高可靠實時工業無線網路中通信資源集中調度機制研究

《高可靠實時工業無線網路中通信資源集中調度機制研究》是依託北京交通大學，由楊冬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高可靠實時工業無線網路中通信資源集中調度機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊冬
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

基於無線感測器網路的工業無線技術已成為物聯網最活躍的發展方向之一，有望成為繼現場匯流排之後工業控制領域的又一革命性技術。由於工業環境的特殊性，現有依賴分散式算法的無線感測器網路技術無法滿足工業套用的苛刻要求，集中控制設計思想開始受到關注。然而工業級的通信資源集中調度研究屬交叉領域，涉及控制、最佳化、通信、計算機等多學科，算法設計複雜，研究成果匱乏。本項目研究工業無線網路協定棧中關鍵通信資源的集中調度算法，研究內容包括：在網路層，首次研究支持多路徑、多度量標準的集中調度圖路由協定；在數據鏈路層，首次提出支持超幀重調度、多超幀調度的時隙信道雙重調度算法；在解決以上兩層資源調度的基礎上，深度發掘網路層圖路由調度與數據鏈路層信道調度的跨層順序依賴性，首次研究集中控制模式下工業無線網路全面跨層調度算法。本項目旨在發掘集中控制模式下無線網路設計面臨的新問題，為實現高可靠實時工業無線網路奠定理論和技術基礎。

結題摘要

工業無線技術被普遍認為是繼現場匯流排之後工業控制領域的革命性熱點技術，是提高生產效率、提升產品質量、節約能源和降低排放的重要技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。本項目研究集中控制模式下通信資源的調度機制和算法，項目的研究內容包括：①集中調度圖路由協定及路由度量算法研究；②完備的時隙與信道雙重調度算法研究；③集中控制下的跨層調度機制研究。項目的執行嚴格按照以上研究內容開展。針對研究內容“集中調度圖路由協定及路由度量算法研究”，已發表學術論文2篇，申請發明專利2項；針對研究內容“完備的時隙與信道雙重調度算法研究”，已發表學術論文3篇，申請發明專利2項；針對研究內容“集中控制下的跨層調度機制研究”，已發表學術論文3篇；針對高可靠實時工業無線網路系統構架和套用推廣方面，已發表學術論文5篇。另外，在研究生培養方面，博士畢業生3名，在讀博士生3名，碩士畢業生8名。本項目的重要研究成果包括：①目前學術界和工業界已經開展了大量關於無線感測器網路套用所面臨挑戰的研究。然而，現有的關於無線感測器網路套用所面臨挑戰主要停留在對惡劣工業射頻環境、苛刻工業套用需求的一般性分析，或者對現有的工業無線感測器網路標準的分析。缺乏一個建立在工業無線感測器網路完整系統和具體套用基礎上的系統分析。本項對工業無線感測器網路在實際套用過程中面臨的挑戰進行了系統總結和分析，這些挑戰包括：受限的時隙資源、支持實時功能的時隙重調度、工業與網路的知識融合挑戰、集中化控制的結構、Safety級別的套用難題和工業套用QoS滿足等問題。項目成果已發表SCI期刊論文。②現有的工業無線感測器網路標準主要定義機制（協定固有的屬性，例如基於TDMA的MAC協定、集中圖路由等），缺乏具體策略（協定具體套用的算法，例如實現TDMA、圖路由的資源調度算法）的定義。本項目系統性研究了工業無線感測器網路具體套用時的策略算法，其中兩個核心算法分別發表在1區和2區的SCI期刊。③在理論研究的基礎上，本項目還實現了一套工業無線感測器網路的實際系統，並且成果已經套用在北京時代科技股份有限公司的焊機群無線監控系統，產品型號為MS02-09，與北京時代科技股份有限公司的焊機產品一起參加了2015年上海召開的埃森展。原型系統在無線感測器網路頂級會議ACM/IEEE IPSN 2014以Demo形式現場展示。