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(wèn)題突出，環(huán)境污染嚴(yán)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(yáng)能等清潔能源中，核能的安全問(wèn)題最為突出，所以核電站安全可靠運(yùn)行是極端重要問(wèn)題。目前的有線監(jiān)控技術(shù)存在布線約束、成本高昂、維護(hù)困難等問(wèn)題。而無(wú)線技術(shù)具有低成本、易維護(hù)、高靈活等特點(diǎn)，為解決有線監(jiān)控存在的問(wèn)題提供了契機(jī)。但核電站應(yīng)激環(huán)境下無(wú)線應(yīng)用存在兩個(gè)相互矛盾的問(wèn)題：1、核電站環(huán)境惡劣，電磁干擾、無(wú)線干擾、多徑效應(yīng)等會(huì)降低無(wú)線通信質(zhì)量；2、無(wú)線射頻信

2、號(hào)不能對(duì)核電敏感設(shè)備產(chǎn)生影響。目前國(guó)際上已經(jīng)把解決這對(duì)矛盾問(wèn)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(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)物理層采用弱信號(hào)抗干擾調(diào)制技術(shù)；2、在無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)其它層次進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、實(shí)時(shí)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(méi)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(kāi)展了有針對(duì)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(diǎn)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(cè)應(yīng)用。因此，論文在運(yùn)用多種技術(shù)方法基礎(chǔ)上，分別對(duì)節(jié)點(diǎn)部署、鏈路調(diào)度、路由協(xié)議、最優(yōu)搜索進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層各個(gè)結(jié)構(gòu)層次的核心技術(shù)，改善了無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)在核電站應(yīng)激環(huán)境下的魯棒性、實(shí)時(shí)性、生存性等主要性能。
　　論文的主要貢獻(xiàn)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(wú)線感知網(wǎng)中繼節(jié)點(diǎn)冗余部署策略。該策略考慮了目前部署研究沒(méi)有涉及到的綜合實(shí)際問(wèn)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(duì)問(wèn)題進(jìn)行了形式化建模，通過(guò)構(gòu)建冗余連通圖、遺傳算法優(yōu)化、部署點(diǎn)生成三個(gè)步驟對(duì)這個(gè)NP難問(wèn)題分步驟求解。在與目前實(shí)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(cuò)以及位置優(yōu)化等特點(diǎn)，能夠較好解決目前核電站應(yīng)激環(huán)境下無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)部署

5、問(wèn)題。
　　2、論文以振動(dòng)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(wú)線振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的部署問(wèn)題。論文首先總結(jié)了目前感知監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署研究的現(xiàn)狀與不足，提出了核電應(yīng)激環(huán)境下無(wú)線振動(dòng)節(jié)點(diǎn)部署所需考慮的幾個(gè)方面：模態(tài)信息、核電敏感設(shè)備、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間通信、測(cè)點(diǎn)位置優(yōu)化。通過(guò)對(duì)典型核電設(shè)備進(jìn)行有限元建模，獲取了對(duì)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(wèn)題模型，進(jìn)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(shí)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(duì)低功耗、低成本的無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)（具有信道和時(shí)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為圖頂點(diǎn)著色問(wèn)題，然后對(duì) PowellWelsh?算法進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)。第二種啟發(fā)式算法運(yùn)用了更多實(shí)現(xiàn)過(guò)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(fù)載不均衡、空間復(fù)用三個(gè)問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典貪心算法以及混合智能算法

7、進(jìn)行了比較（超幀長(zhǎng)度、運(yùn)行時(shí)間、吞吐量、延遲），驗(yàn)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(duì)高性能無(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)提出基于功率控制的多冗余時(shí)槽連續(xù)調(diào)度策略。通過(guò)借鑒Foschini關(guān)于功率控制方面的相關(guān)工作，構(gòu)建了問(wèn)題模型并進(jìn)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(jìn)行二次分配，提出了快速高效求解的多項(xiàng)式時(shí)間鏈路調(diào)度算法ECT。在與

8、相似算法仿真實(shí)驗(yàn)比較中呈現(xiàn)出良好性能，改善了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和實(shí)時(shí)性。另外，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了二次分配過(guò)程很好的補(bǔ)償了第一階段的解質(zhì)量損失，整個(gè)算法執(zhí)行效率有較大提升。
　　5、針對(duì)核電站應(yīng)激環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸不可靠，以及存在實(shí)時(shí)性、生存性等實(shí)際要求，本文提出一種適合核電站無(wú)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(diǎn)相對(duì)固定且容易獲取位置信息的特點(diǎn)，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(fù)載、敏感設(shè)備等信息構(gòu)建了路由度量模型，對(duì)數(shù)據(jù)包傳播過(guò)程、存儲(chǔ)方式進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)建立路由發(fā)現(xiàn)區(qū)并運(yùn)用Dijkstra算法求取了不相交的多條冗余路徑。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)與相似路由協(xié)議和路由度量模型進(jìn)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(kāi)銷(xiāo)和網(wǎng)絡(luò)延遲，在魯棒性、實(shí)時(shí)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(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用會(huì)在時(shí)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(xún)等功能中產(chǎn)生大量洪泛（廣播）過(guò)程，該過(guò)程雖實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(duì)已成簇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在匯集節(jié)點(diǎn)保存簇標(biāo)示，對(duì)搜索函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，利用搜索理論產(chǎn)生簇標(biāo)示序列和代價(jià)分配函數(shù)，實(shí)驗(yàn)顯示所提出的搜索方法在較大規(guī)模的無(wú)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(wú)線感知網(wǎng)絡(luò)信息主動(dòng)收集過(guò)程中的搜索資源分配問(wèn)題，歸類(lèi)為移動(dòng)agent的搜索資源分配問(wèn)題