基于时空关联性的无线传感器网络网关异常检测研究

【摘要】随着通信技术、检测技术、嵌入式技术的快速发展，无线传感器网络在各领域中得到了广泛的应用。网关作为无线传感器网络的管理者，承上启下地控制着整个网络运行，其管理权限和可靠性要求都是最高的。由于无线传感器网络通常工作在复杂、恶劣甚至敌对环境中，而网关作为无线传感器网络最主要的现场设备，其工作中必然出现一些不可避免的重要或紧急问题，因此，无线传感器网络网关的故障检测已引起了学术界和工程界的高度重视。无线传感器网络中不同的传感器节点所感知的信息不仅在时间上高度关联，而且在空间上也具备了关联特性，这就形成了无线传感器网络的一个新的“时空关联性”特性。通过研究无线传感器网络时空变化规律，能够在网络故障检测、网络调度、网络节能等方面发挥巨大的作用。因此基于时空关联性的网关异常检测研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在总结国内外研究成果的基础上，针对目前网关故障研究所存在的问题，提出了一种“现场级”网关故障检测架构。着重研究了无线传感器网络时空关联特性理论，基于时空关联性的网关异常检测实现方法，时空关联性的MAC协议，面向适用于工业现场并构建了时空关联无线传感器网络，进行了工业现场的性能测试和验证。主要研究工作总结如下：1.根据无线传感器网络在监测区域内信息融合的过程，从信号的相关性理论出发，研究构建时空关联性的基本架构，提出无线传感器网络时间关联性和空间关联性的基本概念。构建了无线传感器网络的时间关联性函数，空间关联性函数，时间关联性系数，空间关联性系数，网关状态模型，以及用于网关状态模型评价的节点贡献评价函数及参数贡献评价函数。为网关异常检测及时空关联MAC协议的研究提供理论基础。2.分析了无线传感器网络网关异常检测存在的问题，针对网关当前状态和历史状态信息难以比对的问题，提出了改进型的滑动窗口法，实现了网关历史特征状态信息的特征提取；并在此基础上，综合了误检率、漏检率、计算复杂度等多个指标，分析比较了多种异常检测方法，提出了一种改进型的基于距离的离群点检测技术，实现了网关状态的离群点检测。3.根据无线传感器网络时空关联性的理论架构，研究了一种时空关联性的MAC协议。该协议融合了时空关联的方法，针对自适应入网、功率调节、时隙分配、网关异常检测及异常处理等问题，提出了相应的入网自适应机制、功率自适应机制、时隙动态分配机制、网关异常检测及网络异常控制机制的具体方法，为时空关联性的网关异常检测技术在无线网络中的应用提供了具体的实现途径。4.创新构建一套具有网关异常检测功能的时空关联性的网络系统，提出了基于时空关联性规则的传感器节点及诊断节点的具体实现方法；研究设计了整个网络系统中传感器节点，诊断节点和网关的具体软硬件实现方式，以及相应的工作状态机；提出了一种面向工业应用的应用层实现方法，为网络系统推向实际工业应用奠定基础。5.将具有时空关联性的无线传感器网络系统实际应用于612冷轧连退机组设备检测与诊断系统中，并进行了传感器节点，诊断节点的传输距离测试，功率自适应测试，时隙长度分配测试，网关异常检测测试及网络异常处理测试。全面评估网络性能，验证网络系统在工业现场运行的可行性，并在实际冷轧连退机组中构建具有一套示范系统。全文研究成果为网关的异常检测的实现方法，技术手段提供重要的理论支持和实验基础，为提高无线传感器网络的可靠性研究提供一种新思路。
【作者】苏伟；
【导师】付敬奇；
【作者基本信息】上海大学，控制理论与控制工程，2014，博士
【关键词】无线传感器网络；时空关联性；网关故障；离群点检测；异常控制；MAC协议；工业应用；

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