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CPS执行器同步机制:延迟抖动平滑研究
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更新于2024-07-02
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"CPS分布式执行器间同步机制的研究" 本文主要探讨了Cyber-Physical Systems (CPS)中分布式执行器间的同步问题。CPS是一种包含多个系统单元的大型复杂系统,广泛应用于航空航天、工业控制等多个领域。在这些系统中,各执行器的操作同步至关重要。然而,由于CPS存在的延迟不确定性、延迟抖动以及节点不同步等问题,实现执行器的同步变得极具挑战性。 针对延迟抖动问题,论文深入研究了三种不同的延迟抖动平滑算法,并发现这三种算法的预测值会受到延迟抖动的影响。为解决这一问题,文章引入了Pauta准则来改进这三种算法,以降低延迟抖动对预测精度的影响。此外,作者还提出了一种基于导数最小二乘预测的新延迟抖动平滑算法,该算法旨在更准确地预测延迟并消除延迟抖动。 为了验证新算法的有效性,论文进行了仿真实验,对比分析了两种不同的延迟情况。通过这些实验,可以评估新算法在实时性能、可预测性和系统同步方面的改善程度。这样的研究对于提高CPS的整体性能和稳定性具有重要意义,特别是在需要高度同步和精确操作的领域,如自动驾驶、智能电网和远程医疗等。 本研究不仅关注CPS中的同步难题,还提出了解决方案,即利用改进后的延迟抖动平滑算法来提升系统的同步效果。这些理论和方法的应用将有助于优化CPS的设计,确保其在实际应用中能够实现高效、可靠的运行。
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CPS
分布式执行器间同步机制的研究
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之间的平衡点,作为传感器节点的理想位置,从而优化网络。在文献[72]中,袁久
银和石为人提出一种基于二元感知模型的算法。该算法是将节点检测概率最大的点
形成最佳情况覆盖,即最大支撑路径(maximal support path)和将节点检测概率最小
的点形成最坏情况覆盖,即最大突破路径(maximal breach path)。最大支撑路径和最
大突破路径分别代表了 WSN 最佳和最差的覆盖情况。在文献[73]中,陶丹和马华
东等引入“质心”这一概念。作者提出首先将有向网络覆盖问题转换为质心均匀分
布问题,然后利用虚拟力算法对传感器节点位置进行部署优化。因为这种算法可以
消除传感器网络中的重叠区和盲区,所以可以提高网络覆盖率。在文献[74]中,张
波和黄刘生等对概率化检测模型做了优化,在模型中引入“x%-RS”这一概念,使模
型更加实用化。然后,作者利用改善后的模型在限定覆盖度的条件下求出传感器节
点个数,最后得出节点部署方案。在文献[75]中,霍宏伟和郜帅等首先讨论了天线
高度和节点覆盖面积的关系,并分析了感知半径和通信半径之间的关系。然后,作
者提出一种考虑天线高度和周围环境等因素的室内传感器节点部署方案。在文献[76]
中,俞黎阳和王能等主要优化无线传感器网络中的异构传感器节点的个数和位置。
作者提出的算法可以应用于任何拓扑结构网络,异构节点可以支持其它传感器节
点,从而提高网络覆盖率。文献[77]也是针对异构网络的研究。王力立和徐志良等
采用节点数目、节点配置值和网络配置总值作为网络节点部署的指标,然后将节点
部署问题转化为整数线性规划问题,并指出这是一个 NP 问题,最后利用贪婪算法
找出近似的最优解。在文献[78]中,康振华认为现有的增量式节点部署算法在部署
节点时并没有考虑到事件信息对节点的影响。因此,作者提出一种将事件随机发生
的总体信息、样本信息和经验信息充分考虑的算法。该算法利用贝叶斯估计监测区
域事件的概率,并且预测节点死亡的顺序,从而得到节点部署位置。在文献[79]中,
作者利用随机分布中的极大独立集理论,以点连通度及节点残余能量的和为度量对
检测区域进行网格化分,从而提高数据融合的效率和节省能耗。在文献[80]中,汪
小龙和张红艳等提出目前采用 Voronoi 图模型的部署方案存在模型粗燥和监测点不
全这两个问题。针对模型存在的问题,作者提出一种以实测的分段概率传感器模型
为基础,从多传感器协同监测角度构成一种新的 Voronoi 图模型。在文献[81]中,李
猛和丁代荣等提出随机均匀部署传感器节点的个数服从泊松分布。根据这一结论,
作者通过建立节点分布模型,得出网络覆盖率和区域目标节点分布密度之间的联
系,从而提出在目标区域内估计传感器个数的方法。在文献[82]中,作者首先分析
虚拟力算法和多粒子群进化算法(Multiple Particle Swarm Optimization, MPSO),提出
一种虚拟力导向多粒子群进化节点部署优化算法。该算法通过虚拟力导向,避免算
法早熟。然后,作者将混沌优化理论(Chaos Optimization, CO)和粒子群算法(Particle
Swarm Optimization, PSO)融合,提出一种应用于 WSN 与 RFID 集成网络的节点部
署算法。该算法利用混沌优化的随机性特征,使粒子群算法跳出局部最优解。在文
万方数据
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第一章
绪论
- 11 -
献[83]中,常艳提出一种应用于混合 WSN 的节点部署算法。该算法基于网格扫描
覆盖目标点和概率感知模型。然后,作者提出一种基于误警率的感知模型。在这种
模型的基础上,作者对混合 WSN 的移动节点进行部署优化,从而保障网络的覆盖
率。在文献[84]中,陈杭和王东等提出一种基于虚拟力的移动传感器节点的部署算
法。作者在利用虚拟力算法快速生成源节点和目的节点之间的虚拟通路,从而降低
网络能耗。
通过以上分析我们可以看出,在节点部署这一领域,国内外的学者主要侧重于
传感器节点的感知覆盖率和节省能耗等问题,关于实时性和同步性方面的研究成果
较少。我们希望在 CPS 系统中部署传感器/执行器节点时,能够在保障覆盖率和能
耗等的基础上,同时考虑到节点的实时性和同步性的问题,从而提高 CPS 系统整体
的实时性和同步性。
§1.3 本文的组织结构
本文首先对近几年提出的网络时延抖动缓冲方法及其相关领域进行研究,提出
现有的三种算法的缺点,然后对这三种算法进行了改进。在此基础上,本文提出一
种新的基于导数最小二乘(Derivative Least Square, DLS)的网络时延抖动缓冲算法
DLS,并对改进前后的三种算法及 DLS 算法进行了仿真实验。实验结果证明,改善
后算法不会受到观测值的影响产生较大误差,DLS 算法的预测值更加准确。最后,
本文提出一种基于遗传算法的同步节点部署优化算法 SIGA。该算法能够在保障网
络覆盖率的同时兼顾系统的实时性和同步性。实验结果表明 SIGA 算法能够优先处
理重要信息,使重要节点信息同步,从而提高系统的实时性和同步性。全文共分为
五章,如下所示:
第一章:绪论。这一章简要阐述了网络时延抖动缓冲方法及同步节点部署优化
策略的研究背景和研究意义,以及近些年的研究现状与趋势。
第二章:本章对现有的三种时延抖动缓冲算法进行了分析与比较,并针对算法
存在的问题进行了改善。这一章首先引入了单边时延变量的算法思想。然后分析了
三种网络抖动平滑算法:LSM 算法、MAM 算法和 ESM 算法。与其它算法相比,
因为这三种算法都是基于单边时延变量的算法,所以网络时延预测值更加精确。然
而,这三种算法都会受到网络延迟抖动的影响导致预测值产生较大误差。同时,三
种算法的仿真实验数据存在偏差。针对这两点问题,本章提出改进的方法。
第三章:本章提出一种基于导数最小二乘的抖动缓冲算法,并给出仿真结果及
分析。这一章首先引入一种趋势外推算法——导数最小二乘法,其次简单介绍导数
最小二乘算法的数学模型,并在此理论基础上提出了导数最小二乘平滑算法 DLS。
文中还给出 DLS 算法的执行步骤与伪代码。最后,本章进行了仿真实验,将改进
前后的 LSM 算法、MAM 算法和 ESM 算法进行了对比,并将改进前后的三种算法
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CPS
分布式执行器间同步机制的研究
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分别和 DLS 算法的实验结果进行了对比与分析。实验结果显示,改进后 LSM 算法、
MAM 算法和 ESM 算法的预测值不会受到网络延迟抖动的影响;同时,与改进前后
的三种算法相比,DLS 算法的预测值更加精确,并且可以剔除较大的抖动值,减少
了不必要的延迟,从而提高系统的实时性和同步性。
第四章:本章提出一种基于遗传算法的同步节点部署优化算法 SIGA,并给出
仿真结果及分析。这一章首先简单介绍节点部署的相关概念和感知模型,并引入一
种最优解搜索算法——遗传算法,利用遗传算法计算网络部署优化传感器/执行器节
点位置的最优解。这一步可以保障网络覆盖率。然后,文中对整个监控区域根据重
要性划分等级,在兼顾网络覆盖率的同时,优先在重要性等级高的区域部署节点。
最后根据传感器/执行器节点所在区域的重要性部署 Sink 节点的位置。优化部署后
的 Sink 节点能优先处理重要信息,使重要节点信息同步,从而整体提高系统的实时
性和同步性。文中给出了每一步优化后的实验仿真和结果分析。
第五章:总结全文。本章对全文进行总结,说明在研究过程中发现的一些问题,
并且提出工作中需要改进的地方,最后指明下一步的研究方向。
§1.4 本文的创新之处
本文对 CPS 系统中网络时延抖动缓冲相关领域和同步节点部署优化进行了分
析和研究后,提出了以下创新点:
一、本文对 LSM 算法、MAM 算法和 ESM 算法的改进。虽然,这三种算法有
着自身的优越性,网络时延预测值更加精确。但是,这三种算法都会受到网络延迟
抖动的影响导致预测值产生较大误差。而且,在近几年研究的仿真实验中,几乎均
采用限定上下界的均匀分布的随机数作为网络延迟的仿真数据
[32-34, 38]
。但是,这偏
离了真实情况下的网络延时。有研究结果表明,实际的网络延时分布更加接近 Pareto
分布
[85-86]
。为了使仿真结果更加准确,本文同时采用了服从均匀分布的随机数和更
加接近真实情况的 Pareto 分布数据作为网络延迟的仿真数据进行了仿真实验。
二、本文提出一种时延抖动平滑算法 DLS。文中将一种趋势外推法——导数最
小二乘算法的思想引入网络延迟抖动平滑算法中,通过建模计算网络时延的预测
值。该算法基于单边时延变量思想,预测值精度较高,同时因为不需要时钟同步,
所以不会引入时钟同步算法的自身误差,进一步提高了算法精度。实验证明了 DLS
算法的有效性与可靠性。
三、本文提出一种基于遗传算法的节点优化部署算法 SIGA。近几年在节点部
署方面的研究,国内外学者主要侧重于节点的感知覆盖率和节省能耗等问题,在实
时性和同步性方面研究成果很少。SIGA 算法部署节点时,在保障网络覆盖率的基
础上,按照节点的所在区域重要性部署 Sink 节点,使优化部署后的 Sink 节点能够
优先处理重要信息,使重要节点信息同步,从而整体提高系统的实时性和同步性。
万方数据
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