煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層能量有效時(shí)間同步研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)為煤礦井下的安全監(jiān)控和災(zāi)害預(yù)警提供了新的思路和方法。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)利用物聯(lián)網(wǎng)的理論與技術(shù)，通過多種泛在的傳感器對(duì)煤礦井下人員、設(shè)備、環(huán)境等進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知的諸多應(yīng)用，包括節(jié)點(diǎn)定位、數(shù)據(jù)融合、協(xié)作傳輸、時(shí)分多址技術(shù)等等，都需要參與節(jié)點(diǎn)擁有—致的時(shí)間，時(shí)間同步為煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層的—個(gè)支撐技術(shù)。煤礦井下工作環(huán)境的特殊性，如空間狹小、節(jié)點(diǎn)分布多、無線通信環(huán)境差等特點(diǎn)，使得現(xiàn)有面向地面無線傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法無法直接應(yīng)用。
　　針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的需求和煤礦井下無線環(huán)境的特殊性，本文研究煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層的時(shí)間同步，著重提高時(shí)間同步方法的能量有效性和對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓聂敯粜?。論文的主要研究成果總結(jié)如下:
　　1)考慮到礦井巷道的狹長(zhǎng)特性，研究—種層次型時(shí)間同步算法，將反饋機(jī)制應(yīng)用到時(shí)間同步中來，基于負(fù)反饋原理根據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步精度誤差調(diào)整同步周期和占空比。
　　建立感知層網(wǎng)絡(luò)的樹狀層次型拓?fù)?，為網(wǎng)絡(luò)選擇多個(gè)父節(jié)點(diǎn)

3、和成對(duì)同步節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)與成對(duì)同步子節(jié)點(diǎn)間雙向交換多次時(shí)間同步信息，其它偵聽子節(jié)點(diǎn)偵聽同步信息，降低網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐叫畔⒘?將群內(nèi)的時(shí)間同步方式設(shè)置為周期性同步方式，即同步周期到則父節(jié)點(diǎn)發(fā)起一次群內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，而將群間節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步方式設(shè)置為按需同步方式，僅在特定事件發(fā)生時(shí)方才發(fā)起一次時(shí)間同步，進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐叫畔?采用聯(lián)合極大似然估計(jì)法估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏移，利用下標(biāo)偏移量法減少待估計(jì)參數(shù)的數(shù)量，

4、簡(jiǎn)化時(shí)鐘偏移估計(jì)算法的計(jì)算復(fù)雜度;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)周期性評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差，基于負(fù)反饋思想，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際同步誤差和要求值之間的差值，采用比例控制規(guī)律調(diào)整網(wǎng)絡(luò)同步周期和占空比，在同步精度滿足的情況下，盡可能增大同步周期、減小占空比。
　　2)將控制理論的一致性算法應(yīng)用到煤礦井下物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步中，提出一種二階一致陛時(shí)間同步算法，并從網(wǎng)絡(luò)鄰接權(quán)重的優(yōu)化設(shè)計(jì)角度來提高—致性時(shí)間同步方法的能量有效性。
　　將節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘特性建模成二階狀態(tài)方

5、程，節(jié)點(diǎn)按同步周期周期性將自身狀態(tài)廣播給鄰居節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)與鄰居節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不—致來構(gòu)造同步控制輸入;基于矩陣變換和勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定理論分析了二階一致性算法收斂的條件和影響算法收斂速度的因素;研究了影響一致性同步能耗的因素，得出同步能耗的優(yōu)化問題可以轉(zhuǎn)化為一致性算法收斂因子和網(wǎng)絡(luò)稀疏度的加權(quán)優(yōu)化問題，且可由網(wǎng)絡(luò)鄰接權(quán)重矩陣優(yōu)化設(shè)計(jì)得到，給出了網(wǎng)絡(luò)鄰接權(quán)重的分布式設(shè)計(jì)算法。
　　3)從網(wǎng)絡(luò)通信率角度出發(fā)，進(jìn)—步考慮了二階—致性時(shí)間同步算

6、法的能量有效性，提出—種事件觸發(fā)二階—致性時(shí)間同步算法。
　　將節(jié)點(diǎn)的通信事件設(shè)置為事件觸發(fā)方式，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)—個(gè)分布式事件觸發(fā)函數(shù)，僅當(dāng)觸發(fā)函數(shù)大于零時(shí)，節(jié)點(diǎn)方觸發(fā)一次廣播通信事件;通過矩陣變換和勞斯-赫爾維茨穩(wěn)定理論分析了事件觸發(fā)二階一致性時(shí)間同步算法的收斂性，并給出了觸發(fā)閾值的分布式設(shè)計(jì)方法;分析了影響網(wǎng)絡(luò)通信率的因素，并與時(shí)間觸發(fā)下的時(shí)間同步算法進(jìn)行相對(duì)收斂性的對(duì)比，得出在網(wǎng)絡(luò)通信率相同的情況下，基于事件觸發(fā)的時(shí)間同步算