一种面向工业现场状态监控的传感节点通信资源预留方法

1.本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种面向工业现场状态监控的传感节点通信资源预留方法。


背景技术：

2.随着制造业生产技术的蓬勃发展，工业无线网络在工业自动化中有着广泛的应用，如生产过程状态监控、生产设备在线检测、检修维护任务生成等，不同的应用对数据传输的性能有着不同的要求。例如，在以设备故障报警等应用中，要求报警信号拥有最高优先级优先传输。而在生产过程状态监控任务中，为了对系统全部状态进行估计，要求传输到估计器的信息必须满足系统的能观性条件。现有面向工业无线监控应用的方法通常将能观性作为感知和控制的前提假设，因此，研究面向工业现场级感知应用的传输节点通信资源预留机制十分重要。
3.同时，工业现场环境复杂，周期性的系统监控业务与突发的故障报警应用共存，且工业现场的应用通常需要多个传感节点进行监控，不同传感节点对监控性能的影响各异。例如，生产过程状态监控任务中，关键指标/位置的状态信息相比于非关键节点更为重要；但当出现设备故障时，报警信号应为最高优先级优先传输。然而现有工业无线系统主要以传输有效性为设计目标，可能会出现频繁激活同一传感节点的情况，缩短系统使用寿命，从而导致系统性能下降。因此如何合理设计传感节点优先级，在满足系统需求的同时尽可能均衡的触发传感节点，提升系统使用寿命，成为亟需解决的问题。
4.此外，大量的感知与控制节点存在于工业现场中，在这些关键任务机器类型通信(c-mtc)中，预计会出现大量上行链路主导的时延敏感传输，使得上行链路调度成为关键问题。然而，传统无线通信系统采用共享式的资源分配调度方式，即基于动态调度策略实现用户数据的传输，具有底层信令交互过多的缺点，竞争性的随机接入机制可能会导致不同节点同时请求建立链接，从而引起网络堵塞。为此，需要为周期性的工业监控应用设计无线资源预留机制，减小网络堵塞。
5.针对以上特点，考虑一个现场子网中设备通过蜂窝上行链路接入网络，采用半静态调度技术，通过将上行时频资源分为动态接入资源块和半静态调度资源块，提前为面向状态估计应用的设备预留传输资源。方案的整体思路为：设计离线传感节点能观分集算法，保证每个预留集合的联合能观性，确定最少的预留资源数量，根据触发次数定义每个传感节点的优先级，以系统感知误差为约束条件，最小化系统通信代价建立优化问题，得到资源预留方案。
6.经对现有文献检索发现，最相近似的实现方案为中国专利申请号为：202110312461.2，名称为：一种面向工业监控的基于非正交多址接入的按需传输方法。其具体做法为：通过确定评估传输方案的性能指标，构建异构传输需求和频谱受限约束下的能量效率最大化问题，分析不同监控应用对传输性能的需求，设计基于匹配理论的信道分配算法，确定信道分配关系。然而，该方法可能导致具有较高传感精度的节点被频繁触发，降
低系统使用寿命的问题；同时，对优化问题的求解对网络控制器的计算能力要求较高。
7.现有的面向工业监控应用的按需传输资源分配方法通常假设单个传感节点对系统状态可观，不符合现场子网内传感节点对系统状态感知能力有限的现状。现有基于动态调度策略，具有底层信令交互过多的缺点，复杂的握手过程也会导致较大的访问延迟，同时竞争性的随机接入机制可能引起网络堵塞。现有工业网络下基于周期性调度的预留方法，忽略了数据包传输内容对系统监控性能的影响，可能导致在频谱有限的场景下高优先级数据未被及时传输，从而难以满足系统性能需求。现有面向工业网络的资源调度方法需要实时求解优化问题，对设备计算能力要求较高。
8.因此，本领域的技术人员致力于开发一种面向工业现场状态监控的传感节点通信资源预留方法。弥补了单个传感节点感知能力不足的问题，避免了单个传感节点被频繁触发电量损失过大导致工业现场人工点检频率增加的问题，保证系统整体监控性能。


技术实现要素：

9.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对传感节点只能观测部分系统状态的情况，寻找可以通过数据融合方法解析系统状态的可用传感节点分集；根据传感节点激活的历史记录，动态定义不同传感节点集合的传输优先级，减少部分传感节点频繁激活而引起的能耗增加，延长传感节点使用寿命；在预留决策时，通过对传感节点集合能否满足应用要求设计判别条件进行判断，保证监控应用需求；离线-在线计算相结合，设计基于优先级的调度方法避免在线求解复杂优化问题。
10.为实现上述目的，本发明提供了一种面向工业现场状态监控的传感节点通信资源预留方法，在保证每个预留集合的能观性要求下，设计离线传感节点能观分集算法，确定最少的预留资源数量，根据触发次数定义每个传感节点的优先级，以系统感知误差为约束条件，最小化系统通信代价建立优化问题，利用启发式方法得到在线资源预留方案。
11.进一步地，包括离线的面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法和在线的根据节点优先级的资源预留方法。
12.进一步地，所述面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，边缘服务器与通信基站之间可靠连接，利用边缘服务器离线计算满足系统信息融合条件的候选传感节点集合；其中，n
max
为可用于资源预留的资源总数。
13.进一步地，所述面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，包括以下步骤：
14.步骤1.1、通过遍历得到当前系统中元素小于或等于n
max
的所有传感节点集合；
15.步骤1.2、根据传感节点的感知功能构造该集合的观测方程；
16.步骤1.3、判别每个集合是否符合系统信息融合条件，将符合条件的集合存入边缘服务器中作为资源预留候选集合；
17.步骤1.4、对每个集合计算噪声协方差矩阵，用于后续无线资源分配决策。
18.进一步地，所述步骤1.2中，构造的传感节点集合的观测方程能够用于判断当前候选集合是否包含估计系统全部状态所需要的信息。
19.进一步地，所述步骤1.3中，系统信息融合条件可根据不同的状态估计算法确定。
20.进一步地，所述在线的根据节点优先级的资源预留方法，动态更新传感节点集合优先级，根据系统性能需求确定最终激活传感节点集合及资源分配结果。
21.进一步地，所述在线的根据节点优先级的资源预留方法，包括以下步骤：
22.步骤2.1、基站根据当前的信道状态确定可用资源数量n，远程控制器确定当前系统状态估计应满足的阈值条件tr(p)≤m；
23.步骤2.2、在元素数量小于或等于n的所有集合中，按优先级进行排序；
24.步骤2.3、根据系统状态估计要求确定资源预留集合。
25.进一步地，所述在线的根据节点优先级的资源预留方法，用于根据当前信道状态与系统需求确定当前应预留通信资源的传感节点集合。
26.进一步地，所述步骤2.3中，对当前传感节点集合能否满足系统性能要求进行判断，选出符合条件的优先级最高的传感节点集合作为资源预留集合，包括以下步骤：
27.步骤2.3.1、初始化传感节点集合选择变量j＝1；
28.步骤2.3.2、初始化系统当前时刻先验协方差p
t|t-1
＝ap
t-1|t-1at
+q，其中a为系统矩阵，q为系统过程噪声协方差矩阵。
29.步骤2.3.3、选择优先级排序为j的集合，求解其中，pj为传感节点集合j对应的信息矩阵；
30.步骤2.3.4、如果tr(p)≤m，则令当前传感节点集合为资源预留集合；
31.步骤2.3.5、如果tr(p)＞m，则令变量j＝j+1，重复所述步骤2.3.3，直到选择出符合条件的传感节点集合；
32.步骤2.3.6、更新当前系统状态估计的后验协方差为p
t|t
＝p。
33.在本发明的较佳实施方式中，本发明的目的在于以保障监控系统性能为目标，提供一种面向工业无线网络的预测性通信时频资源分配方法，可实现工业现场频谱资源的高效利用。
34.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
35.整个技术方案由离线计算与在线分配两部分组成。在离线设计阶段，通过设计系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，对所有传感节点进行分集，在线计算阶段，设计预测性通信时频资源分配方法，基于每个集合的优先级，做出资源预留决策。
36.离线计算部分，执行系统状态估计的现场子网传感节点分集算法，在边缘服务器离线计算满足系统条件的传感节点集合。
37.第一步，利用枚举法构造所有个数小于或等于系统传感节点总数n的传感节点集合
38.第二步，根据传感节点的感知功能构造每个集合的观测方程yi＝cix+υi，其中ci和υi分别为集合i中所有传感节点的观测矩阵与观测噪声向量的组合。
39.第三步，判别每个集合是否符合系统信息融合条件将符合条件的集合存入边缘服务器中作为资源预留候选集合。
40.在线计算部分，执行预测性通信时频资源分配方法，在线计算当前每个集合的优先级，确定资源分配结果。
41.第一步，初始化每个传感节点优先级pk。
42.第二步，选择可用传感节点集合，并进行优先级排序，包括以下步骤：
43.2.1在候选集合中，选择元素数量小于或等于n的所有传感节点集合。
44.2.2初始化每个传感节点的优先级pk，每个集合的优先级由其中每个传感节点的优先级求和组成，即pi＝∑pk。
45.第三步，在元素数量小于或等于n的所有传感节点集合中，按优先级进行排序，若两个集合优先级相同则随机决定二者顺序。
46.第四步，根据系统状态估计要求确定资源预留传感节点集合。
47.4.1初始化传感节点集合选择变量j＝1，并初始化每个传感节点的优先级pk。
48.4.2初始化系统当前时刻先验协方差p
t|t-1
＝ap
t-1|t-1at
+q，其中a为系统矩阵，q为系统过程噪声协方差矩阵。
49.4.3择优先级排序为j的集合，计算使用当前传感节点集合传输的信息可获得的协方差矩阵
50.4.4如果tr(p)≤m，则令当前传感节点集合为资源预留集合。
51.4.5如果tr(p)＞m，则令变量j＝j+1，重复步骤3.2，直到选择出符合条件的传感节点集合。
52.4.6更新当前系统状态估计的后验协方差。
53.第五步，资源预留集合中的设备接入信道，每个传感节点根据信道状态选择传输功率，传输功率，当首次信息传输失败时，则以最大功率进行重传，直到传输成功为止。
54.第六步，更新当前每个集合的优先级。
55.6.1每个传感节点的优先级可表示为pk＝p
k-t
′k，其中t
′k表示当前传输时刻传感节点k的传输次数。
56.6.2每个集合的优先级由其中每个传感节点的优先级求和组成，即pi＝∑pk。
57.本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：
58.1.本发明针对连接在现场子网中的单个传感节点感知能力有限无法测量到系统全部状态的问题，设计了子网传感节点分集方法，以得到的传感节点集合为最小单位进行资源分配，弥补了单个传感节点感知能力不足的问题。
59.2.根据每个传感节点的传输记录定义现场子网中传感节点的传输优先级，避免了单个传感节点被频繁触发电量损失过大导致工业现场人工点检频率增加的问题。
60.3.通过设计对每个测量时刻系统状态估计协方差矩阵的约束条件，保证系统整体监控性能。
61.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
62.图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构示意图；
63.图2是本发明的一个较佳实施例的算法总体流程图；
64.图3是本发明的一个较佳实施例的离线候选传感节点分集方法流程图；
65.图4是本发明的一个较佳实施例的在线资源预留决策流程图。
具体实施方式
66.以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便
于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
67.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
68.面向工业无线网络的预测性通信时频资源分配方法，在保证每个预留集合的能观性要求下，设计离线传感节点能观分集算法，确定最少的预留资源数量，根据触发次数定义每个传感节点的优先级，以系统感知误差为约束条件，最小化系统通信代价建立优化问题，利用启发式方法得到在线资源预留方案。整个技术方案由离线的面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法与在线的根据节点优先级的资源预留策略组成。
69.面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，边缘服务器与通信基站之间可靠连接，利用边缘服务器离线计算满足系统信息融合条件的候选传感节点集合。其中，n
max
为可用于资源预留的资源总数。
70.在线的根据节点优先级的资源预留策略，动态更新传感节点集合优先级，根据系统性能需求确定最终激活传感节点集合及资源分配结果，具体步骤如下：
71.第一步，基站根据当前的信道状态确定可用资源数量n，远程控制器确定当前系统状态估计应满足的阈值条件tr(p)≤m。
72.第二步，在元素数量小于或等于n的所有集合中，按优先级进行排序。
73.第三步，根据系统状态估计要求确定资源预留集合。
74.面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，包括以下步骤：
75.第一步，通过遍历得到当前系统中元素小于或等于n
max
的所有传感节点集合。
76.第二步，根据传感节点的感知功能构造该集合的观测方程。
77.第三步，判别每个集合是否符合系统信息融合条件，将符合条件的集合存入边缘服务器中作为资源预留候选集合。
78.第四步，对每个集合计算其噪声协方差矩阵，进而用于后续无线资源分配决策。
79.面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，第二步中，构造的传感节点集合能够用于判断当前候选集合是否包含估计系统全部状态所需要的信息，为了分析的简便，这里使用线性系统进行描述。
80.面向系统状态估计的现场子网传感节点分集方法，第三步中，系统信息融合条件可根据不同的状态估计算法确定。
81.所述在线的根据节点优先级的资源预留方法，用于根据当前信道状态与系统需求确定当前应预留通信资源的传感节点集合，包括以下步骤：
82.第一步确定可用资源数量。
83.第二步对所有可用传感节点集合根据优先级进行排序。
84.第三步根据排序顺序，依次对当前传感节点集合能否满足系统性能要求进行判断，选出符合条件的优先级最高的传感节点集合作为资源预留集合。
85.第四步资源预留集合中的设备接入信道，每个传感节点根据信道状态选择传输功率，当首次信息传输失败时，则以最大功率进行重传，直到传输成功为止。
86.第五步根据最终通信结果更新每个传感节点的优先级，并依据每个传感节点的优
先级更新每个集合的优先级。
87.根据节点优先级的资源预留方法第三步中，对当前传感节点集合能否满足系统性能要求进行判断，选出符合条件的优先级最高的传感节点集合作为资源预留集合，包括以下步骤：
88.步骤1初始化传感节点集合选择变量j＝1。
89.步骤2初始化系统当前时刻先验协方差p
t|t-1
＝ap
t-1|t-1at
+q，其中a为系统矩阵，q为系统过程噪声协方差矩阵。
90.步骤3选择优先级排序为j的集合，求解
91.步骤4如果tr(p)≤m，则令当前传感节点集合为资源预留集合。
92.步骤5如果tr(p)＞m，则令变量j＝j+1，重复步骤3，直到选择出符合条件的传感节点集合。
93.步骤6更新当前系统状态估计的后验协方差为p
t|t
＝p。
94.图1是钢铁热轧现场用于钢板温度状态监控应用的边缘网络系统架构示意图。
95.其中现场部传感节点用于测量一定范围内的钢板温度，每个传感节点都具有无线通信功能，与现场内部署的边缘基站相连接。边缘基站负责收集传感节点上传的温度信息并进行无线通信资源的调度与分配。
96.图2是面向工业现场感知的资源预留算法总体流程图。整体算法由离线计算和在线调度两部分组成。通过离线计算部分确定传感节点分集，满足系统状态信息融合的条件；在线调度部分根据每个传感节点集合的优先级和系统的感知精度约束进行实时调度。
97.图3是离线候选传感节点分集算法流程。离线计算部分，将子网内所有频段划分为4个信道，即4为子网内可用于预分配的最大资源数，在边缘基站中离线计算所有候选传感节点集合，并将计算结果保存。
98.第一步，利用穷举法得到所有可能的传感节点集合，共有种组合。
99.第二步，根据传感节点的感知功能构造每个集合的观测方程yi＝cix+υi，其中和分别为集合i中所有传感节点的观测矩阵与观测噪声向量的组合。
100.第三步，判别每个集合是否符合系统信息融合条件将符合条件的集合存入边缘服务器中作为资源预留候选集合。
101.第四步，对每个集合计算信息矩阵其中ri为当前传感节点集合的观测噪声协方差矩阵。
102.图4是在线资源预留决策流程图。在线计算部分，在线计算当前每个集合的优先级，确定资源分配结果。
103.第一步，基站根据当前的信道状态确定可用资源数量3，远程控制器确定当前系统状态估计应满足的阈值条件tr(p)≤m。
104.第二步，在元素数量小于或等于n的所有传感节点集合中，按优先级进行排序。
105.第三步，根据系统状态估计要求确定资源预留传感节点集合。
106.3.1初始化传感节点集合选择变量j＝1。
107.3.2初始化系统当前时刻先验协方差p
t|t-1
＝ap
t-1|t-1at
+q，其中q为系统过程噪声协方差矩阵。
108.3.3选择优先级排序为j的集合，求解传输此集合可得到的估计协方差3.3选择优先级排序为j的集合，求解传输此集合可得到的估计协方差
109.3.4如果tr(p)≤m，则令当前传感节点集合为资源预留集合。
110.3.5如果tr(p)＞m，则令变量j＝j+1，重复步骤3.2，直到选择出符合条件的传感节点集合。
111.3.6更新当前系统状态估计的后验协方差为求解传输此集合可得到的估计协方差p
t|t
＝p。
112.第四步，资源预留集合中的设备接入信道，每个传感节点根据信道状态选择传输功率，当首次信息传输失败时，则以最大功率进行重传，直到传输成功为止。
113.第五步，更新当前每个集合的优先级。
114.5.1每个传感节点的优先级可表示为pk＝p
k-t
′k，其中t
′k表示当前传输时刻传感节点k的传输次数。
115.5.2每个集合i的优先级由其中每个传感节点的优先级求和组成，即pi＝∑pk。
116.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。