基于能量調(diào)度的信息物理系統(tǒng)遠(yuǎn)程估計(jì)問題研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物理世界的各類設(shè)備逐漸互聯(lián)互通，深度融合信息空間和物理空間的信息物理系統(tǒng)(Cyber-Phsical Systems，CPS)應(yīng)運(yùn)而生。它集成計(jì)算、通信和控制技術(shù)，通過資源優(yōu)化配置，感知、管理、調(diào)控著人類生活的方方面面，在工業(yè)生產(chǎn)、智能電網(wǎng)、智能交通、智慧醫(yī)療和國防軍事等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，極大地改善了人類生產(chǎn)生活方式，因此受到國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注。
　　信息物理系統(tǒng)的眾多應(yīng)用中都需要對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程估計(jì)

2、，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)污染指標(biāo)信息的準(zhǔn)確估計(jì)決定著監(jiān)測(cè)效果，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)被控對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)的精確估計(jì)影響著控制信號(hào)的計(jì)算和生產(chǎn)效率。因此遠(yuǎn)程估計(jì)問題是CPS的基本問題之一，準(zhǔn)確高效的遠(yuǎn)程估計(jì)是系統(tǒng)綜合性能得以保障的先決條件。然而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源受限、通信不可靠和安全威脅給遠(yuǎn)程估計(jì)的研究帶來了巨大挑戰(zhàn)。最近，基于能量調(diào)度的CPS遠(yuǎn)程估計(jì)研究得到了廣泛關(guān)注并取得了很大進(jìn)展，但仍存在許多不足之處。例如，當(dāng)前利用實(shí)時(shí)信息進(jìn)行資源在線調(diào)度的研究缺少考慮時(shí)變

3、通信環(huán)境的影響，對(duì)于攻擊行為的認(rèn)知主要局限于典型單一攻擊模態(tài)以及遠(yuǎn)程估計(jì)的應(yīng)用研究多數(shù)基于對(duì)物理對(duì)象和通信環(huán)境的理想假設(shè)等。本文針對(duì)這些研究不足，從遠(yuǎn)程估計(jì)的性能優(yōu)化、安全保障和技術(shù)應(yīng)用三個(gè)層面開展研究，主要工作和貢獻(xiàn)點(diǎn)概括如下:
　　1.概述了信息物理系統(tǒng)遠(yuǎn)程估計(jì)問題及其研究現(xiàn)狀，并分析了已有研究的不足之處。
　　2.研究面向遠(yuǎn)程估計(jì)的傳感器能量最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度策略?？紤]具有時(shí)間關(guān)聯(lián)特性的時(shí)變衰減信道對(duì)遠(yuǎn)程估計(jì)性能的影響，以最

4、小化遠(yuǎn)端估計(jì)器期望平均估計(jì)誤差協(xié)方差為優(yōu)化目標(biāo)，以傳感器平均能量消耗為約束，利用Markov決策過程理論設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)丟包信息的動(dòng)態(tài)能量調(diào)度策略，并從理論上證明了動(dòng)態(tài)調(diào)度的最優(yōu)性。對(duì)于傳感器每時(shí)刻只能用低能量發(fā)送本地?cái)?shù)據(jù)的情形，證明并給出了遠(yuǎn)程估計(jì)穩(wěn)定性的充分必要條件。
　　3.研究面向遠(yuǎn)程估計(jì)的隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)能量調(diào)度機(jī)制。為精確刻畫事件驅(qū)動(dòng)調(diào)度下遠(yuǎn)程估計(jì)的先驗(yàn)分布，引入具有時(shí)變參數(shù)的隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量新息設(shè)計(jì)了

5、更加有效的在線能量調(diào)度策略，得到相應(yīng)的極小均方估計(jì)算法。提出了調(diào)度策略中最優(yōu)化參數(shù)序列的一般性問題，并且對(duì)于一類具有特殊參數(shù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景，給出了最優(yōu)的參數(shù)切換策略。
　　4.研究針對(duì)遠(yuǎn)程估計(jì)的事件驅(qū)動(dòng)攻擊策略和性能評(píng)估?？紤]了一種具有入侵傳感器、篡改調(diào)度算法、竊聽測(cè)量信息和注入錯(cuò)誤反饋信息等多種能力的攻擊者，設(shè)計(jì)了能夠躲避攻擊檢測(cè)的事件驅(qū)動(dòng)智能攻擊策略。從攻擊者角度獲得了攻擊下的近似極小均方估計(jì)算法，并解析地給出攻擊過程中不改變

6、通信率的攻擊閾值。為評(píng)估估計(jì)性能，利用隨機(jī)分析理論證明了所設(shè)計(jì)的攻擊策略破壞了遠(yuǎn)程估計(jì)穩(wěn)定性條件和漸近估計(jì)精度。
　　5.研究基于遠(yuǎn)程估計(jì)的能量有效目標(biāo)追蹤方法。在感知距離受限移動(dòng)傳感器進(jìn)行目標(biāo)追蹤的應(yīng)用場(chǎng)景中，考慮不可靠通信導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟包的影響，構(gòu)建了保障傳感器能夠以預(yù)先給定概率追蹤到移動(dòng)目標(biāo)的約束下最小化總移動(dòng)距離的優(yōu)化問題?；谶h(yuǎn)程估計(jì)技術(shù)和最優(yōu)任務(wù)分配理論的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了包含目標(biāo)位置估計(jì)與預(yù)測(cè)、目標(biāo)不確定區(qū)域覆蓋、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配