核電站應(yīng)激環(huán)境下魯棒感知網(wǎng)絡(luò)的多冗余結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究.pdf

1、世界能源問題突出，環(huán)境污染嚴重，大力發(fā)展產(chǎn)能較高的清潔核電成為必然選擇。在核能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源中，核能的安全問題最為突出，所以核電站安全可靠運行是極端重要問題。目前的有線監(jiān)控技術(shù)存在布線約束、成本高昂、維護困難等問題。而無線技術(shù)具有低成本、易維護、高靈活等特點，為解決有線監(jiān)控存在的問題提供了契機。但核電站應(yīng)激環(huán)境下無線應(yīng)用存在兩個相互矛盾的問題：1、核電站環(huán)境惡劣，電磁干擾、無線干擾、多徑效應(yīng)等會降低無線通信質(zhì)量；2、無線射頻信

2、號不能對核電敏感設(shè)備產(chǎn)生影響。目前國際上已經(jīng)把解決這對矛盾問題作為該領(lǐng)域的重要研究方向，主要有兩種解決途徑：1、在無線感知網(wǎng)絡(luò)物理層采用弱信號抗干擾調(diào)制技術(shù)；2、在無線感知網(wǎng)絡(luò)其它層次進行優(yōu)化設(shè)計以增強網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、實時性，降低網(wǎng)絡(luò)能耗以及增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。目前第二種解決途徑雖然已有相關(guān)研究，但并不適合核電站應(yīng)用，而且內(nèi)容非常零散，沒有系統(tǒng)的研究思路和解決方案。為此本文系統(tǒng)的在各結(jié)構(gòu)層次開展了有針對性的策略和方法研究，提出了一系列綜合提高

3、網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化算法。
　　目前各結(jié)構(gòu)層次主要研究有：節(jié)點部署、鏈路調(diào)度、路由協(xié)議以及最優(yōu)搜索等，都不適用在核電站應(yīng)激環(huán)境下的核電設(shè)備健康監(jiān)測應(yīng)用。因此，論文在運用多種技術(shù)方法基礎(chǔ)上，分別對節(jié)點部署、鏈路調(diào)度、路由協(xié)議、最優(yōu)搜索進行研究，結(jié)合實際進行創(chuàng)新，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層各個結(jié)構(gòu)層次的核心技術(shù)，改善了無線感知網(wǎng)絡(luò)在核電站應(yīng)激環(huán)境下的魯棒性、實時性、生存性等主要性能。
　　論文的主要貢獻歸納如下：
　　1、

4、論文在核電應(yīng)激環(huán)境約束下提出一種無線感知網(wǎng)中繼節(jié)點冗余部署策略。該策略考慮了目前部署研究沒有涉及到的綜合實際問題，如核電站三維環(huán)境中障礙物阻擋、鏈路魯棒性差、部署位置受限、可使用定向天線等。本文對問題進行了形式化建模，通過構(gòu)建冗余連通圖、遺傳算法優(yōu)化、部署點生成三個步驟對這個NP難問題分步驟求解。在與目前實際中采用的部署方法比較中證明該方案具備三維避障、鏈路容錯以及位置優(yōu)化等特點，能夠較好解決目前核電站應(yīng)激環(huán)境下無線感知網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點部署

5、問題。
　　2、論文以振動設(shè)備模態(tài)分析和遺傳算法為基礎(chǔ)解決了核電應(yīng)激環(huán)境下無線振動監(jiān)測節(jié)點的部署問題。論文首先總結(jié)了目前感知監(jiān)測節(jié)點部署研究的現(xiàn)狀與不足，提出了核電應(yīng)激環(huán)境下無線振動節(jié)點部署所需考慮的幾個方面：模態(tài)信息、核電敏感設(shè)備、監(jiān)測節(jié)點間通信、測點位置優(yōu)化。通過對典型核電設(shè)備進行有限元建模，獲取了對應(yīng)的各階次振型位移模態(tài)，在綜合其它約束后提出了組合最優(yōu)化問題模型，進而提出了適用的遺傳算法算子、參數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)，在與目前實際采

6、用的部署方案比較后證明了本文所提求解策略和算法的有效性。
　　3、本文針對低功耗、低成本的無線感知網(wǎng)絡(luò)（具有信道和時槽二維通信資源），提出了兩種啟發(fā)式調(diào)度算法。第一種算法是把調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為圖頂點著色問題，然后對 PowellWelsh?算法進行了適應(yīng)性改進。第二種啟發(fā)式算法運用了更多實現(xiàn)過程中的技巧，算法執(zhí)行速度快，易用工程應(yīng)用。兩種算法都解決了典型通信沖突、流量負載不均衡、空間復(fù)用三個問題。通過實驗與經(jīng)典貪心算法以及混合智能算法

7、進行了比較（超幀長度、運行時間、吞吐量、延遲），驗證了本文所提兩種算法的綜合效果表現(xiàn)更好，在算法求解質(zhì)量和執(zhí)行效率之間取得平衡。
　　4、本文還針對高性能無線感知網(wǎng)絡(luò)提出基于功率控制的多冗余時槽連續(xù)調(diào)度策略。通過借鑒Foschini關(guān)于功率控制方面的相關(guān)工作，構(gòu)建了問題模型并進行難解性證明，提出啟發(fā)式算法BSP在第一階段求解基本鏈路調(diào)度集合，然后利用折半查找等算法進行二次分配，提出了快速高效求解的多項式時間鏈路調(diào)度算法ECT。在與

8、相似算法仿真實驗比較中呈現(xiàn)出良好性能，改善了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和實時性。另外，實驗還驗證了二次分配過程很好的補償了第一階段的解質(zhì)量損失，整個算法執(zhí)行效率有較大提升。
　　5、針對核電站應(yīng)激環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸不可靠，以及存在實時性、生存性等實際要求，本文提出一種適合核電站無線感知網(wǎng)應(yīng)用的位置信息輔助多路徑路由算法LBMR。算法利用了核電站節(jié)點相對固定且容易獲取位置信息的特點，并借鑒了多路徑和混合路由協(xié)議的基本思想。本文提出的路由協(xié)議在路由發(fā)現(xiàn)

9、中綜合鏈路質(zhì)量、鏈路負載、敏感設(shè)備等信息構(gòu)建了路由度量模型，對數(shù)據(jù)包傳播過程、存儲方式進行了改進，通過建立路由發(fā)現(xiàn)區(qū)并運用Dijkstra算法求取了不相交的多條冗余路徑。最后通過實驗與相似路由協(xié)議和路由度量模型進行了比較，仿真結(jié)果顯示論文提出的路由協(xié)議和路由度量模型具有較高的包遞交率，較小的網(wǎng)絡(luò)開銷和網(wǎng)絡(luò)延遲，在魯棒性、實時性和生存性方面都有更好表現(xiàn)。
　　6、核電應(yīng)激環(huán)境下無線感知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用會在時間同步、網(wǎng)絡(luò)組建、路由發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)交

10、互、感知查詢等功能中產(chǎn)生大量洪泛（廣播）過程，該過程雖實現(xiàn)簡單，但低效且不可靠。本文基于最優(yōu)搜索理論提出一種局部最優(yōu)搜索方法，針對已成簇的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在匯集節(jié)點保存簇標示，對搜索函數(shù)進行優(yōu)化處理，利用搜索理論產(chǎn)生簇標示序列和代價分配函數(shù)，實驗顯示所提出的搜索方法在較大規(guī)模的無線感知網(wǎng)絡(luò)中比洪泛方式和現(xiàn)有的局部最優(yōu)搜索技術(shù)具有更好的性能。另外，本文把無線感知網(wǎng)絡(luò)信息主動收集過程中的搜索資源分配問題，歸類為移動agent的搜索資源分配問題