工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為由大量傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠有效采集與傳遞各種環(huán)境和目標(biāo)信息。在工業(yè)場(chǎng)景中，由于受到規(guī)模巨大、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、傳遞時(shí)延、有向傳輸?shù)葍?nèi)在因素以及外部環(huán)境干擾因素的共同作用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行?？箽詥栴}已經(jīng)成為制約工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；瘧?yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。本論文依據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程從三個(gè)方面對(duì)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性能進(jìn)行優(yōu)化：①在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，通過對(duì)拓?fù)渑c容量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化配置，提升網(wǎng)絡(luò)抵御隨

2、機(jī)失效與級(jí)聯(lián)失效的能力；②在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行階段，通過路由選擇優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸；③在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段，通過引入故障檢測(cè)與診斷機(jī)制，解決網(wǎng)絡(luò)因節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)信息缺失所導(dǎo)致的后期維護(hù)難題。本文主要研究工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1）設(shè)計(jì)了一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓?fù)溲莼瘷C(jī)制。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的拓?fù)淇箽噪y題，構(gòu)建了一種分簇?zé)o標(biāo)度局域世界演化模型，使所生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滟N近真實(shí)工業(yè)情形且容錯(cuò)性能較優(yōu)?；谄骄鶊?chǎng)理論證明了拓?fù)?/p>

3、度分布符合冪律分布?？紤]數(shù)據(jù)傳輸有向性，構(gòu)造了一種用于評(píng)估網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡程度的有效測(cè)度-有向介數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵，并基于小世界網(wǎng)絡(luò)理論提出了一種長(zhǎng)程連接布局策略，有效解決了因無標(biāo)度拓?fù)涠确植籍愘|(zhì)性所引發(fā)的能量空洞問題。
　　2）提出了一種面向級(jí)聯(lián)失效的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容量?jī)?yōu)化策略。針對(duì)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因遭受數(shù)據(jù)流量沖擊所導(dǎo)致的級(jí)聯(lián)失效問題，通過分析真實(shí)分簇網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)負(fù)載變化規(guī)律，引入感知負(fù)載與中繼負(fù)載概念，構(gòu)建了一種參數(shù)可調(diào)的負(fù)載-容量

4、模型，并分別研究了分簇?zé)o標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)與分簇隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)級(jí)聯(lián)失效的抗毀性能?；谌萘繑U(kuò)充方式，分別給出了擴(kuò)容對(duì)象選擇策略與新增容量分配策略，用于提升網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)失效抗毀性能。
　　3）設(shè)計(jì)了一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)路由算法?？紤]工業(yè)場(chǎng)景中復(fù)雜環(huán)境因素（如溫度、濕度等）對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由性能影響，算法將工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為人工勢(shì)場(chǎng)，且勢(shì)場(chǎng)受環(huán)境場(chǎng)、能量場(chǎng)與深度場(chǎng)共同作用。通過構(gòu)建權(quán)重可調(diào)的目標(biāo)場(chǎng)，確保路由在滿足低能耗與低延時(shí)等關(guān)鍵性能指標(biāo)的基礎(chǔ)

5、上，使所建立不相交多路徑可動(dòng)態(tài)規(guī)避危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域，提升消息路由抗毀性能。
　　4）提出了工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)與診斷算法。為滿足工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)故障檢測(cè)與低延時(shí)故障診斷的迫切需求，基于鄰近傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集所表現(xiàn)出的趨勢(shì)相關(guān)性，設(shè)計(jì)了一種分布式故障檢測(cè)算法，以消除故障檢測(cè)觸發(fā)時(shí)刻對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確率影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于人工免疫理論的故障診斷算法，通過抗原分類、抗體庫(kù)訓(xùn)練、抗體-抗原匹配等一系列步驟完成故障辨識(shí)。所提算

6、法在具有較高診斷準(zhǔn)確率的同時(shí)，運(yùn)算耗時(shí)明顯縮短，滿足工業(yè)場(chǎng)景對(duì)服務(wù)低延時(shí)要求。
　　5）搭建了仿真平臺(tái)與實(shí)際系統(tǒng)用于測(cè)試所提理論方法。針對(duì)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真平臺(tái)匱乏現(xiàn)狀，結(jié)合工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能明顯受環(huán)境因素影響與抗毀性行為受事件驅(qū)動(dòng)等特征，引入部署環(huán)境組件與事件生成器，構(gòu)建了一個(gè)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真平臺(tái)。在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，以典型工業(yè)場(chǎng)景-立體倉(cāng)庫(kù)為部署環(huán)境，搭建了實(shí)際工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了所提理論方法