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)場景中，由于受到規(guī)模巨大、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、傳遞時延、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)難以長時間穩(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)模化應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。本論文依據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程從三個方面對工業(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)情形且容錯性能較優(yōu)?；谄骄鶊隼碚撟C明了拓?fù)?/p>

3、度分布符合冪律分布。考慮數(shù)據(jù)傳輸有向性，構(gòu)造了一種用于評估網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡程度的有效測度-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）提出了一種面向級聯(lián)失效的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容量優(yōu)化策略。針對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因遭受數(shù)據(jù)流量沖擊所導(dǎo)致的級聯(lián)失效問題，通過分析真實(shí)分簇網(wǎng)絡(luò)動態(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)對級聯(lián)失效的抗毀性能?；谌萘繑U(kuò)充方式，分別給出了擴(kuò)容對象選擇策略與新增容量分配策略，用于提升網(wǎng)絡(luò)級聯(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)容錯路由算法?？紤]工業(yè)場景中復(fù)雜環(huán)境因素（如溫度、濕度等）對網(wǎng)絡(luò)路由性能影響，算法將工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抽象為人工勢場，且勢場受環(huán)境場、能量場與深度場共同作用。通過構(gòu)建權(quán)重可調(diào)的目標(biāo)場，確保路由在滿足低能耗與低延時等關(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)故障檢測與診斷算法。為滿足工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時故障檢測與低延時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)出的趨勢相關(guān)性，設(shè)計(jì)了一種分布式故障檢測算法，以消除故障檢測觸發(fā)時刻對檢測準(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、抗體庫訓(xùn)練、抗體-抗原匹配等一系列步驟完成故障辨識。所提算

6、法在具有較高診斷準(zhǔn)確率的同時，運(yùn)算耗時明顯縮短，滿足工業(yè)場景對服務(wù)低延時要求。
　　5）搭建了仿真平臺與實(shí)際系統(tǒng)用于測試所提理論方法。針對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真平臺匱乏現(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)動等特征，引入部署環(huán)境組件與事件生成器，構(gòu)建了一個工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真平臺。在該平臺基礎(chǔ)上，以典型工業(yè)場景-立體倉庫為部署環(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