制造車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計及路由與定位算法研究.pdf

1、制造車間的數(shù)字化和智能化是制造企業(yè)信息化發(fā)展的必然趨勢。目前生產(chǎn)過程中普遍存在多源信息采集費時滯后、生產(chǎn)狀態(tài)難以全面監(jiān)控、在制品和制造資源難以精確跟蹤等問題，只有通過采用以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，才能實現(xiàn)制造資源之間的互聯(lián)、互感，以及執(zhí)行狀態(tài)的主動感知和全方位監(jiān)控，從而達到對制造過程與資源的智能調(diào)度與優(yōu)化決策目標(biāo)。由于車間物理環(huán)境的復(fù)雜性及對數(shù)據(jù)采集的實時性、準(zhǔn)確性和高質(zhì)量的要求，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于制造車間中時還存在很多技

2、術(shù)難點，包括傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、多類型數(shù)據(jù)的采集與可靠傳輸、移動制造資源的高精度定位等等，本文針對這些關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，并結(jié)合典型制造企業(yè)進行了應(yīng)用實現(xiàn)。具體研究內(nèi)容如下：
　　分析了制造車間無線傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性，引入無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)和局域世界網(wǎng)絡(luò)的演化模型，構(gòu)造了更符合實際無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量感知局域世界演化模型。統(tǒng)計結(jié)果表明適當(dāng)增加少量節(jié)點的通信范圍可以有效提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?。在此理論基礎(chǔ)上，在傳感網(wǎng)絡(luò)中引入具有更高

3、能量、存儲容量大和數(shù)據(jù)處理能力強的高級節(jié)點，構(gòu)建具有小世界特性的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該種網(wǎng)絡(luò)模型可以減少數(shù)據(jù)傳輸時間延遲，降低節(jié)點通信能耗，均衡節(jié)點負載，還改善了網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點隨機失效的容錯性。
　　分析了制造過程中數(shù)據(jù)采集方式和多類型傳輸模式。針對車間中周期性信息傳輸?shù)膽?yīng)用場景，設(shè)計了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的不平等分簇路由算法，其引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的群落檢測方法，該算法能很好地平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗及提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率。對于多種信息傳輸模式共存的場景，分

4、析了不同類型傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量要求，設(shè)計了提供多種結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并提出了多路徑路由算法，為具有不同優(yōu)先級的信息提供合適的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足制造車間多類型信息傳輸?shù)膶崟r性需求。
　　分析了制造車間移動資源無線定位的應(yīng)用需求，并基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)對移動資源進行定位。以蒙特卡羅方法為基本思想，分別設(shè)計了免于測距和基于接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）測距的蒙特卡羅定位算

5、法。在免于測距的定位算法中，引入了高斯-馬爾科夫運動模型模擬制造車間移動資源的運動軌跡，根據(jù)前一時刻移動節(jié)點的估計位置和運動模型，預(yù)測當(dāng)前時刻的節(jié)點可能出現(xiàn)的范圍，并進行取樣和估計。在基于RSSI測距的蒙特卡羅定位算法中，通過參考節(jié)點和移動節(jié)點之間的RSSI測距，對移動節(jié)點的取樣范圍進一步約束，從而提高樣本質(zhì)量和采樣效率。兩種定位算法的精度比經(jīng)典蒙特卡羅定位算法有了較大提升。
　　在上述關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的