工業無綫傳感器網絡抗毀性關鍵技術研究(精)/智能製造與機器人理論及技術研究叢書 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

本書對核心技術無綫傳感器網絡的抗毀性問題進行研究，給齣瞭仿真測試平颱和實驗係統，參考價值高。

內容簡介

無綫傳感器網絡（WSNs）已成為各種工業物聯網應用中的核心技術。全書共分為十章，主要針對工業無綫傳感器網絡規模化應用的主要技術瓶頸——抗毀性問題，從復雜網絡角度齣發，對工業無綫傳感器網絡抗毀性能進行係統深入的研究：網絡拓撲演化與優化配置機製；負載�踩萘磕Ｐ陀胗嘔�策略；容錯路由選擇算法；故障檢測與診斷方法；基於移動智能體的智能車間數據傳輸方案。最後，給齣瞭抗毀性仿真測試平颱和工程實驗係統。可作為計算機、物聯網、物流工程、機械製造及自動化等專業高校學生的參考用書，也可供從事工業物聯網及復雜網絡係統優化研究和從事工業係統控製及智能製造等領域工程開發的科技人員參考。

作者簡介

李文鋒，武漢理工大學二級教授，博士生導師。瑞典皇傢工學院自治係統研究中心訪問學者，美國新澤西理工大學和美國紐約大學訪問教授。湖北省有突齣貢獻的中青年專傢。中國人工智能學會智能製造專業委員會常務委員，中國機械工程學會機器人專業委員會委員，教育部高等學校物流管理與工程類教學指導委員會委員，IEEE 高級會員。主要研究方嚮為環境感知與係統協作控製，物流自動化與機器人技術，物流供應鏈仿真與規劃，物聯網與物流信息化技術，智能製造，人機工程與健康監護。先後承擔國傢自然科學基金項目、國傢“十一五”“十二五”科技支撐計劃項目、國傢“863計劃”項目。先後發錶科研論文近300篇，專著6本，有100餘篇次被三大檢索（SCI、EI、ISTP）收錄，獲國傢發明專利10多項。先後獲得省部級科技進步一等奬2項、二等奬7項、三等奬1項。符修文，男，河南洛陽人，講師，博士。博士畢業於武漢理工大學機械工程專業，現就職於上海海事大學物流科學與工程研究院。主要研究方嚮為工業無綫傳感器網絡，已發錶論文12篇，其中SCI/EI檢索論文8篇，獲得國傢授權發明專利3項。

目錄

第1章 概述 10

1.1工業物聯網 10

1.2工業無綫傳感器網絡 11

1.3工業場景對傳感器網絡性能影響 13

1.4工業無綫傳感器網絡抗毀性定義 14

1.5研究趨勢與存在的問題 14

1.5.1 研究趨勢 14

1.5.2 存在的問題 16

1.6 本書研究的目的與意義 16

參考文獻 18

第2章 網絡受損類型與抗毀性測度 20

2.1 網絡受損類型 20

2.1.1 隨機性受損 20

2.1.2 被選擇性受損 20

2.1.3 組織性受損 22

2.2 受損起因 23

2.2.1 能耗失效 23

2.2.2 故障失效 23

2.2.3 攻擊失效 23

2.3抗毀性測度 25

2.3.1 非拓撲性測度 26

2.3.2 拓撲性測度 26

2.3.3 無綫傳感器網絡抗毀性測度 27

2.3.4 工業無綫傳感器網絡抗毀性測度設計 28

2.4 小結 29

參考文獻 29

第3章 抗毀性拓撲優化 34

3.1 研究現狀 34

3.1.1 無標度網絡 34

3.1.2 小世界網絡 36

3.2 分簇無標度局域世界演化模型 38

3.2.1 網絡模型說明 38

3.2.2 拓撲演化模型 39

3.2.3 度分布理論分析 41

3.2.4 仿真結果與分析 44

3.3 基於小世界網絡的長程連接布局策略 54

3.3.1 有嚮介數網絡結構熵 54

3.3.2 長程連接布局策略 57

3.3.3 仿真結果與分析 58

3.4 本章小結 62

參考文獻 63

第4章 抗毀性容量優化 66

4.1 研究現狀 66

4.2 分簇網絡級聯失效分析 67

4.2.1 負載-容量模型 67

4.2.2 負載分配策略 68

4.2.3 級聯失效抗毀性測度 69

4.2.4 能量無關的分簇演化模型 70

4.2.5 理論分析 72

4.2.6 仿真結果與分析 75

4.3 麵嚮級聯失效的節點容量優化策略 79

4.3.1 擴容節點選擇策略研究 79

4.3.2 新增容量分配策略研究 81

4.4 本章小結 82

參考文獻 83

第5章 抗毀性路由優化 84

5.1 研究現狀 84

5.1.1 多路徑路由基本原理 84

5.1.2 多路徑路由典型算法 86

5.2 勢場建模方法 87

5.2.1 環境場 87

5.2.2 其它勢場 90

5.3 基於勢場的不相交多路徑容錯路由算法 91

5.3.1 算法流程說明 91

5.3.2 消息與緩存列錶格式 92

5.3.3 主路徑建立過程 94

5.3.4 第2條路徑建立過程 97

5.3.5 退火機製 99

5.3.6 數據分發策略 99

5.3.7 路由維護機製 100

5.4 仿真結果與分析 101

5.5.1 仿真參數設定 101

5.5.2 勢場分析 102

5.5.3 不同參數設定下路由性能分析 105

5.5.4 不同算法路由性能對比分析 109

5.5 本章小結 111

參考文獻 111

第6章 網絡故障檢測 113

6.1 研究現狀 113

6.2 故障分類 114

6.3 基於趨勢相關性的故障檢測算法 115

6.3.1 趨勢相關性 117

6.3.2 鄰域中值 117

6.3.3 故障檢測算法流程 118

6.3.4 故障檢測觸發機製 120

6.3.5 分簇故障檢測算法改進 122

6.4 仿真結果與分析 123

6.4.1 仿真實驗設置 123

6.4.2 仿真實驗結果 123

6.5 本章小結 128

參考文獻 128

第7章 網絡故障診斷 130

7.1 研究現狀 130

7.2基於人工免疫理論的故障診斷相關概念 131

7.3 基於人工免疫理論的故障診斷算法 133

7.3.1 抗原分類 133

7.4 仿真結果與分析 137

7.4.1 仿真設置 137

7.4.2 仿真結果 138

7.4.3 診斷算法復雜度分析 140

7.5 本章小結 141

參考文獻 141

第8章 基於移動智能體的數據分層傳輸方案 143

8.1 研究現狀 143

8.3 問題描述 144

8.4 移動智能體調度方案設計 148

8.4.1 算法變量描述 148

8.4.2 非加工任務資源需求評估 150

8.4.3 非加工任務資源需求評估 151

8.5 仿真結果與分析 154

8.5.1度量指標和初始值設定 154

8.5.2 仿真結果 155

8.6 本章小結 157

參考文獻 157

第9章 抗毀性仿真測試平颱 159

9.1研究現狀 159

9.2平颱體係架構 160

9.3 功能模塊設計 160

9.3.1 部署環境組件 160

9.3.2 個體節點組件 162

9.3.3 網絡拓撲組件 162

9.3.4 路由組件 163

9.3.5 事件生成器 163

9.3.6 事件調度中心 164

9.3.7 數據動態統計與分析組件 165

9.3.8 數據靜態統計與分析組件 165

9.3.9 靜態/動態顯示組件 165

9.4 仿真流程設計 165

9.5 用戶界麵設計 166

9.6 節點故障與外部環境關聯設定 167

9.6.1 故障概率函數 167

9.6.2 性能衰減函數 168

9.7 平颱性能測試 169

9.7.1 對比性能測試 169

9.7.2 抗毀性功能測試 170

9.8 結論 171

參考文獻 172

第10章 實驗係統搭建與測試 173

10.1 實驗係統 173

10.1.1實驗係統組成 173第1章 概述 10

1.1工業物聯網 10

1.2工業無綫傳感器網絡 11

1.3工業場景對傳感器網絡性能影響 13

1.4工業無綫傳感器網絡抗毀性定義 14

1.5研究趨勢與存在的問題 14

1.5.1 研究趨勢 14

1.5.2 存在的問題 16

1.6 本書研究的目的與意義 16

參考文獻 18

第2章 網絡受損類型與抗毀性測度 20

2.1 網絡受損類型 20

2.1.1 隨機性受損 20

2.1.2 被選擇性受損 20

2.1.3 組織性受損 22

2.2 受損起因 23

2.2.1 能耗失效 23

2.2.2 故障失效 23

2.2.3 攻擊失效 23

2.3抗毀性測度 25

2.3.1 非拓撲性測度 26

2.3.2 拓撲性測度 26

2.3.3 無綫傳感器網絡抗毀性測度 27

2.3.4 工業無綫傳感器網絡抗毀性測度設計 28

2.4 小結 29

參考文獻 29

第3章 抗毀性拓撲優化 34

3.1 研究現狀 34

3.1.1 無標度網絡 34

3.1.2 小世界網絡 36

3.2 分簇無標度局域世界演化模型 38

3.2.1 網絡模型說明 38

3.2.2 拓撲演化模型 39

3.2.3 度分布理論分析 41

3.2.4 仿真結果與分析 44

3.3 基於小世界網絡的長程連接布局策略 54

3.3.1 有嚮介數網絡結構熵 54

3.3.2 長程連接布局策略 57

3.3.3 仿真結果與分析 58

3.4 本章小結 62

參考文獻 63

第4章 抗毀性容量優化 66

4.1 研究現狀 66

4.2 分簇網絡級聯失效分析 67

4.2.1 負載-容量模型 67

4.2.2 負載分配策略 68

4.2.3 級聯失效抗毀性測度 69

4.2.4 能量無關的分簇演化模型 70

4.2.5 理論分析 72

4.2.6 仿真結果與分析 75

4.3 麵嚮級聯失效的節點容量優化策略 79

4.3.1 擴容節點選擇策略研究 79

4.3.2 新增容量分配策略研究 81

4.4 本章小結 82

參考文獻 83

第5章 抗毀性路由優化 84

5.1 研究現狀 84

5.1.1 多路徑路由基本原理 84

5.1.2 多路徑路由典型算法 86

5.2 勢場建模方法 87

5.2.1 環境場 87

5.2.2 其它勢場 90

5.3 基於勢場的不相交多路徑容錯路由算法 91

5.3.1 算法流程說明 91

5.3.2 消息與緩存列錶格式 92

5.3.3 主路徑建立過程 94

5.3.4 第2條路徑建立過程 97

5.3.5 退火機製 99

5.3.6 數據分發策略 99

5.3.7 路由維護機製 100

5.4 仿真結果與分析 101

5.5.1 仿真參數設定 101

5.5.2 勢場分析 102

5.5.3 不同參數設定下路由性能分析 105

5.5.4 不同算法路由性能對比分析 109

5.5 本章小結 111

參考文獻 111

第6章 網絡故障檢測 113

6.1 研究現狀 113

6.2 故障分類 114

6.3 基於趨勢相關性的故障檢測算法 115

6.3.1 趨勢相關性 117

6.3.2 鄰域中值 117

6.3.3 故障檢測算法流程 118

6.3.4 故障檢測觸發機製 120

6.3.5 分簇故障檢測算法改進 122

6.4 仿真結果與分析 123

6.4.1 仿真實驗設置 123

6.4.2 仿真實驗結果 123

6.5 本章小結 128

參考文獻 128

第7章 網絡故障診斷 130

7.1 研究現狀 130

7.2基於人工免疫理論的故障診斷相關概念 131

7.3 基於人工免疫理論的故障診斷算法 133

7.3.1 抗原分類 133

7.4 仿真結果與分析 137

7.4.1 仿真設置 137

7.4.2 仿真結果 138

7.4.3 診斷算法復雜度分析 140

7.5 本章小結 141

參考文獻 141

第8章 基於移動智能體的數據分層傳輸方案 143

8.1 研究現狀 143

8.3 問題描述 144

8.4 移動智能體調度方案設計 148

8.4.1 算法變量描述 148

8.4.2 非加工任務資源需求評估 150

8.4.3 非加工任務資源需求評估 151

8.5 仿真結果與分析 154

8.5.1度量指標和初始值設定 154

8.5.2 仿真結果 155

8.6 本章小結 157

參考文獻 157

第9章 抗毀性仿真測試平颱 159

9.1研究現狀 159

9.2平颱體係架構 160

9.3 功能模塊設計 160

9.3.1 部署環境組件 160

9.3.2 個體節點組件 162

9.3.3 網絡拓撲組件 162

9.3.4 路由組件 163

9.3.5 事件生成器 163

9.3.6 事件調度中心 164

9.3.7 數據動態統計與分析組件 165

9.3.8 數據靜態統計與分析組件 165

9.3.9 靜態/動態顯示組件 165

9.4 仿真流程設計 165

9.5 用戶界麵設計 166

9.6 節點故障與外部環境關聯設定 167

9.6.1 故障概率函數 167

9.6.2 性能衰減函數 168

9.7 平颱性能測試 169

9.7.1 對比性能測試 169

9.7.2 抗毀性功能測試 170

9.8 結論 171

參考文獻 172

第10章 實驗係統搭建與測試 173

10.1 實驗係統 173

10.1.1實驗係統組成 173

前言/序言

伴隨“中國製造2025”戰略的全麵實施，我國工業正加速結構調整，淘汰落後産能，應用信息化、智能化手段推進工業化轉型升級的進程日益加快，一股機器人技術應用熱潮正在到來。工業物聯網作為驅動工業嚮網絡化、智能化升級的重要引擎，它的齣現為突破我國工業當前所麵臨的信息化、智能化發展瓶頸提供瞭新的機遇。由於具有成本低、組網便捷、布置簡便、嵌入能力強、集成方便等優點，無綫傳感器網絡（WSNs）已成為各種工業物聯網應用中的核心技術，並將在這場工業信息化革命中發揮至關重要的作用。在工業場景中，由於受到規模巨大、網絡異構、傳遞時延、有嚮傳輸等內在因素以及外部環境乾擾因素的共同作用，無綫傳感器網絡麵臨著十分嚴峻的工作環境，其抗毀性問題已經成為製約工業物聯網規模化應用的主要技術瓶頸。如何維持無綫傳感器網絡長時間穩定可靠運行，提升其抗毀性，是國內外學者普遍關注的熱點學術問題。當前圍繞工業無綫傳感器網絡抗毀性問題，尚有許多關鍵理論和技術問題有待解決和完善。本書依據網絡構建流程從四個方麵探討工業無綫傳感器網絡抗毀性能優化：① 在網絡初始化階段，通過對拓撲與容量參數進行優化配置，提升網絡抵禦隨機失效與級聯失效的能力；② 在網絡運行階段，通過路由選擇優化，實現感知數據的安全可靠傳輸；③ 在網絡維護階段，通過引入故障檢測與診斷機製，解決網絡因節點故障狀態信息缺失所導緻的後期維護難題；④ 在此基礎上，麵嚮智能工廠中的移動智能體設備，將車間中的現場總綫網絡和無綫傳感器網絡集成為一個數據分層傳輸網絡，通過閤理運用移動智能體載運數據來提高車間網絡的數據傳輸能力和效率，從而進一步提高網絡的抗毀性能。本書主要的內容結構如下：（1） 設計瞭一種工業無綫傳感器網絡分簇拓撲演化機製。針對無綫傳感器網絡在復雜工業環境下的拓撲抗毀性難題，構建瞭一種分簇無標度局域世界演化模型，使所生成的網絡拓撲貼近真實工業情形且容錯性能較優。基於平均場理論證明瞭拓撲度分布符閤冪律分布。考慮數據傳輸有嚮性，構造瞭一種用於評估網絡負載均衡程度的有效測度——有嚮介數網絡結構熵，並基於小世界網絡理論提齣瞭一種長程連接布局策略，有效解決瞭因無標度拓撲度分布異質性所引發的能量空洞問題。（2） 提齣瞭一種麵嚮級聯失效的工業無綫傳感器網絡容量優化策略。針對工業無綫傳感器網絡因遭受數據流量衝擊所導緻的級聯失效問題，通過分析真實分簇網絡動態負載變化規律，引入感知負載與中繼負載概念，構建瞭一種參數可調的負載——容量模型，並分彆研究瞭分簇無標度網絡與分簇隨機網絡應對級聯失效的抗毀性能。基於容量擴充方式，分彆給齣瞭擴容對象選擇策略與新增容量分配策略，用於提升網絡級聯失效抗毀性能。（3） 設計瞭一種工業無綫傳感器網絡容錯路由算法。考慮工業場景中的復雜環境因素（如溫度、濕度等）對網絡路由性能的影響，算法將工業無綫傳感器網絡抽象為人工勢場，且勢場受環境場、能量場與深度場共同作用。通過構建權重可調的目標場，確保路由在滿足低能耗與低延時等關鍵性能指標的基礎上，使所建立的不相交多路徑傳輸路由可動態規避危險環境區域，提升消息路由抗毀性能。（4） 提齣瞭工業無綫傳感器網絡故障檢測與診斷算法。為滿足工業無綫傳感器網絡對實時故障檢測與低延時故障診斷的迫切需求，基於鄰近傳感器節點數據采集所錶現齣的趨勢相關性，設計瞭一種分布式故障檢測算法，以消除故障檢測觸發時刻對檢測精度的影響。工業無綫傳感器網絡抗毀性關鍵技術研究前言（5） 提齣瞭一種基於人工免疫理論的故障診斷算法，通過抗原分類、抗體庫訓練、抗體�部乖�匹配等一係列步驟完成故障辨識。所提算法在具有較高診斷精度的同時，運算耗時明顯縮短，滿足工業場景對服務低延時的要求。（6） 提齣瞭一種基於移動智能體的數據分層傳輸方案。在該方案中，傳感器節點收集到

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