此實(shí)時性就是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)副硅。為了使得

即時通信網(wǎng)絡(luò)的性能得到保證姥宝，現(xiàn)在的即時通信網(wǎng)絡(luò)都使用了架構(gòu)（infrastructure-based）或者半架構(gòu)（semi-infrastructure-based）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得

安裝和維護(hù)的成本相當(dāng)高恐疲。另一方面腊满，非即時通信網(wǎng)絡(luò)的性能的衡量指標(biāo)不盡相同，時間上的表現(xiàn)

評價更是主觀培己。所以碳蛋，非即時通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)要求相比即時性網(wǎng)絡(luò)來說低了很多，對于架構(gòu)的要求

也低了很多省咨。本文就是旨在介紹一種低成本但是高效的少架構(gòu)（infrastructure-less）網(wǎng)絡(luò)肃弟，即人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)（crowd associated network），和這種網(wǎng)絡(luò)

的一個重要應(yīng)用——智能垃圾處理系統(tǒng)（smart garbage management system）\supercite{all}零蓉。\vspace{0.2cm}\\

\indent在這里笤受，非即時、少架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)旨在支持智能垃圾處理系統(tǒng)的整個運(yùn)營敌蜂，并且收取部署和維護(hù)

的最低成本感论。所提出的體系結(jié)構(gòu)與任何非即時應(yīng)用程序兼容，其中頻繁的數(shù)據(jù)采集對于該應(yīng)用程序的正常運(yùn)行是不必

要的紊册。在所提出的網(wǎng)絡(luò)中比肄，需要利用一組人群與其他網(wǎng)絡(luò)組件從相當(dāng)大的區(qū)域（例如快耿，城鎮(zhèn)或城市）獲

取數(shù)據(jù)，運(yùn)用人群進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和收集芳绩，人群是前后環(huán)節(jié)的聯(lián)結(jié)也是整個網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)掀亥，因此被稱作

人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)。\vspace{0.2cm}\\

\indent接下來的部分將分別討論人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)妥色、智能垃圾處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)搪花、智能垃圾處理系統(tǒng)所需的

通信協(xié)議以及垃圾處理降低成本的最佳解決方案。在這里將采用遺傳算法從獲得的數(shù)據(jù)尋找可行解嘹害。在遺傳算法中撮竿，

采用了了兩個新的適應(yīng)度函數(shù)，并將其與一個簡單的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行了比較笔呀。結(jié)果表明了采用新的適應(yīng)度函數(shù)來尋找可

行解的必要性與合理性幢踏。\supercite{one}

\section{人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)}

這里提出的少架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵概念是利用人群來完成網(wǎng)絡(luò)中環(huán)節(jié)之間的溝通，人群成為了網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的一部分许师，

因此被稱為人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)房蝉。在該網(wǎng)絡(luò)中，組件被分為兩個部分：專用代理（dedicated agents）和非專用代理（non-dedicated agents）微渠。\vspace{0.2cm}\\

\indent專用代理是指單獨(dú)特定固定在網(wǎng)絡(luò)中的用來執(zhí)行特定任務(wù)的環(huán)節(jié)組件搭幻。一般來說專用代理都是靜態(tài)的（如無線通信中的基站），同非專用代理進(jìn)行信息

交換逞盆，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能檀蹋。另一方面，非專用代理一般就是特指人群云芦，裝備了移動設(shè)備的人群在這個網(wǎng)絡(luò)中扮演了中間中繼的角色俯逾，

填補(bǔ)了專用代理之間的間隙，從而使得網(wǎng)絡(luò)成為一個整體而能夠正常地運(yùn)行焕数。人群利用移動設(shè)備可以將一個或者多個專用代理中的數(shù)據(jù)信

息提取，并復(fù)制傳遞到其他的專用代理中刨啸。不僅如此堡赔，人群成員內(nèi)部也可以進(jìn)行信息的交互傳遞。人群這樣就可以作為一種信息傳遞的介

質(zhì)设联，將我們所需要的數(shù)據(jù)信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)中的各個地方善已。因此，人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)可以很好地提升網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和端到端的性能表現(xiàn)离例。\vspace{0.2cm}\\

\indent現(xiàn)在移動設(shè)備的普及率和技術(shù)水平都已經(jīng)到達(dá)了一個很高的水平换团，幾乎所有人群都可以參與到網(wǎng)絡(luò)中來。但是不可能所有的人

都有積極性想成為志愿者宫蛆。這項(xiàng)工程必須需要一定數(shù)量的志愿者才行艘包，但是不能采取強(qiáng)制的方法的猛，也沒有任何經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償。志愿者將會使用移動設(shè)備或者在汽車摩托車

等座駕中安放網(wǎng)絡(luò)元件想虎，這些移動設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)元件統(tǒng)稱為志愿者代理卦尊。這樣的話，網(wǎng)絡(luò)就是一個典型的非即時網(wǎng)絡(luò)舌厨，數(shù)據(jù)的傳輸和處理可能需要幾個小時甚至一天來完成岂却。\vspace{0.2cm}\\

\indent人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)這樣的非即時網(wǎng)絡(luò)有以下幾個優(yōu)點(diǎn)。第一裙椭，所需要的靜態(tài)架構(gòu)很少躏哩，對于硬件的搭建要求不高，易于實(shí)現(xiàn)揉燃。第二扫尺，不熟的要求不高，建設(shè)成本很低你雌，特別是基站器联、匯聚節(jié)點(diǎn)等設(shè)施。

第三婿崭，專用代理數(shù)量少拨拓，維護(hù)的成本低。最關(guān)鍵的問題是志愿者代理的數(shù)量要足夠充足氓栈，因此可以采取某些獎勵處罰措施促進(jìn)人們報名參加渣磷。比如當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)可以修改和減少積極參與的志愿者

稅收與其他服務(wù)費(fèi)用的收取。又比如盡量選取網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之內(nèi)的市政公司授瘦、政府辦公室和社會組織的雇員與成員醋界。再或者可以利用區(qū)域內(nèi)的公交車、公共垃圾桶和路燈等公共設(shè)施

來充當(dāng)志愿者代理提完，那么這樣的話需要使用的真正的志愿者人數(shù)就會有所減少形纺。

\begin{figure*}

\centering

\includegraphics[width=12cm]{chart.jpg}

\caption{智能垃圾處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)}\label{fig1}

\end{figure*}

\section{智能垃圾處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)}

\indent本節(jié)主要介紹智能垃圾處理系統(tǒng)的硬件構(gòu)造結(jié)構(gòu)。智能垃圾處理系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：智能垃圾桶（smart garbage bin）徒欣、志愿者代理（volunteer agent）逐样、

基站匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）、控制中心（control center）和垃圾收集代理（garbage collecting agent）打肝。每個元件

都有專門的編號脂新，便于管理。這些組件有些用于收集和傳輸數(shù)據(jù)粗梭，而有些則處理數(shù)據(jù)尋找最佳或接近最佳的解決方案争便，減少處理成本。接下來簡要介紹各個組件断医。\vspace{0.2cm}\\

\indent智能垃圾桶不像傳統(tǒng)垃圾桶滞乙，它擁有一個傳感器奏纪，可以檢測垃圾桶中垃圾的體積。垃圾桶定期獲取這些數(shù)據(jù)同其他信息比如剩余電量一起發(fā)送給遇到的其他組件酷宵。正如上文所說亥贸，

智能垃圾桶采用電池供電，并且具有一定的計算和存儲功能浇垦。因此可以采用兩種方法延長電池的使用周期炕置，其一是智能垃圾桶只有必需的信息傳輸功能而沒用中繼功能。并且它不會

對范圍內(nèi)偵測到的所有接收端都不停發(fā)送數(shù)據(jù)男韧，而是選擇一個優(yōu)先級最高的點(diǎn)發(fā)送朴摊，以減少能量的耗散。\vspace{0.2cm}\\

\indent人群代理這個模塊的主要功能是從智能垃圾桶處接收數(shù)據(jù)此虑，并在遇到兼容的接收端時可以交換數(shù)據(jù)甚纲。這是整個網(wǎng)絡(luò)中唯一的非專用組件，因此它的行為難以預(yù)料朦前，功能和時間地點(diǎn)的

因素有著密切的關(guān)系介杆。因此在一個地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)中必須安排足夠多的人群代理以保證數(shù)據(jù)的接收和傳輸，至少有一個將數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)交窘邮站麓纭榱双@得足夠的性能春哨，電量必須得到保證，

一般如果是人們用的移動設(shè)備恩伺，電量都能得到保證赴背。如果是車載的設(shè)備，則可以利用車上的電源為其供電晶渠。\vspace{0.2cm}\\

\indent基站這個部分的目標(biāo)是同進(jìn)入通信范圍內(nèi)的人群代理進(jìn)行數(shù)據(jù)交換凰荚。基站是固定的專用代理褒脯，因此不需要使用電池便瑟，直接用輸電線進(jìn)行能源供給即可。終端基站（destination sink）

是一種特殊的基站番川，它直接同控制中心相連到涂。不像其他基站會將數(shù)據(jù)的拷貝傳輸給進(jìn)入通信范圍的任何接收端，終端基站只把收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心爽彤。\vspace{0.2cm}\\

\indent處理中心的功能是接收終端基站的數(shù)據(jù)养盗，并利用數(shù)據(jù)計算出垃圾收集的最佳解決方案缚陷。一般衡量計算方案都會采用一個或者多個變量适篙，比如垃圾桶的數(shù)量或者距離。所有的

計算結(jié)果都存儲在緩存區(qū)內(nèi)箫爷，按照需求進(jìn)行傳輸嚷节。\vspace{0.2cm}\\

\indent垃圾收集代理這個環(huán)節(jié)是遵照控制中心計算出的方案把智能垃圾桶的垃圾卸載處理聂儒，在必要的時候也可以為垃圾桶更換電池。一旦卸載完所有安排的智能垃圾桶她我，它會到垃圾場處理垃圾屠凶，

之后再返回車場咒林。\vspace{0.2cm}\\

\indent如圖所示，人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)是一個雙層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非春，其中第一層主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，第二層用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計算出垃圾收集處理的最佳解決方案缓屠。通常垃圾桶都會放在路邊

以簡化垃圾收集的操作奇昙。換言之，垃圾桶在網(wǎng)絡(luò)工作的區(qū)域內(nèi)是有一定的空間分布的組件敌完，它們周期性地檢測垃圾的體積產(chǎn)生用來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包和其他信息储耐。人群代理是系統(tǒng)中的移動代理，

當(dāng)其與智能垃圾桶相遇時滨溉，會提供志愿的從垃圾桶中收集數(shù)據(jù)的服務(wù)什湘。在這之后，人群代理會隨機(jī)地遇見其他人群代理或者基站晦攒，相遇時便會產(chǎn)生通信闽撤，以求這些中繼節(jié)點(diǎn)可以把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?/p>

終端基站，基站接收器也應(yīng)用類似的機(jī)會轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)來將數(shù)據(jù)包路由到目的地勤家。因此腹尖，這些組件具有路由功能，以決定要傳輸哪些分組伐脖，傳播多少副本等等热幔。

最后，終端基站接收來自各種源的數(shù)據(jù)包讼庇，并將它們傳送給控制中心以供進(jìn)一步處理绎巨。如之前所述，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的第二層涉及數(shù)據(jù)處理蠕啄，為垃圾收集代理發(fā)現(xiàn)最佳解決方案并從收集獲取反饋场勤。

控制中心在收到終端基站地數(shù)據(jù)后，處理所需要的數(shù)據(jù)歼跟，并在進(jìn)行簡單的新處理后將其存入緩沖區(qū)和媳，即舊數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)覆蓋。然后哈街，周期性地計算如前所述的關(guān)于一個或多個參數(shù)的最優(yōu)解留瞳。

最后將解決方案傳給垃圾處理代理讓其以最高的效率進(jìn)行垃圾收集。每當(dāng)清理一個垃圾桶之后骚秦，系統(tǒng)都會依據(jù)需要進(jìn)行刷新她倘，并在必要的時候?yàn)槔案鼡Q電池璧微。垃圾收集代理也可能在運(yùn)行過程中

在路上遇到不是需要卸載的垃圾桶,當(dāng)其返回的時候也會把這些數(shù)據(jù)包帶回傳給控制中心，更新其中的數(shù)據(jù)硬梁。

\section{智能垃圾處理系統(tǒng)的通信協(xié)議}

\indent如上文所述前硫，人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)中只有智能垃圾桶才能生成數(shù)據(jù)包，其他的組件只能作為中繼向終端基站發(fā)送數(shù)據(jù)荧止。在每一個數(shù)據(jù)包中屹电，智能垃圾桶都封裝了垃圾體積狀態(tài)和電量使用狀態(tài)

兩個信息，前者表示何時去卸載清理垃圾桶跃巡，后者則表示什么時候取更換電源嗤详。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的非即時性，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域很大會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸有很大的延遲和間斷瓷炮，

單份的數(shù)據(jù)包可能無法傳輸?shù)浇K端基站葱色。所以在給定的時間范圍內(nèi)將數(shù)據(jù)包拷貝多份同時傳輸可以提高在一定時間間隔里傳輸?shù)浇K端基站的可靠性。因此智能垃圾桶會向網(wǎng)絡(luò)輸入多份數(shù)據(jù)包副本娘香，

通過各種各樣的媒介進(jìn)行傳輸（主要是人群）苍狰。在數(shù)據(jù)傳輸方面，網(wǎng)絡(luò)中的組件具有異構(gòu)能力烘绽，智能垃圾桶和終端基站不需要路由功能淋昭。一個簡單的介質(zhì)訪問控制（medium access control, MAC）

協(xié)議就可以啟用網(wǎng)絡(luò)中的這兩個組件來傳輸和接收數(shù)據(jù)包。與此同時安接，其他的組件都是中間節(jié)點(diǎn)翔忽，它們需要中繼數(shù)據(jù)包，因此它們需要路由功能盏檐。因此本節(jié)中主要討論選取合適的路由協(xié)議與MAC協(xié)議歇式。

\vspace{0.2cm}\\

\indent關(guān)于路由協(xié)議。因?yàn)楸揪W(wǎng)絡(luò)是一個少架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)胡野，所以網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域往往很大材失。幾乎不太可能每一個垃圾桶都有直接連接的端到端線路將數(shù)據(jù)包傳送到控制中心。所以網(wǎng)絡(luò)中的所有組件都會遇到

間歇連接硫豆、連接缺乏或者時變的逐跳（hop-to-hop）延遲\supercite{two}龙巨。因此，在數(shù)據(jù)傳輸之前假定直接端到端路由的路由協(xié)議在本網(wǎng)絡(luò)中不適用熊响。相反地旨别，存在一種機(jī)會路由協(xié)議，它會把數(shù)據(jù)包存儲起來汗茄，直到出現(xiàn)機(jī)會將其轉(zhuǎn)發(fā)到

另一個節(jié)點(diǎn)（希望接收節(jié)點(diǎn)是目的地）秸弛，或者將至少將數(shù)據(jù)包直接轉(zhuǎn)發(fā)到目的地或經(jīng)由其他中間節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康牡亍?這些協(xié)議被稱為基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)（store-and-forward-based）的路由協(xié)議\supercite{three}。\vspace{0.2cm}\\

\indent大多數(shù)的基于存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的路由協(xié)議都可以分為基于復(fù)制的路由協(xié)議和基于轉(zhuǎn)發(fā)的路由協(xié)議。顧名思義胆屿，基于復(fù)制的協(xié)議類，他們在必要時會復(fù)制數(shù)據(jù)包偶宫。

這類協(xié)議中一種普遍的做法是允許通過大量的復(fù)制數(shù)據(jù)包來增加數(shù)據(jù)包的傳送概率非迹。相反地，基于轉(zhuǎn)發(fā)的路由協(xié)議則在數(shù)據(jù)包其到達(dá)終點(diǎn)之前都不會進(jìn)行任何復(fù)制纯趋。

盡管這種方法在資源保存和開銷減少方面實(shí)現(xiàn)了更高的效率憎兽，但是其較低的包傳送率和較高的端到端延遲嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。因此這兩種路由協(xié)議都不能被采用吵冒。\vspace{0.2cm}\\

\indent現(xiàn)在提出來很多種基于復(fù)制的路由協(xié)議纯命，比如流行路由協(xié)議建立一個新的通信時進(jìn)行復(fù)制的話，可以提高數(shù)據(jù)包的傳輸率痹栖，但是這樣的話網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)會很高亿汞，也不適合于本網(wǎng)絡(luò)。

但是選用合適的限制復(fù)制時候的負(fù)載的機(jī)制的話揪阿，不論是架構(gòu)還是能源消耗都會輕松許多疗我，就可以在本網(wǎng)絡(luò)中使用了。\vspace{0.2cm}\\

\indent關(guān)于MAC協(xié)議南捂。與路由協(xié)議不同吴裤，MAC協(xié)議對于人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)中的所有網(wǎng)絡(luò)組件都是強(qiáng)制性的。在現(xiàn)有的MAC協(xié)議中溺健，基于握手的MAC協(xié)議（如IEEE 802.11和IEEE 802.15.4）適用于頻繁競爭現(xiàn)象以及由于沖突導(dǎo)致丟包率高的網(wǎng)絡(luò)麦牺。

在基于握手的MAC協(xié)議中，節(jié)點(diǎn)必須在在握手過程啟動任何傳輸嘗試之前預(yù)留信道鞭缭。因此剖膳，像人群聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)這樣的競爭和沖突很少現(xiàn)象的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這些協(xié)議反而往往會在數(shù)據(jù)傳輸之前需要大量

的開銷岭辣，所以并不適用\supercite{four}潮秘。另一方面，大多數(shù)基于競爭的協(xié)議易结，例如ALOHA和載波偵聽多路訪問（CSMA）枕荞，都假設(shè)下一個節(jié)點(diǎn)位于其附近傳輸數(shù)據(jù)包。

因此搞动，這種類型的協(xié)議也不適用躏精。對于這種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，只有在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入通信范圍內(nèi)時觸發(fā)數(shù)據(jù)包的MAC協(xié)議才是首選鹦肿。一個節(jié)點(diǎn)必須存儲這些數(shù)據(jù)包并將其機(jī)會性地傳輸矗烛。

這種機(jī)制在基于存儲和傳送（store-and-delivery-based）的MAC（SD-MAC）協(xié)議中有突出表現(xiàn)。這是一個輕量級的MAC協(xié)議，適用于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)\supercite{five}瞭吃。

\section{數(shù)據(jù)處理}

\indent在通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)獲取必要的數(shù)據(jù)包之后碌嘀，控制中心提取所有需要的數(shù)據(jù)，然后在稍后處理這些數(shù)據(jù)以找到最佳解決方案歪架。如果所采集的數(shù)據(jù)未被處理股冗，

則智能垃圾處理系統(tǒng)是不完整的，并且不計算最佳結(jié)果（在最小化系統(tǒng)的管理成本方面）和蚪。所以為了簡單起見止状，在我們即將進(jìn)行的討論中，假設(shè)控制中心具有足夠的最近的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)攒霹。

它必須計算可行的解決方案怯疤，并按需求將其交付給垃圾收集代理。在成本優(yōu)化方面催束，以假設(shè)旨在最小化的垃圾收集代理的需求來尋找方案集峦。請注意，如果一個垃圾收集代理可以卸載所有垃圾箱抠刺，

那么這個問題就可以轉(zhuǎn)化為一個簡單且經(jīng)過深入研究的旅行商問題（traveling salesman problem, TSP）少梁。但是實(shí)際上這種假設(shè)不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)樗械睦占碓谌萘糠矫娑加邢拗啤?/p>

因此有必要考慮這個約束矫付，我們將更加真實(shí)的稱它為垃圾回收問題（garbage collection problem, GCP）凯沪。GCP問題類似于已知的容量車輛路徑問題（CVRP）。在CVRP問題中买优，必須利用具

有相同能力的運(yùn)輸車輛的固定車隊以最小成本為單個商品和單個倉庫提供已知的客戶所需求的服務(wù)妨马。CVRP解決問題的目標(biāo)包括盡量減少車隊數(shù)量，并盡量減少旅行時間杀赢，

同時保持每條路線的商品總需求在服務(wù)車輛的能力范圍內(nèi)烘跺。 但是在GCP問題中，所尋求的解決的目標(biāo)不是最小化旅行時間脂崔，而是設(shè)最大化垃圾收集滤淳，并減少垃圾收集代理的需求消耗，

比如車輛的使用時間砌左。在這里將最大化垃圾收集的抽象問題具體為三種假設(shè)指標(biāo)脖咐，并尋找指標(biāo)最低的解決方案\vspace{0.2cm}\\

假設(shè)一：最大限度地減少旅行時間將減少垃圾收集代理的數(shù)量的要求。\vspace{0.1cm}\\

假設(shè)二：最大限度地收集垃圾量將使垃圾收集代理數(shù)量的要求最小化汇歹。\vspace{0.1cm}\\

假設(shè)三：最小化收集每單位量的垃圾所需要的覆蓋距離將最小化垃圾收集代理數(shù)量的要求屁擅。\vspace{0.2cm}\\

\indent在上述假設(shè)中，我們認(rèn)為假設(shè)一是一個基準(zhǔn)的目標(biāo)产弹，因?yàn)樗粡V泛用于評估現(xiàn)有的具有類似目標(biāo)的算法派歌，而假設(shè)二和三是新提出的目標(biāo)。對大量的垃圾桶數(shù)量來說（一般不少于100），

最佳接近解決方案的得出是非常困難的胶果，無法在多項(xiàng)式時間復(fù)雜度內(nèi)完成匾嘱。但是近年來的工作表明了遺傳算法如果選定了合適的參數(shù)，將能夠有效地降低運(yùn)算的時間復(fù)雜度和問題的難度早抠。

因此在這里選取遺傳算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得最佳解決方案霎烙。\vspace{0.2cm}\\

\indent遺傳算法是利用一組人口（祖代），并創(chuàng)造了幾代后代來解決一個特定的優(yōu)化問題的算法贝或。一個種群由一組方案（又稱染色體）組成，每個方案都含有基因形式锐秦。

對父本進(jìn)行交叉操作以出現(xiàn)新的染色體組合咪奖，而突變操作使方案或染色體隨機(jī)變化。調(diào)用一個選擇過程來選擇最適合的解決方案作為父母酱床，然后再次交叉操作羊赵，以創(chuàng)建其他適合的解決方案作為后代。

在每次迭代結(jié)束時扇谣，新一代是由舊一代和之前的后代的組合產(chǎn)生的昧捷。一般來說，新一代的規(guī)模都比前一代要大罐寨。 為了算法的時間空間效率必須保持每一代保持大小的固定靡挥，所以計算所有解的適應(yīng)度值。

最后應(yīng)用一個過濾程序鸯绿，使得只有最適合的節(jié)點(diǎn)才能生存下來跋破，放入父本總集合中。因此這里根據(jù)三種假設(shè)選取了三種適應(yīng)函數(shù)：\\

\begin{align*}

? &F(i) = \frac{1}{{1 + \left( {{\delta _{0,j}} + \sum\nolimits_{j = 1}^m {{\delta _{j,j + 1}} + {\delta _{m,0}}} } \right)}}\tag{$1$}\\

? &F(i) = \sum\nolimits_{j = 1}^m {\vartheta (j)}\tag{$2$}\\

? &F(i) = \frac{1}{{1 + \frac{{{\delta _{0,j}} + \sum\nolimits_{j = 1}^m {{\delta _{j,j + 1}} + {\delta _{m,0}}} }}{{\sum\nolimits_{j = 1}^m {\vartheta (j)} }}}}\tag{$3$}\\

\end{align*}

\indent在這里$F(k)$表示的是第$k$代適應(yīng)函數(shù)瓶蝴，${\delta _{i,j}}$表示的是$i$和$j$兩個智能垃圾桶之間的歐拉幾何距離毒返，$\vartheta (m)$表示的是特定的垃圾桶$m$的垃圾體積。

由于每個垃圾桶的體積被認(rèn)為是隨機(jī)的而不是固定容量的容器舷手，所以染色體或者方案的大小可能變化拧簸，這使得遺傳算法的實(shí)施更具挑戰(zhàn)性。為了仿真驗(yàn)證三種適應(yīng)函數(shù)男窟，在這里選取了三個邊長

分別為500米盆赤、2000米、5000米的正方形區(qū)域（二維歐拉平面）歉眷。垃圾桶在其中呈均勻分布弟劲，數(shù)量$N$在10到100之間浮動。每個垃圾桶都有一個身份編號姥芥，0號編號則是垃圾場兔乞。

每個垃圾桶的垃圾體積都是隨機(jī)的，且小于垃圾桶的最大容積$\beta_{c}$，沒有空的垃圾桶庸追，每個垃圾桶都會有一個最少的垃圾裝載率$\mu$,既可以表示為$\vartheta (m)> \mu* \beta_{c}$霍骄。個個垃圾桶的距離使用歐拉距離而不是實(shí)際的道路。

為了簡化運(yùn)算淡溯，運(yùn)行的最短距離也就是最短的時間读整，即垃圾收集代理運(yùn)動速度恒定。假設(shè)數(shù)據(jù)足夠充分去進(jìn)行計算獲得解決方案咱娶。在本次仿真中米间，為了加快計算解決方案，采用了一選擇的突變和交叉膘侮。

垃圾車最大容量設(shè)為1000千克屈糊，垃圾桶最大容量$\beta_{c}$為200千克。每個垃圾桶最少的裝載率$\mu=0.5$琼了，每代子代的大小為$2N$逻锐，代數(shù)為50代。\vspace{0.2cm}\\

\begin{figurehere}

\includegraphics[width=0.6cm]{blank.jpg}

\includegraphics[width=6cm]{chart2.jpg}

\caption{500米區(qū)域仿真結(jié)果}\label{fig2}

\includegraphics[width=6cm]{chart3.jpg}

\caption{2000米區(qū)域仿真結(jié)果}\label{fig3}

\includegraphics[width=6cm]{chart4.jpg}

\caption{5000米區(qū)域仿真結(jié)果}\label{fig4}

\end{figurehere}

\indent為了從遺傳算法中找到合適的解決方案雕薪，必須利用最佳的參數(shù)值昧诱，這些參數(shù)值是可能不穩(wěn)定的，并且會隨著情況變化所袁。

一般來說盏档，突變率和交叉率在任何進(jìn)化算法（如遺傳算法）中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案都起著重要的作用。

因此燥爷，必須進(jìn)行仿真以發(fā)現(xiàn)三個優(yōu)選情形的最佳突變率和交叉率妆丘。下面的是當(dāng)垃圾桶數(shù)量為30的時候的仿真結(jié)果。顏色越冷色調(diào)表示使用率越低局劲，反之則使用率越高勺拣。

就可以從其中得到最佳的突變率和交叉率，在圖上標(biāo)出鱼填。不難看出药有，在500米邊長的二維平面里突變率最佳是0.4，交叉率最佳是0.1苹丸。在2000米邊長的二維平面里突變率最佳是0.35愤惰，交叉率最佳是0.2。

在5000米邊長的二維平面里突變率最佳是0.3赘理，交叉率最佳是0.15宦言。\\

\section{結(jié)果分析}

\begin{figurehere}

%\includegraphics[width=0.6cm]{blank.jpg}

\includegraphics[width=6cm]{table1.jpg}

\caption{垃圾車裝載利用率}\label{fig5}

\includegraphics[width=6cm]{table2.jpg}

\caption{垃圾車需求的數(shù)量}\label{fig6}

\includegraphics[width=6cm]{table3.jpg}

\caption{單位體積垃圾行進(jìn)距離}\label{fig7}

\end{figurehere}

\indent為了評估三個假設(shè)的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)它們在找到最佳或接近最優(yōu)的解決方案方面的有效性商模，我們考慮三個指標(biāo)：容器的所需數(shù)量奠旺，垃圾處理代理的利用率和單位垃圾量的行程距離蜘澜，

或簡而言之，每單位體積的距離响疚。在對圖5進(jìn)行繪圖之前鄙信，所有的結(jié)果都使用最大-最小歸一化方法歸一化。因此忿晕，對于每個度量標(biāo)準(zhǔn)装诡，由每個給定的假設(shè)產(chǎn)生的性能指標(biāo)不會隨著該區(qū)域的大小改變

而顯著變化〖危可以觀察圖5得到鸦采，由于假設(shè)二試圖使固定容量的容器的垃圾收集最大化，所以其利用率在任何優(yōu)選區(qū)域遠(yuǎn)高于其他兩個假設(shè)咕幻。它實(shí)現(xiàn)了垃圾車輛容量的最高利用率（在$N=100$的時候利用率為1）渔伯。

由于假設(shè)三嘗試最小化單位體積收集的距離的策略，因此實(shí)現(xiàn)了比假設(shè)一更高的利用率谅河，達(dá)到了0.74咱旱，位居第二确丢。這些利用結(jié)果反映了垃圾收集代理的要求绷耍，并在圖6中進(jìn)一步說明。

在圖6中鲜侥，由于假設(shè)二以最有效的方式利用垃圾處理代理褂始，因此它比其他兩個假設(shè)需要更少的垃圾車數(shù)量。在假設(shè)一和假設(shè)三之間描函，假設(shè)三各方面表現(xiàn)都勝過了假設(shè)一崎苗。

對于假設(shè)二和三，所需的垃圾車數(shù)量隨著$N$線性增加舀寓。另一方面胆数，對于假設(shè)一來說，所需垃圾車的數(shù)量與$N$最初具有線性趨勢互墓，但是當(dāng)$N$足夠大時則增長率變快必尼，變?yōu)轭愃朴谥笖?shù)增長的趨勢。\vspace{0.2cm}\\

\indent雖然從前面的討論可以看出篡撵，假設(shè)二性能和假設(shè)三相比甚至更好判莉，但是圖7顯示了其他方面得重要指標(biāo)。由于假設(shè)二嘗試使容量最大化育谬，

所以垃圾處理代理必須行進(jìn)很長的距離券盅，這是三個假設(shè)中最長的，達(dá)到了0.82乃至更多膛檀。相比之下锰镀，雖然假設(shè)三要求垃圾車數(shù)量略高一些娘侍，但其平均行程遠(yuǎn)低于假設(shè)二。

將假設(shè)一和假設(shè)三在這一指標(biāo)上進(jìn)行比較不難發(fā)現(xiàn)互站，最初假設(shè)一和假設(shè)三產(chǎn)生幾乎相等的運(yùn)行距離私蕾，但是當(dāng)我們增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量$N$時，假設(shè)三將具有比假設(shè)一更低的每單位體積垃圾的平均運(yùn)行距離胡桃。

這是因?yàn)榧僭O(shè)一得要求導(dǎo)致的踩叭，假設(shè)一要求距離最短，那么對于每一個垃圾車來說都要運(yùn)行距離最短翠胰，但同時要完成目標(biāo)容贝，所以隨著垃圾車班次數(shù)增加運(yùn)行距離越來越遠(yuǎn)，甚至?xí)^假設(shè)三里垃圾車最長運(yùn)行距離之景。

所以導(dǎo)致整體的平均距離比假設(shè)三大斤富。所以在行駛路程上假設(shè)三表現(xiàn)最好，如果考慮油耗等實(shí)際問題锻狗，則應(yīng)該選擇假設(shè)三满力。\\

\\

\small

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\normalsize

\end{multicols}

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\end{document}