煤矿井下物联网感知层能量有效时间同步研究
物联网为煤井下的安全监护和灾害提供新的思路和方法.煤井下物联网利用物联网的理论与技术,通过多种泛在的传感器对煤矿井下人员、设备、环境等进行感知,实现各种灾害事故的监测预警.煤井下物联网感知的诸多应用,包括节点定位、数据融合、协作传输、时分多址技术等等,都需要参与节点拥有一致的时间,时间同步为煤旷井下物联网感知层的一个支撑技术.煤矿井下工作环境的特殊性如空间狭小、节点分布多、无线通信环境差等恃点,使得现有面向地面无线传感器网络的时间同步方法无法直接应用.针对煤矿安全生产的需求和煤矿井下无线环境的特殊性,本文研究煤矿井下物联网感知层的时间同步,着重提高时间同步方法的能量有效性和对网络拓扑变化的鲁棒性.论文的主要研究成果总结如下:1)考虑到矿井道的狭长特性,研究一种层次型时间同步算法,将反馈机制应用到时间同步中來基于负反馈原理根据网络同步精度误差调整同步周期和占空比.建立感知层网络的树状层次型拓抑,为网络选择多个父节点和成对同步节点,父节点与成对同步子节点间双向交换多次时间同步信息,其它侦听子节点侦听同步信息,降低网络中传输的同步信息量;将群内的时间同步方式设置为周斯性同步方式,即同步周期到则父节点发起一次群内节点的时间同步,而将群间节点或远程节点与网关节点间的时间同步方式设置为按需同步方式,仅在特定事件发生时方才发起一次时间同步,进一步降低了网络中传输的同步信息包量;采用联合极大似然估计法估计节点间的时钟偏移,利用下标偏移量法减少估计参数的数量,简化时钟偏移估计算法的计算复杂度;网关节点周期性评估网络同步误差,基于负反馈思想,根据网络实际同步和要求值之间的差值,采用比例控制规律调整网络同步周期和占空比,在同步精度满足的晴况下,尽可能增大同步周期、减小占空比.2)将控制理论的一致性算法应用到煤矿井下物联网感知层时间同步中,提出一种二阶一致性时间同步算法,并从网络邻接权重的优化设计角度来提高一致性时间同步方法的能量有效性.将节点的时钟特性建模成二阶状态方程,节点按同步周期周期性将自身状态广播给邻居节点,并根据与邻居节点状态不一致来构造同步控制输入;基于矩阵变换和劳斯-赫尔维茨稳定理论分析了二阶一致性算法收敛的条件和影响算法收敛速度的因素;研究了影响一致性同步能耗的因素,得出同步能耗的优化问题可以转化为一致性算法收敛因子和网络稀疏度的加权优化问题,且可由网络邻接权重矩阵优化设计得到,给出了网络邻接权重的分布式设计算法.3)从网络通信率角度出发,进一步考虑了二阶一致性时间同步算法的能量有效性,提出一种事件触发二阶一臻性时间同步算法.将节点的通信事件设置为事件触发方式,为每个节点设计一个分布式事件触发函数,仅当触发函数大于零时,节点方触发一次广播通信事件;通过矩阵变换和劳斯-赫尔维茨稳定理论分析了事件触发二阶一致性时间同步算法的收敛性,并给出了触发阈值的分布式设计方法;分析了影响网络通信率的因素,并与时间触发下的时间同步算法进行相对收敛性的对比,得出在网络通信率相同的情况下,基于事件触发的时间同步算法相对收敛性优于基于时间触发算法的收敛性.
- 作者：
- 陈珍萍
- 学位授予单位：
- 安徽理工大学
- 专业名称：
- 矿山机电工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 黄友锐
- 中图分类号：
- TD76
- 关键词：
- 煤旷井下物联网；时间同步；能量有效；一致佑分布式优化；邻接权重
- underground coal mine internet of things； time synchronization； energy efficiency； consensus； distributed optimization； adjacency weight