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)定可靠運行。抗毀性問題已經(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)建流程從三個方面對工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性能進行優(yōu)化：①在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，通過對拓撲與容量參數(shù)進行優(yōu)化配置，提升網(wǎng)絡(luò)抵御隨

2、機失效與級聯(lián)失效的能力；②在網(wǎng)絡(luò)運行階段，通過路由選擇優(yōu)化，實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸；③在網(wǎng)絡(luò)維護階段，通過引入故障檢測與診斷機制，解決網(wǎng)絡(luò)因節(jié)點故障狀態(tài)信息缺失所導(dǎo)致的后期維護難題。本文主要研究工作與創(chuàng)新點如下：
　　1）設(shè)計了一種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇拓撲演化機制。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的拓撲抗毀性難題，構(gòu)建了一種分簇?zé)o標度局域世界演化模型，使所生成網(wǎng)絡(luò)拓撲貼近真實工業(yè)情形且容錯性能較優(yōu)?；谄骄鶊隼碚撟C明了拓撲

3、度分布符合冪律分布?？紤]數(shù)據(jù)傳輸有向性，構(gòu)造了一種用于評估網(wǎng)絡(luò)負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，有效解決了因無標度拓撲度分布異質(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，通過分析真實分簇網(wǎng)絡(luò)動態(tài)負載變化規(guī)律，引入感知負載與中繼負載概念，構(gòu)建了一種參數(shù)可調(diào)的負載-容量

4、模型，并分別研究了分簇?zé)o標度網(wǎng)絡(luò)與分簇隨機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對級聯(lián)失效的抗毀性能。基于容量擴充方式，分別給出了擴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)的目標場，確保路由在滿足低能耗與低延時等關(guān)鍵性能指標的基礎(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)點數(shù)據(jù)采集所表現(xiàn)出的趨勢相關(guān)性，設(shè)計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確率的同時，運算耗時明顯縮短，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，搭建了實際工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并驗證了所提理論方法