（信息与通信工程专业论文）无线传感器网络的数据融合与时钟同步机制研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 为了保障重大工程结构的安全性、适用性与耐久性等，对己建成使用的许 多重大工程结构和基础设施需采用有效的健康监测手段来评定其安全状况。传 统的结构健康监测通常采用有线方式，这种方式线路铺设工作量大、维护困难、 布点不灵活。无线传感器网络以其高密度、低功耗、低维修费用、易于安装、 布点灵活等优点在健康监测中将发挥重要作用。 目前对于无线传感器网络的研究，主要集中在传感器节点的路由算法、能 量算法、传感器组网以及传感器网络管理等方面，而对于无线传感器的数据融 合和时钟同步等方面还不多，目前提出的算法和系统大多数都与特定的应用对 象相关联，存在一定的局限性，需要针对具体的应用背景作进一步的研究。 本文以结构监测为应用背景，探讨了无线传感器网络有关数据融合和时钟 同步的相关理论。主要研究内容如下： ( 1 ) 在分析比较现有无线传感器网络数据融合算法的基础上，提出了一种 结合路由的基于组播树的数据融合算法。该算法由三个阶段构成：组播树的构 造阶段、兴趣散布阶段和数据融合阶段。算法构造了一棵以汇节点为根的组播 树，在汇节点进行兴趣散布阶段，通过一种基于被动分簇的优化定向扩散路由 协议进行路由扩散；数据融合阶段，借鉴多传感器中的一致性融合算法，通过 重新定义其置信距离避免人为定义阈值而产生的主观误差。数值算例证明此方 法可获得较好的融合结果，同时能耗低，实时性好。 ( 2 ) 研究了目前无线传感器网络时钟同步采用的算法原理。设计了一种事 件触发的时钟精度差同步算法，该算法由时钟精度差计算和时钟同步两个阶段 组成。先通过比较传感器节点在不同时刻记录的采样信号序列，采用比较能量 差的方法使其能量差最小以获取最小的同步误差来调整时间精度，同时结合结 构健康监测中由于事件发生频率较低的特点，进一步采用事件触发机制触发同 步的执行。该算法经分析比较具有比其他算法更好的时间精度。 ( 3 ) 针对结构健康监测无线传感器组网的问题，进行了结构健康监测中的 无线传感器网络系统设计。提出了适合目前结构健康监测发展实际需要的网络 武汉理工大学博士学位论文 模型，该模型由节点、簇首和网关三层结构组成，并将利用公网进行远程监测 的方案融入到该拓扑结构中；制定了适合结构健康监测的被动分簇无线传感器 网络通信模型，着重对网络模型的建立和维护进行了详细阐述。 关键词：无线传感器网络，数据融合，组播树，被动分簇， 时间同步，定向扩散 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt og u a r a n t e et h es e c u r i t y , s e r v i c e a b i l i t ya n dd u r a b i l i t ye t c o fs i g n i f i c a n t e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，a l l e f f e c t i v ew a yo fs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m ) s h o u l db ea d o p t e df o ral o to fe s t a b l i s h e ds i g n i f i c a n te n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa n d i n f r a s t r u c t u r a lf a c i l i t i e st oa p p r a i s et h e i r ss a f es i t u a t i o n t r a d i t i o n a l l y ，t h ew i r e dw a y i sa d o p t e dg e n e r a l l y , w h i c ht a k e sag r e a td e a lo fw o r kt ol a yc i r c u i t ，m a i n t a i nt h e s t r u c t u r e sd i f f i c u l t l ya n dc a n tl o c a t en o d e s n i m b l y t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kw i l l p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns h mf o ri t sh i g hd e n s i t y , l o w p o w e rc o n s u m p t i o n , l e s s a s s e m b l i n gt i m ea n dl o c a t i n gn o d e sn i m b l y a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fw i r e l e s sn e t w o r ks e n s o rf o c u s e so nr o u t i n g a l g o r i t h mo fs e n s o rn o d e ，e n e r g ya l g o r i t h m ，o r g a n i z a t i o na l g o r i t h ma n dm a n a g e m e n t s c h e m e0 1 1w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h e r eh a v el e s sr e s e a r c ha b o u tt h ed a t af u s i o n a n dc l o c ks y n c h r o n i s ma l g o r i t h m t h ee x i s t i n ga l g o r i t h ma n ds y s t e ma r er e l a t e dt o a p p o i n t e da p p l i c a t i o n , w h i c hh a v e c e r t a i nl i m i t a t i o n b ea i m e da tc o n c r e t e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h ed a t af u s i o na n dc l o c ks y n c h r o n i s ma l g o r i t h mr e q u i r ea s t e pf u r t h e rr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，w i r e l e s ss e n s o r sd a t af u s i o n ，t i m es y n c h r o n i z a t i o na n dt h e i r n e t w o r ks y s t e ma r ed e v e l o p e df o rt h ep u r p o s eo fs h mo nt h eb a s i so fs e n s i n g ， i n f o r m a t i o nd i s p o s a la n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h em a i nc o n t e n t s i n c l u d e ： ( 1 ) a nd a t af u s i o na l g o r i t h mc o m b i n e d 诵mr o u t i n gb a s e do nm u l t i c a s tt r e eb y a n a l y z i n gt h ee x i s t i n ga c h i e v e m e n tf o rd a t af u s i o no fw s ni sp r e s e n t e d ，w h i c hi s c o m p o s e do ft h r e ep a r t s o n ei sc o n s t r u c t i n gam u l t i c a s tt r e ea n dt h es e c o n do n ei s f l o o d i n gt h ei n t e r e s t t h et h i r do n ei sf u s i n gd a t a t h en e wa l g o r i t h mc o n s t r u c t sa m u l t i c a s tt r e er o o t e ds i n k w h e nt h es i n kn o d ef l o o d i n gi t si n t e r e s ti nt h es e c o n d p h a s e ，t h ei n t e r e s ti sf l o o d e da c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z i n gd i r e c t e dd i f f u s i o nr o u t i n g b a s e do np a s s i v ec l u s t e r i n g a ni m p r o v e dc o n s e n s u sa l g o r i t h mi nd a t af u s i n gi s a d o p t e d ，w h i c hh a sd i f f e r e n tc o n f i d e n c ed i s t a n c ef o rd i f f e r e n tm e a s u r i n gp r e c i s i o n i i i a n dt h es u p p o r t i n gm a t r i xi sf u z z e d ，w h i c hc a l la v o i dt h e s u b j e c t i v ee r r o ri n d e t e r m i n i n gt h et h r e s h o l dv a l u e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o di sc o n f i r m e d t h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n i th a sl o wd e l a ya n dr e d u c e st h ee n e r g y c o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h i sm e t h o dc o u l dm a k ef u l lu s eo f t h ed a t af r o mw s n ( 2 ) b ys u m m a r i z i n gt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do fw s nt i m es y n c h r o n i z a t i o n ， t h ea l g o r i t h m sw h i c hh a v eb e e na l r e a d yp r o p o s e da r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d i n o r d e rt or e d u c et h eo v e r a l le n e r g yd i s s i p a t e di nt h en e t w o r k ，a n e v e n t t r i g g e r e dt i m e s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc l o c kp r e c i s i o nd i f f e r e n c ei sp r e s e n t e d t h i s a l g o r i t h mi sc o m p o s e do ft w op h a s e s ：c a l c u l a t i o n so fc l o c kp r e c i s i o nd i f f e r e n c ea n d c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n i nt h i sa l g o r i t h m ，n o d e s c l o c k sr u n b yt h e i ro w nr a t e s ，w h e n a ne v e n t o c c u r s ，f i r s t l y ，c o m p a r e st h ee n e r g yd i f f e r e n c eb e t w e e np o s t d a m a g e w a v e f o r ma n dp r e d a m a g ew a v e f o r mr e c e i v e db ye a c hs e n s o rn o d ei ns t r u c t u r a l d a m a g ed e t e c t i o nm o d e lt ou s et i m es e r i e s ，t h e ne s t i m a t e sr o u n d t r i pd e l a ya n d s y n c h r o n i z a t i o nd i f f e r e n c eb ye x c h a n g i n gs y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l s t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea l g o r i t h mc a ns a v ee n e r g ye f f i c i e n t l y , p r o l o n gt h el i f eo f n e t w o r k sf o rm ee v e n to c c u e si nl o wf r e q u e n c yi ns h ma n dh a sb e t t e rc l o c k p r e c i s i o nt h a no t h e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ( 3 ) b ea i m e da tt h eo r g a n i z a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kf o rs h m t h et h r e e l a y e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt o p o l o g i c a ls t r u c t u r ec o n s i s t i n go fn o d e c l u s t e r h e a d - - - _ g a t e w a yi sg i v e no nt h eb a s eo ft h ee x i s t i n gs e n s o rn e t w o r kt o p o l o g i c a l m o d u l e s 。a n dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc a nb ev i s i t e di nl o n g d i s t a n c ew h i l et h e n e t w o r ks y s t e mi sc o n n e c t e dw i t hi n t e r a c t a n da l le n e r g y - e f f i c i e n c yn e t w o r km o d e l o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb a s e do np a s s i v ec l u s t e r i n gs t r a t e g yi sp u tf o r w a r d t h e c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo fn e t w o r km o d e l i se x p l a i n e da tl e n g t h k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；d a t af u s i o n ；m u l t i c a s tt r e e ； p a s s i v ec l u s t e r i n g ；t i m es y n c h r o n i z a t i o n ；d i r e c t e dd i f f u s i o n w 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 孙7 i o 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 本学位论文的研究主要得到如下三个项目的资助： ( 1 ) 教育部博士点基金：无线传感器网络在结构健康监测中的数据同步和 融合技术研究( 2 0 0 5 0 4 9 7 0 0 6 ) ； ( 2 ) 新世纪优秀人才支持计划：无线传感器网络技术在结构健康监测中的 应用及装备( n c e t 0 5 - 0 6 5 7 ) ； ( 3 ) 湖北省青年杰出人才基金项目：面向结构工程健康监测的无线传感器 网络研究( 2 0 0 6 a b b 0 2 8 ) 。 1 1 2 研究目的与意义 为了保障重大工程结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，对己建成使 用的许多重大工程结构和基础设施需采用有效的健康监测手段和评定其安全状 况、维护和修复的方法，进行健康监测，这种监测过程和手段就是“结构健康 监测”( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 。 对于无线传感器及其网络的研究，主要集中在传感器节点的路由算法、能 量算法、传感器组网以及传感器网络管理等方面，而对于无线传感器的数据融 合和时钟同步等方面研究还不多。在无线传感器网络中，由于节点资源在电池 能量、处理能力、存储容量和通信带宽等方面十分有限，收集数据时采用各个 节点单独传送到汇节点显然不合适。为避免浪费能量和通信带宽，提高数据聚 集的效率，需要采用网内融合机制( i n n e td a t af u s i o n ) 【l2 】处理同一类型传感器 的数据。数据融合为无线传感器网络带来的能量节约等益处已经在理论上p j 和 实验中心得到证实。 在结构化监测中，土木工程结构正向超大化、复杂化方向发展，这样使得 实际的无线传感器网络是一种节点密集度比较大的网络。整个系统所要实现的 功能需要网络内所有节点相互配合共同完成，这就对各节点的时钟同步提出了 武汉理工大学博士学位论文 要求。此外，节点间的数据融合和节点间通信的调度算法等也对系统提出了不 同精度的时间同步要求。时钟同步是无线传感器网络数据处理的基础。在结构 健康监测应用中，要采集分散在各处节点的数据，这些数据往往具有相关性，因 此必须保证数据采集的同步，要求无线传感网络提供时序同步机制。但传统的分 布式系统的集中同步方式已经不适应于传感网络，已知节点每传输一位信息所需 的电能足以执行3 0 0 0 条计算指令，因此，如采用传统的同步方法会传送大量的 时间信息，势必会耗费节点的大量电能，不适合能量受限的无线传感器网。 因此，针对无线传感器网有限的传输带宽和有限的计算资源特点，要保证 各节点数据的同步性和不失真性，必须提出有效的时钟同步、数据融合算法， 才能推广到具体工程应用中。 1 2 相关研究领域及其发展现状 1 2 1 无线传感器网络的研究现状 无线传感器网络是从传感器网络开始的，传感器网络经历了如图卜1 所示的 发展历程【5 】o 第一代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，使用具有简单信息信号 获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络； 第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串并接口与传感 控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络， 成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投 入使用的产品还没有出现，用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器， 采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。 域覆盖 面覆盖 线覆盖 点覆盖 第一代第二代第三代第四代 图1 1 传感器发展历程 2 往 武汉理工大学博士学位论文 典型的传感器网络由传感器节点、接收发送器( 也称网关节点、s i n k 节点) 、 i n t e m e t 或通信卫星、任务管理节点等部分构成1 6 j 。传感器节点散布在指定的感知 区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到s 砒 节点。s i n k 节点也可以用同样的方式将信息发送给各节点。s i n k 节点直接与 i n t e m e t 或通信卫星相连，通过i n t e m e t 或通信卫星实现任务管理节点( 观察者) 与传 感器之间的通信。如图1 - 2 ，传感器网络节点的基本组成包括如下4 个基本单元： 传感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元( 包括c p u 、存储器、嵌 入式操作系统等) 、通信单元( 由无线通信模块组成) 以及电源。此外，可以选择 的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。 图1 - 2 传感器节点的构成 在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在 被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的 方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经 由s i n k 节点( 接收发送器) 链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。反 之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。整个网络主要包括 以下几部分： ( 1 ) 网络用户( 任务管理节点) ：它负责从网络中获取所需要的信息，同 时也可以对网络做出各种各样的指示、操作等； ( 2 ) 传输介质( i n t e m e t 网或通讯卫星) ：它是用户与无线传感器网络之间 的桥梁和纽带； ( 3 ) s i n k 节点( 接收发送器) ：它拥有足够的能量，可以将从传感器网络中 的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质上； 武汉理工大学博士学位论文 ( 4 ) 无线传感器网络：这是传感器网络的核心，在感知区域中，大量的节 点自组成网，监测、感知信息向s i n k 节点发送，或接收来自s i n k 节点的操作命令， 改变自身的工作状态。 无线传感器网络的网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网 络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分 组成。分层的网络通信协议结构类似于t c p i p 协议体系结构；传感器网络管 理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理：在分层 协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。结构图如 图卜3 所示【7 】。 在无线传感器网络体系结构的这三大部分中，目前的发展主要集中在几个 方面，在协议通信层主要研究重点是数据链路层m a c 协议及网络层路由协议的 研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决 以及网络通信安全的实现：在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的 解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现，这其中，协议的研究与 节能的实现又是相辅相成的。 无线传感器网络是一种特殊的a d h o c 网络，可应用于布线和电源供给困难的 区域、人员不能到达的区域( 如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域) 和一些 临时场合( 如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏) 等。它不需要固定网络支 持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军掣2 3 2 4 、工业、交通、环 保等领域2 5 - 3 2 1 ，农业，医疗【3 3 4 1 1 以及空间探索【4 2 1 、商业应用 4 3 - 5 3 1 等引起了人们广 泛关注。无线传感器网络典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点( 数 量从几百到几千个) 抛撒到感兴趣区域，节点通过自组织快速形成一个无线网络。 节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由 到达网关。网关可以通过i n t e r n e t 、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。也 可以利用无人机飞越网络上空，通过网关采集数据。目前无线传感器网络尚处于 研究阶段，为了加快其实用化进程，国外建设了很多演示系统，相关的理论研究 成果也很多。近年来，国内一些科研院所和高校也开展了无线传感器网络理论和 应用的研究，从可以获得的文献资料来看，基本处于起步阶段。 作为一种新兴的网络形态，同时又是传感技术、通信技术、微机电技术、 嵌入式技术、分布式计算技术等多学科交叉的领域，无线传感器网络一经提出 便引起了多方面的关注，这也意味着有众多关键技术有待研究。如网络拓扑控 制、网络协议、时间同步、节点定位技术、节点数据融合、数据管理、低功耗 4 武汉理工大学博士学位论文 无线通信技术和嵌入式操作系统等，都是无线传感器网络研究的热点【5 伯5 1 。 应用支撑技术 区亘 二至互 时间同步节点定位 荀用屡 拿输层 传输控制 一 能 网 移 路由 量 拓朴 络 安动 目络层 管 管理 管全控 理理制 t 据链路层 l 媒体接入ll 拓朴 ，理层i 无线电i l 红外线ll 光1 分层管理协议 无线传感网络管理 图1 - 3 无线传感器网络结构图 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的新技术，除了具有a dh o c 网络的特征外，它还有许多自身的特点【玉吼 1 0 】： ( 1 )电源能量有限：传感节点的电源往往不能补充； ( 2 )网络动态性强：节点由于运动或失效会造成网络结构的不断变化； ( 3 )通信能力有限：通信带宽窄且经常变化，覆盖范围小，容易导致通 信失败； ( 4 )节点数目巨大：有更多的节点，维护与管理较为复杂； ( 5 )传感节点在计算能力、内存都受到限制； 无线传感器网络的这些特殊性在技术上提出了许多新的课题，这些问题解 决的好坏也决定着无线传感器网络的应用范围和规模。 对无线传感器网络的研究最早出现于2 0 世纪8 0 年代，目前，国外已开发 出了一些较为成熟的产品，代表性的有美国大学u c b 的s m a r td u s t 项目；g i t 的s e n s o rn e t 项目；m i t 的u a m s 项目【l l 】和u c l a 的g r a n e t 1 2 项目等等。并设 计了专门的微型操作系统川i n y 0 s ，美国军方也已经拥有了部分实用化的产品。 人们已经在无线传感器网络的路由协议、接入等理论方面做了很多的工作， 新的理论与算法不断被提出【1 3 j 。 武汉理工大学博士学位论文 在无线传感器网络的路由协议方面，代表有以数据为中心的f l o o d 与 g o s s i p i n g 协议f 1 4 1 、s p i n 协议【1 5 】、定向扩散( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 协议1 1 6 1 ， 基于簇的l e a c h 协议和t e e n 协议【1 8 】，基于位置的协议【1 9 】和基于数据流模型和 服务质量要求的协议。目前，路由协议的研究正逐步深入，朝着更加智能、节 能的方向发展；在无线传感器网络的m a c 协议方面，s 撇c 和t m a c 协议在发 送数据时采用带冲突检测的载波侦听多路访f 口q t 2 0 ，2 l 】，w i s e m a c 和b - m a c 协议在 发送数据时采用载波侦听多路访问( c s m a ) ；d _ - m a c 在自适应工作休眠调度 的基础上，提出了一个新颖的解决方案。在实用化研究方面，i e e e 8 0 2 1 5 4 是 美国电气电子工程师学会( i e e e ) 制定的标准，传感器网络是它的主要应用领 域之一，目前市场上已经可以购买到符合该标准的产品化射频芯片，z i g b e e 标 准已经被越来越多的公司所接受。 1 2 2 数据融合技术的研究现状 数据融合技术的雏形出现在第二次世界大战末期，在高炮火力控制系统中 同时使用了雷达和光学传感器。这两种传感器信息的组合，不仅有效地提高了 系统的测距精度，也提高了恶劣气象下抗干扰能力。不过，当时这两种数据的 综合评判是靠人工完成的，质量不高，速度缓慢，这种系统没有对战争形势产 生重大影响，也没有引起人们的充分注意。 2 0 世纪7 0 年代，在1 9 7 3 年美国国防部资助的声纳信号理解系统中，才 正式提出数据融合( d a mf u s i o n ) 的概念。 1 9 8 4 年，美国三军政府组织中的c 3 委员会成立了数据融合专家组( d a t a f u s i o ns u b p a n e l ，d f s ) 。 在学术研究上，1 9 8 6 年起，机器人领域颇有影响的一些国际学术会议、期 刊都推出了传感器数据融合的专辑，比如i n t j o u r o f r o b o t i c sr e s e a r c h 在1 9 8 8 年率先推出s e n s o rd a t af u s i o n 专辑；i e e e 主办的学术会议“r o b o t i c s & a u t i m m i o n 从1 9 8 6 年起开始有关于数据融合的专题。1 9 8 8 年起，s p i e ( 国 际光学工程学会) 开始连续主持召开有关数据融合的学术会议。1 9 8 9 年9 月， r e nc l u o 在i e e et r a m o ns m c 上发表了综述性文章m u l t i s e n s o ri n t e g r a t i o n a n df u s i o ni ni n t e l l i g e n c es y s t e m s ，对此前这方面工作进行了概括总结，自此， 这一方向的研究变得十分活跃。 从1 9 8 5 年以来，国外先后出版了1 0 余部有关信息融合方面的专著，这是 对该领域研究成果的总结。w h i t e 6 9 】给出了研究数据融合的一般功能模型，这一 6 武汉理工大学博士学位论文 模型成了人们研究数据融合的基本出发点。h a l l 和l l i n a s 的专著多传感器数 据融合手册【_ 7 0 】详尽论述了数据融合的模型、术语、算法( 包括多目标多传感 器跟踪算法、图像融合当中的图像配准算法、决策级数据融合算法等) 等，是 研究数据融合的基础。b l a c k m a n 的多目标跟踪及在雷达中的应用【7 l j 给出了 数据融合在目标跟踪领域的应用。国外一些大学也早在2 0 世纪8 0 年代就成 立了数据融合研究机构，华盛顿的g e o r g em a s o n 大学在1 9 8 9 年成立了c 3 i 研究中心，现更名为c 4 i 研究中心1 7 2 1 ，致力于为美国军方和相关政府部门提供 学术支持。美国加州大学伯克利分校和麻省理工学院等一批高校分别开展了传 感器网络的基础理论和关键技术的研究。 国内的研究是从2 0 世纪8 0 年代末开始出现多传感器信息融合技术研究 的报道。到了2 0 世纪9 0 年代初，随着各类传感器的研制成功，在政府、军 方和各种基金部门的资助下，国内一批高校和研究所开始从事这一技术的研究 工作，取得了大批理论研究成果，与此同时，也有数据融合的译著和专著出版， 其中有代表性的有：刘同明、夏祖勋和解洪成的数据融合技术及其应用1 7 3 j ， 杨万海的多传感器数据融合及其应用 7 4 j ，康耀红的数据融合理论与应用 【75 。，戴亚平、刘征和郁光辉的译著多传感器数据融合理论及应用 7 6 】，徐科 军的传感器与检测技术唧，杨国胜、窦丽华的数据融合及其应用【7 引。 从2 0 世纪9 0 年代末至今，数据融合在国内已经发展成为多方关注的共性 关键技术，许多学者致力于机动多目标跟踪、分布式数据融合、身份识别、态 势估计、威胁判断、告警系统、决策信息融合等研究。目前，数据融合方法研 究发展方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 遗传算法和模糊聚合相结合。这种方法的优点在于：首先遗传算法 是一种并行化算法，能够较好地解决多参数的优化问题，并且针对算法的特点 采用某些较新的算子，如实编码方式及对应的交叉算子，和不一致变异技术应 用都保证遗传算法具有较好的性能并节省时间；其次，遗传算法所采用的某些 算子能更好的模拟模糊关系，可以使融合达到较高的精度。这两种方法的结合 还可以在信息源的可靠性、信息的冗余度互补性以及进行融合的分级结构不确 定的情况下，以近似最优的方式对传感器数据进行融合。 ( 2 ) 模糊系统与神经网络相结合。神经网络虽然对环境的变化具有较强的 自适应能力和自学习能力，但从系统建模的角度而言，它采用的是典型的黑箱 学习模式。因此，当学习完成后，神经网络所获得的输入输出关系无法用容易 被人接受的方式表示出来；且神经网络诊断方法存在故障判断中非此即彼的绝 对性，有时使诊断结果与实际情况不符。而模糊系统是建立在被人容易接受的 7 武汉理工大学博士学位论文 “如果则”表达方式之上，但如何自动生成和调整隶属度函数和模糊规则， 则是麻烦的问题，它依赖于专家，很费时间。如果将模糊逻辑与神经网络融合， 取长补短，利用神经网络来实现系统的模糊逻辑推理，( 使传统的神经网络没有 明确物理含义的权值被赋予了模糊逻辑中推理参数的物理含义) 建立一种基于 模糊系统与神经网络融合的方法，可提高整个系统的学习能力和表达能力，克 服各自的不足，充分发挥两者优势。这些问题都不是仿真所能解决的。 ( 3 ) 兼有稳健性和准确性的融合算法和模型的研究。着重研究相关处理、 融合处理、系统模拟算法和模型，开展对数据融合系统的评估技术和度量标准 研究。目前，国内外已有不少学者致力于此，针对具体的应用对象提出了相应 的各种模型及算法。 ( 4 ) 研究数据融合用的数据库和知识库，高速并行检索和推理机制。利用 大型空间数据库中数据和知识进行推理是融合系统过程中的关键任务，但其数 据量往往非常庞大( 1 0 1 2b y t e s ) ，这就有必要深入研究和探讨用于空间数据库 的知识发现机制和方法。目前已有许多学者致力于此领域的研究，提供了多种 数据挖掘方法：如基于泛化的空间数据挖掘方法、空间数据聚类、近似计算与 聚类、挖掘光栅数据库。p o s s i i 决策树方法的分类稳定性优于神经网络。1 9 9 6 年，s h e k 研发 c o n q u e s t ( 基于内容的空间和时间查询) 。 ( 5 ) 开发推理系统，以进行融合过程中的状态估计和决策分析。 ( 6 ) 研究数据融合的体系结构：在r e i n e r 和y a n n o r 提出的集中式、自主式 和混合式结构的基础上，又有学者提出了多级混合结构的设计思想。 1 2 3 时钟同步研究现状 时钟同步是任何分布式系统的重要组成部分，在目前传感器网络的配置管 理上也是一个重要的问题。早在上个世纪6 0 年代末7 0 年代初，随着分布式系 统的出现和发展，如何实现多个节点间的时钟同步，就已经成为人们研究和关 心的热点。因为作为一个分布式系统，有效的时钟同步能够保证系统进程之间 相互稳定、协调的工作，精确地记录各种事件到达、请求和完成的时间，并且 能够保证获得系统精确的全局状态。当一个传感器进行读操作来确定正确的事 件年表时，进行时钟同步是很重要的。例如，根据事件的时间序列进行速度估 计；测定声速进行物体定位；避免不同的传感器对相同的事件重复检测，产生 冗余信息。目前，时钟同步问题也面临着许多挑战：首先，资源的限制如有限 的电池和有限的带宽，使得大部分算法尽力实现数据包传输的低开销。第二， 无线介质的广播本质引入了数据包的冲突甚至丢失，这就增大了数据包路由的 8 武汉理工大学博士学位论文 延迟方差。第三，传感器网络是由许多低廉的传感器组成，用低廉的晶体提供 时钟，这样的时钟更易受时钟的漂移的影响，且变化速率未知。 1 9 7 4 年，美国科学家a r v i n d 首先在“i e e et r a n s o f p a r a l l e la n dd i s t r i b u t e d s y s t e m s 发表了与时钟同步相关的研究文章“p r o b a b i l i s t i ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n i nd i s t r i b u t e ds y s t e m s ”。这也预示着对时钟同步问题的研究已经进入到一个崭新 的领域。 1 9 7 8 年7 月，l e s l i el a m p o r t 在“c o m m u n i c a t i o no f t h ea c m 发表的论文 “t i m e ，c l o c k ，a n dt h eo r d e r i n go fe v e n t si nad i s t r i b u t e ds y s t e m 就比较系统 地阐述了时钟同步技术的原理、方法以及时钟同步在分布式系统中的应用。同 时还特别阐述了逻辑时钟在带时序的分布式事件处理中的作用。目前这篇论文 已经成为时钟同步研究中的一篇经典的论文。 进入上个世纪八十年代后，随着计算机的普及和发展，在时钟同步方面的 研究取得了很大的进展。许多有关时钟同步问题的研究都受到政府各种基金的 资助。例如在美国，美国国防部、美国航空航天局资助了许多有关时钟同步方 面的研究项目。1 9 8 8 年美国航空航天局发布的技术备忘录( n a s at e c h n i c a l m e m o r a n d u m ) 中就有专门讨论时钟同步问题的综述性论文“as u r v e yo f c o r r e c t f a u l t t o l e r a n tc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s ”。这篇论文不仅详细地论述当前 各种时钟同步技术和方法，而且还特别论述了有关时钟容错和修正方法问题。 最后论文还提出了时钟同步领域未来的研究方向。 现存的时钟同步方法有g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 【9 1 1 ，能够对网络中 每一个节点提供精确的时钟。但是g p s 有着内在的不足，即要求节点在卫星轨 道的直线视野内，因此不适用于室内网络，同时当户外节点由于建筑物、山脉 等成为模糊节点，g p s 也不能胜任。 e l s o ne ta i 提出了r b s ( r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n ) 9 2 1 算法：一个 节点周期地向邻居节点广播标志信息，邻居节点用此信息的到达时间作为参考 点对时钟的读取进行比较。邻居对间交换局部时间戳计算出时钟差量实现同步。 但是当网络中有n 个节点时，就需要进行n 一1 次同步，节点对间交换信息所产 生的广播开销，会随着网络的规模增大而增加。 g a n e r i w a le ta l t 9 3 】提出了一个层次同步法，算法由级别发现和同步两个阶段 组成。在级别发现过程，每个节点都被分配一个级别，级别值表示了他与根节 点的距离跳数。在同步阶段，每个节点与他的父节点交换时间戳，实现下游节 点存在的问题和研究目标与上游父结点的同步。这种方法简单易行，级别发现 过程类似于树的生成过程，但是随着树的深度增大，同步的精度会变差；另外， 9 武汉理工大学博士学位论文 当根节点死亡，就需要整个网络的重新同步，稳定性较差。 1 2 4 结构健康监测的研究现状 健康监测系统的研究涉及测试、分析及决策等多个学科。其理论核心为基于 振动的损伤识别技术( 其基本思想认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能 力，进而引起所测结构动力特征或响应的改变，通过从监测数据中提取不同部位 动力参数信息或其衍生信息，并比对结构无损状态下的相应信息，来实现结构的 健康检测与评估，从而判断损伤的出现、位置和程度) 。其中硬件部分包括4 个 系统，即：传感器系统( s e n s o rs y s t e m ) 、数据采集系统( d a s ：d a t aa c q u