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面向智能制造的工业无线网络服务质量优化关键技术研究

李小敏  
【摘要】:在以多品种、小批量、个性化等为特征的新一代智能制造系统下,分布式制造单元以协作、自组织形式完成生产制造任务,因此各个制造单元之间的互联互通具有重要意义。工业无线网络依靠其无需布线、灵活性强等诸多优势成为了连接智能制造各个组件关键性的网络通信技术,是实现智能制造的重要基础。然而,智能制造系统智能化、高柔性、移动性、可重构等层面的新特征,对工业无线通信系统的网络服务质量,尤其是实时性与能效,提出了新的需求。同时,无线网络的服务质量又会反过来直接影响智能制造系统其他方面的性能。鉴于网络服务质量对工业无线网络的重要性与对智能制造系统的影响,本文以簇状拓扑结构无线通信系统为基础,对面向智能制造环境下的工业无线网络实时性与能效两个主要服务质量层面的优化关键技术进行了研究。而影响网络实时性与能效因素众多,主要包括关键节点部署、移动节点切换、数据网络传输、网络负载等几个方面。为此,本文从网络节点、传输、网络、实施四个层面,对前述多个因素涉及的问题进行了深入研究,提出了相关优化方法与实施验证,旨在提高整个面向智能制造环境下的工业无线网络服务质量。具体的研究内容与成果如下:在网络节点层面,针对现有网络节点部署的局限性与智能制造无线通信系统的特点,提出了实时性限制的无线网络簇首节点部署策略。首先,将网络中静态节点与移动节点路径覆盖问题抽象为一维目标点覆盖问题,提出基于实时性限制的工业无线网络簇首部署算法,旨在网络全覆盖的前提条件保障网络的实时性与低能耗。在此基础上,为减少分簇子网之间的簇间干扰,设计了基于改进虚拟力的簇首位置调整部署策略。实验结果表明,本文提出的簇首节点部署策略达到了保证实时性与稳定性、降低能耗的目的。针对传统无线网络在移动切换策略方面的不足,结合制造环境下移动元素的工作特性,提出了工业无线网络移动节点实时性切换策略。首先,设计了基于云辅助的移动节点切换算法,以减少移动节点在切换过程中的网络扫描、切换决策时间。以此为基础,进一步为保证移动节点切换完成后接入分簇子网的实时性,基于双信息素蚁群算法提出了移动节点切换分簇子网选择方法。实验对比结果验证了所提出的移动节点切换策略在能耗、实时性、切换次数等层面具有明显优势。在传输层面,提出了基于时限分级与数据缓存的网络实时性传输策略。对簇间成员之间的数据通信传输时限要求进行了分级;分别提出了基于路径差异度的低时限数据传输方法和最优发射功率控制的高时限数据传输算法。对于数据分发类型的传输问题,设计了基于移动路径有效覆盖的分布式数据缓存算法和移动节点快速数据获取方法,以实现工业无线网络数据的快速分发。最后,通过实验验证了所提数据传输策略具有实时性强、能耗低等优势。从网络层面,针对具有周期性时空变化特性的工业无线网络负载问题,提出了基于实时性与能效约束的网络负载均衡策略。首先,将网络的工作周期划分为多个时间片段,在空间层面将工业无线网络按照分簇结构分割为多个子区域,进而建立时空域内的网络负载模型。以此为基础,提出了基于最优簇首分配的网络负载均衡策略。同时,为降低簇首能耗提出了优化网络能耗利用率的无线簇首动态休眠方法。最后,通过仿真对比实验说明了基于实时性与能效约束的网络负载均衡策略对于能效、实时性等方面的有效性。从实施层面,基于课题组自主设计的智能制造原型系统,构建了面向智能制造场景的工业无线网络实施验证平台。随后,对本文相关章节所提出的部分算法与结论进行了实施与验证。最后,通过对数据传输时延、数据成功接收比、能耗等网络性能指标的测试与分析,证明了试验结果与理论分析的一致性。同时也说明了本文面向智能制造环境下的工业无线网络服务质量优化关键技术研究成果,具有较好的实际价值。


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