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工业无线传感器网络抗毁性关键技术研究 
定 价：128 元 丛书名：智能制造与机器人理论及技术研究丛书
9 7 0 8 3 7 5 5 8 6 9 8 7 
无线传感器网络（WSNs）已成为各种工业物联网应用中的核心技术。全书共分为十章，主要针对工业无线传感器网络规模化应用的主要技术瓶颈——抗毁性问题，从复杂网络角度出发，对工业无线传感器网络抗毁性能进行系统深入的研究：网络拓扑演化与优化配置机制；负载容量模型与优化策略；容错路由选择算法；故障检测与诊断方法；基于移动智能体的智能车间数据传输方案。最后，给出了抗毁性仿真测试平台和工程实验系统。可作为计算机、物联网、物流工程、机械制造及自动化等专业高校学生的参考用书，也可供从事工业物联网及复杂网络系统优化研究和从事工业系统控制及智能制造等领域工程开发的科技人员参考。
本书对核心技术无线传感器网络的抗毁性问题进行研究，给出了仿真测试平台和实验系统，参考价值高。
伴随“中国制造2025”战略的全面实施，我国工业正加速结构调整，淘汰落后产能，应用信息化、智能化手段推进工业化转型升级的进程日益加快，一股机器人技术应用热潮正在到来。工业物联网作为驱动工业向网络化、智能化升级的重要引擎，它的出现为突破我国工业当前所面临的信息化、智能化发展瓶颈提供了新的机遇。由于具有成本低、组网便捷、布置简便、嵌入能力强、集成方便等优点，无线传感器网络（WSNs）已成为各种工业物联网应用中的核心技术，并将在这场工业信息化革命中发挥至关重要的作用。在工业场景中，由于受到规模巨大、网络异构、传递时延、有向传输等内在因素以及外部环境干扰因素的共同作用，无线传感器网络面临着十分严峻的工作环境，其抗毁性问题已经成为制约工业物联网规模化应用的主要技术瓶颈。如何维持无线传感器网络长时间稳定可靠运行，提升其抗毁性，是国内外学者普遍关注的热点学术问题。当前围绕工业无线传感器网络抗毁性问题，尚有许多关键理论和技术问题有待解决和完善。本书依据网络构建流程从四个方面探讨工业无线传感器网络抗毁性能优化：①在网络初始化阶段，通过对拓扑与容量参数进行优化配置，提升网络抵御随机失效与级联失效的能力；②在网络运行阶段，通过路由选择优化，实现感知数据的安全可靠传输；③在网络维护阶段，通过引入故障检测与诊断机制，解决网络因节点故障状态信息缺失所导致的后期维护难题；④在此基础上，面向智能工厂中的移动智能体设备，将车间中的现场总线网络和无线传感器网络集成为一个数据分层传输网络，通过合理运用移动智能体载运数据来提高车间网络的数据传输能力和效率，从而进一步提高网络的抗毁性能。本书主要的内容结构如下：（1）设计了一种工业无线传感器网络分簇拓扑演化机制。针对无线传感器网络在复杂工业环境下的拓扑抗毁性难题，构建了一种分簇无标度局域世界演化模型，使所生成的网络拓扑贴近真实工业情形且容错性能较优。基于平均场理论证明了拓扑度分布符合幂律分布。考虑数据传输有向性，构造了一种用于评估网络负载均衡程度的有效测度——有向介数网络结构熵，并基于小世界网络理论提出了一种长程连接布局策略，有效解决了因无标度拓扑度分布异质性所引发的能量空洞问题。（2）提出了一种面向级联失效的工业无线传感器网络容量优化策略。针对工业无线传感器网络因遭受数据流量冲击所导致的级联失效问题，通过分析真实分簇网络动态负载变化规律，引入感知负载与中继负载概念，构建了一种参数可调的负载——容量模型，并分别研究了分簇无标度网络与分簇随机网络应对级联失效的抗毁性能。基于容量扩充方式，分别给出了扩容对象选择策略与新增容量分配策略，用于提升网络级联失效抗毁性能。（3）设计了一种工业无线传感器网络容错路由算法。考虑工业场景中的复杂环境因素（如温度、湿度等）对网络路由性能的影响，算法将工业无线传感器网络抽象为人工势场，且势场受环境场、能量场与深度场共同作用。通过构建权重可调的目标场，确保路由在满足低能耗与低延时等关键性能指标的基础上，使所建立的不相交多路径传输路由可动态规避危险环境区域，提升消息路由抗毁性能。（4）提出了工业无线传感器网络故障检测与诊断算法。为满足工业无线传感器网络对实时故障检测与低延时故障诊断的迫切需求，基于邻近传感器节点数据采集所表现出的趋势相关性，设计了一种分布式故障检测算法，以消除故障检测触发时刻对检测精度的影响。工业无线传感器网络抗毁性关键技术研究前言（5）提出了一种基于人工免疫理论的故障诊断算法，通过抗原分类、抗体库训练、抗体抗原匹配等一系列步骤完成故障辨识。所提算法在具有较高诊断精度的同时，运算耗时明显缩短，满足工业场景对服务低延时的要求。（6）提出了一种基于移动智能体的数据分层传输方案。在该方案中，传感器节点收集到的数据首先传输到附近的现场总线节点，然后将现场总线节点中的数据划分为不同的优先级，高优先级数据通过现场总线传输到基站，低优先级数据通过移动智能体传输到基站。该方案可显著提升现场总线的数据传输效率，并明显改善传感器节点的使用寿命。（7）搭建了工业无线传感器网络抗毁性仿真平台，用于测试所提理论方法。针对工业无线传感器网络抗毁性仿真平台匮乏现状，结合工业无线传感器网络性能明显受环境因素影响与抗毁性行为受事件驱动等特征，引入部署环境组件与事件生成器，构建了一个工业无线传感器网络抗毁性仿真平台。（8）选取典型工业场景，搭建了一个工业无线传感器网络实验系统，验证了所提理论方法的实际性能。实际测试结果表明：所提理论方法能够有效提升实际工业无线传感器网络系统的抗毁性能。本书以解决工业无线传感器网络抗毁性问题为目标，研究用于提升网络抗毁性能的相关理论与方法，得到了国家自然科学基金（61571336）和湖北省自然科学基金（2014CFB875）的资助。在全书内容研究与编写过程中，武汉理工大学物流与机器人技术实验室的老师、博士生和硕士生们投入了很大的精力。大家广泛查阅当前工业物联网特别是工业无线传感器网络的国内外最新研究成果，以理论联系实际为准则，注重所提出理论的创新性与方法的实用性，使其能够用于解决实际工程问题。在全书的编写和订正过程中，博士生段莹和罗云参与了其中重要的工作，并具体撰写了第8章。在本书的编写和出版过程中，得到了国内外许多专家、学者的热情帮助，也得到了华中科技大学出版社编辑们的大力支持。在此，我们一并致以由衷的感谢。由于时间紧迫，成稿仓促，难免挂一漏万，书中也难免存在不妥甚至错误之处，我们诚恳地希望各位专家读者不吝赐教与指正。这将是我们完善研究成果，推进工程应用的重要途径，对此我们表示诚挚的感谢。
李文锋，武汉理工大学二级教授，博士生导师。瑞典皇家工学院自治系统研究中心访问学者，美国新泽西理工大学和美国纽约大学访问教授。湖北省有突出贡献的中青年专家。中国人工智能学会智能制造专业委员会常务委员，中国机械工程学会机器人专业委员会委员，教育部高等学校物流管理与工程类教学指导委员会委员，IEEE高级会员。主要研究方向为环境感知与系统协作控制，物流自动化与机器人技术，物流供应链仿真与规划，物联网与物流信息化技术，智能制造，人机工程与健康监护。先后承担国家自然科学基金项目、国家“十一五”“十二五”科技支撑计划项目、国家“863计划”项目。先后发表科研论文近300篇，专著6本，有100余篇次被三大检索（SCI、EI、ISTP）收录，获国家发明专利10多项。先后获得省部级科技进步一等奖2项、二等奖7项、三等奖1项。符修文，男，河南洛阳人，讲师，博士。博士毕业于武汉理工大学机械工程专业，现就职于上海海事大学物流科学与工程研究院。主要研究方向为工业无线传感器网络，已发表论文12篇，其中SCI/EI检索论文8篇，获得国家授权发明专利3项。
第1章 概述 10
1.1工业物联网 10
1.2工业无线传感器网络 11
1.3工业场景对传感器网络性能影响 13
1.4工业无线传感器网络抗毁性定义 14
1.5研究趋势与存在的问题 14
1.5.1 研究趋势 14
1.5.2 存在的问题 16
1.6 本书研究的目的与意义 16
参考文献 18
第2章 网络受损类型与抗毁性测度 20
2.1 网络受损类型 20
2.1.1 随机性受损 20
2.1.2 被选择性受损 20
2.1.3 组织性受损 22
2.2 受损起因 23
2.2.1 能耗失效 23
2.2.2 故障失效 23
2.2.3 攻击失效 23
2.3抗毁性测度 25
2.3.1 非拓扑性测度 26
2.3.2 拓扑性测度 26
2.3.3 无线传感器网络抗毁性测度 27
2.3.4 工业无线传感器网络抗毁性测度设计 28
2.4 小结 29
参考文献 29
第3章 抗毁性拓扑优化 34
3.1 研究现状 34
3.1.1 无标度网络 34
3.1.2 小世界网络 36
3.2 分簇无标度局域世界演化模型 38
3.2.1 网络模型说明 38
3.2.2 拓扑演化模型 39
3.2.3 度分布理论分析 41
3.2.4 仿真结果与分析 44
3.3 基于小世界网络的长程连接布局策略 54
3.3.1 有向介数网络结构熵 54
3.3.2 长程连接布局策略 57
3.3.3 仿真结果与分析 58
3.4 本章小结 62
参考文献 63
第4章 抗毁性容量优化 66
4.1 研究现状 66
4.2 分簇网络级联失效分析 67
4.2.1 负载-容量模型 67
4.2.2 负载分配策略 68
4.2.3 级联失效抗毁性测度 69
4.2.4 能量无关的分簇演化模型 70
4.2.5 理论分析 72
4.2.6 仿真结果与分析 75
4.3 面向级联失效的节点容量优化策略 79
4.3.1 扩容节点选择策略研究 79
4.3.2 新增容量分配策略研究 81
4.4 本章小结 82
参考文献 83
第5章 抗毁性路由优化 84
5.1 研究现状 84
5.1.1 多路径路由基本原理 84
5.1.2 多路径路由典型算法 86
5.2 势场建模方法 87
5.2.1 环境场 87
5.2.2 其它势场 90
5.3 基于势场的不相交多路径容错路由算法 91
5.3.1 算法流程说明 91
5.3.2 消息与缓存列表格式 92
5.3.3 主路径建立过程 94
5.3.4 第2条路径建立过程 97
5.3.5 退火机制 99
5.3.6 数据分发策略 99
5.3.7 路由维护机制 100
5.4 仿真结果与分析 101
5.5.1 仿真参数设定 101
5.5.2 势场分析 102
5.5.3 不同参数设定下路由性能分析 105
5.5.4 不同算法路由性能对比分析 109
5.5 本章小结 111
参考文献 111
第6章 网络故障检测 113
6.1 研究现状 113
6.2 故障分类 114
6.3 基于趋势相关性的故障检测算法 115
6.3.1 趋势相关性 117
6.3.2 邻域中值 117
6.3.3 故障检测算法流程 118
6.3.4 故障检测触发机制 120
6.3.5 分簇故障检测算法改进 122
6.4 仿真结果与分析 123
6.4.1 仿真实验设置 123
6.4.2 仿真实验结果 123
6.5 本章小结 128
参考文献 128
第7章 网络故障诊断 130
7.1 研究现状 130
7.2基于人工免疫理论的故障诊断相关概念 131
7.3 基于人工免疫理论的故障诊断算法 133
7.3.1 抗原分类 133
7.4 仿真结果与分析 137
7.4.1 仿真设置 137
7.4.2 仿真结果 138
7.4.3 诊断算法复杂度分析 140
7.5 本章小结 141
参考文献 141
第8章 基于移动智能体的数据分层传输方案 143
8.1 研究现状 143
8.3 问题描述 144
8.4 移动智能体调度方案设计 148
8.4.1 算法变量描述 148
8.4.2 非加工任务资源需求评估 150
8.4.3 非加工任务资源需求评估 151
8.5 仿真结果与分析 154
8.5.1度量指标和初始值设定 154
8.5.2 仿真结果 155
8.6 本章小结 157
参考文献 157
第9章 抗毁性仿真测试平台 159
9.1研究现状 159
9.2平台体系架构 160
9.3 功能模块设计 160
9.3.1 部署环境组件 160
9.3.2 个体节点组件 162
9.3.3 网络拓扑组件 162
9.3.4 路由组件 163
9.3.5 事件生成器 163
9.3.6 事件调度中心 164
9.3.7 数据动态统计与分析组件 165
9.3.8 数据静态统计与分析组件 165
9.3.9 静态/动态显示组件 165
9.4 仿真流程设计 165
9.5 用户界面设计 166
9.6 节点故障与外部环境关联设定 167
9.6.1 故障概率函数 167
9.6.2 性能衰减函数 168
9.7 平台性能测试 169
9.7.1 对比性能测试 169
9.7.2 抗毁性功能测试 170
9.8 结论 171
参考文献 172
第10章 实验系统搭建与测试 173
10.1 实验系统 173
10.1.1实验系统组成 173第1章 概述 10
1.1工业物联网 10
1.2工业无线传感器网络 11
1.3工业场景对传感器网络性能影响 13
1.4工业无线传感器网络抗毁性定义 14
1.5研究趋势与存在的问题 14
1.5.1 研究趋势 14
1.5.2 存在的问题 16
1.6 本书研究的目的与意义 16
参考文献 18
第2章 网络受损类型与抗毁性测度 20
2.1 网络受损类型 20
2.1.1 随机性受损 20
2.1.2 被选择性受损 20
2.1.3 组织性受损 22
2.2 受损起因 23
2.2.1 能耗失效 23
2.2.2 故障失效 23
2.2.3 攻击失效 23
2.3抗毁性测度 25
2.3.1 非拓扑性测度 26
2.3.2 拓扑性测度 26
2.3.3 无线传感器网络抗毁性测度 27
2.3.4 工业无线传感器网络抗毁性测度设计 28
2.4 小结 29
参考文献 29
第3章 抗毁性拓扑优化 34
3.1 研究现状 34
3.1.1 无标度网络 34
3.1.2 小世界网络 36
3.2 分簇无标度局域世界演化模型 38
3.2.1 网络模型说明 38
3.2.2 拓扑演化模型 39
3.2.3 度分布理论分析 41
3.2.4 仿真结果与分析 44
3.3 基于小世界网络的长程连接布局策略 54
3.3.1 有向介数网络结构熵 54
3.3.2 长程连接布局策略 57
3.3.3 仿真结果与分析 58
3.4 本章小结 62
参考文献 63
第4章 抗毁性容量优化 66
4.1 研究现状 66
4.2 分簇网络级联失效分析 67
4.2.1 负载-容量模型 67
4.2.2 负载分配策略 68
4.2.3 级联失效抗毁性测度 69
4.2.4 能量无关的分簇演化模型 70
4.2.5 理论分析 72
4.2.6 仿真结果与分析 75
4.3 面向级联失效的节点容量优化策略 79
4.3.1 扩容节点选择策略研究 79
4.3.2 新增容量分配策略研究 81
4.4 本章小结 82
参考文献 83
第5章 抗毁性路由优化 84
5.1 研究现状 84
5.1.1 多路径路由基本原理 84
5.1.2 多路径路由典型算法 86
5.2 势场建模方法 87
5.2.1 环境场 87
5.2.2 其它势场 90
5.3 基于势场的不相交多路径容错路由算法 91
5.3.1 算法流程说明 91
5.3.2 消息与缓存列表格式 92
5.3.3 主路径建立过程 94
5.3.4 第2条路径建立过程 97
5.3.5 退火机制 99
5.3.6 数据分发策略 99
5.3.7 路由维护机制 100
5.4 仿真结果与分析 101
5.5.1 仿真参数设定 101
5.5.2 势场分析 102
5.5.3 不同参数设定下路由性能分析 105
5.5.4 不同算法路由性能对比分析 109
5.5 本章小结 111
参考文献 111
第6章 网络故障检测 113
6.1 研究现状 113
6.2 故障分类 114
6.3 基于趋势相关性的故障检测算法 115
6.3.1 趋势相关性 117
6.3.2 邻域中值 117
6.3.3 故障检测算法流程 118
6.3.4 故障检测触发机制 120
6.3.5 分簇故障检测算法改进 122
6.4 仿真结果与分析 123
6.4.1 仿真实验设置 123
6.4.2 仿真实验结果 123
6.5 本章小结 128
参考文献 128
第7章 网络故障诊断 130
7.1 研究现状 130
7.2基于人工免疫理论的故障诊断相关概念 131
7.3 基于人工免疫理论的故障诊断算法 133
7.3.1 抗原分类 133
7.4 仿真结果与分析 137
7.4.1 仿真设置 137
7.4.2 仿真结果 138
7.4.3 诊断算法复杂度分析 140
7.5 本章小结 141
参考文献 141
第8章 基于移动智能体的数据分层传输方案 143
8.1 研究现状 143
8.3 问题描述 144
8.4 移动智能体调度方案设计 148
8.4.1 算法变量描述 148
8.4.2 非加工任务资源需求评估 150
8.4.3 非加工任务资源需求评估 151
8.5 仿真结果与分析 154
8.5.1度量指标和初始值设定 154
8.5.2 仿真结果 155
8.6 本章小结 157
参考文献 157
第9章 抗毁性仿真测试平台 159
9.1研究现状 159
9.2平台体系架构 160
9.3 功能模块设计 160
9.3.1 部署环境组件 160
9.3.2 个体节点组件 162
9.3.3 网络拓扑组件 162
9.3.4 路由组件 163
9.3.5 事件生成器 163
9.3.6 事件调度中心 164
9.3.7 数据动态统计与分析组件 165
9.3.8 数据静态统计与分析组件 165
9.3.9 静态/动态显示组件 165
9.4 仿真流程设计 165
9.5 用户界面设计 166
9.6 节点故障与外部环境关联设定 167
9.6.1 故障概率函数 167
9.6.2 性能衰减函数 168
9.7 平台性能测试 169
9.7.1 对比性能测试 169
9.7.2 抗毁性功能测试 170
9.8 结论 171
参考文献 172
第10章 实验系统搭建与测试 173
10.1 实验系统 173
10.1.1实验系统组成 173
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