基于传感器网络的非线性随机系统的分布式滤波理论与技术研究

The sensor network is an interdisciplinary,extensive concerned research areas, and the design and synthesis issues of distributed filter is a very important basic problem. In networked environment, considering the network induced phenomena in the process of the information transmission, topology dynamically changes, limited node energy constraints, the nonlinear stochastic systems and measurement model of monitoring/measurement plants are established. And then, distributed filter structures and parameters are designed to satisfying the engineering requirements of filtering performance and energy utility indexes. From points of view of both qualitative and quantitative aspect, this kind of structures should be able to reveal the interaction each other between the sensor nodes, the correlation between the filter structure and the dynamic topology, and the game between filter performance and system energy consumption index. Furthermore, the existence condition and optimal/suboptimal distributed filter design algorithm of the distributed filter are provided. Furthermore, its convergence and robustness are also analyzed by modem mathematics methods. This project will greatly enrich, expand the existing research, will try to improve and complete the distributed filtering theoretical system from theoretical and technical aspects. Therefore, the research results have high theoretical value and broad application prospects.

传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的前沿研究热点领域，其分布式滤波器的设计与综合是非常重要的基础研究内容。本项目将基于网络环境，综合考虑节点之间信息传递的各种网络诱导现象，以及拓扑结构动态变化、节点能量有限等制约因素，建立相应的监控/测量系统的非线性随机动力学模型与测量模型，并设计满足工程需求的滤波性能指标与能量效用指标的分布式滤波器结构与参数，从定性和定量的角度揭示各传感器节点之间相互影响相互作用的关系、滤波器结构与动态拓扑结构之间的动态关联性以及滤波性能指标与系统能耗指标之间的博弈等等。进而，获得满足给定性能指标的分布式滤波器的存在性条件及其最优/次优分布式滤波器的设计算法，并进一步分析滤波算法的收敛性与鲁棒性等综合问题。本项目将大大地丰富、拓展现有的研究成果，力图从理论与技术层面上完善分布式滤波的理论体系，其研究成果具有较高的理论价值和广泛的应用前景。

传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的前沿研究热点领域，其分布式滤波器的设计与综合是非常重要的基础研究内容。本项目将基于网络环境，综合考虑节点之间信息传递的各种网络诱导现象、节点能量有限等制约因素，建立相应的监控/测量系统的非线性随机动力学模型与测量模型，并设计满足工程需求的滤波性能指标与能量效用指标的分布式滤波器结构与参数，提供了满足给定性能指标的分布式滤波器的存在性条件及其分布式滤波器的设计算法。具体地，1） 详细地调查了带有网络诱导现象的分布式滤波的最新研究进展，总结了常用的滤波器结构和性能评价体系。2） 在此基础上，建立了信道衰减，随机出现的增益变化等数学模型，定义了随机环境下的包络约束性能，滚动域滤波性能等新颖的评价指标；3）针对事件触发的通信协议，构造了一种新颖的分布式滤波器结构。该分布式滤波器由两部分组成，其一来自于自身节点的新息（内部传输），其二来源于邻居节点的新息（带事件触发）。 分析了事件触发协议对滤波性能的影响，并提供了一套切实可行的滤波器设计算法。4) 针对网络通信的不安全性以及攻击行为的特殊性，建立了用以描述攻击事件的新型网络攻击模型。在此基础上，设计了一个Kalman型滤波器算法，以至于系统遭受欺骗攻击，时滞，均匀量化的时候，滤波误差协方差是最小的。5）针对各种网络诱导现象，研究了分布式网络化系统的控制与滤波问题，提供了众多满足工程需要的设计算法。在本项目的资助下，目前已经发表SCI论文16篇，参与了6次学术会议。