基于通信协议的非线性时变系统有限域分布式滤波

The project is concerned with the distributed filtering problem for nonlinear time-varying systems over communication protocols of sensor networks. A unified measurement model is then established that can simultaneously describe various phenomena of incomplete information occurring randomly in the information exchange among the sensor nodes. After that, distributed filter structures and parameters are designed to satisfying the engineering requirements of filtering performance and energy utility indexes. In addition, we draw out the influence of changing dynamic topology and limited nodes energy on the stability, convergence and robustness of distributed filtering. After working on the perfection of the ideas, theories and algorithms of our result and giving the evaluation results, a software package is designed to contain all the algorithms. We will try to make both theoretical breakthrough as well as important technical achievements and some results will be tested experimentally based on an oil wells system platform. The obtained results have important theoretical significance and broad application prospects.

本项目主要是针对非线性时变监控对象，在通信协议下对基于传感器网络的有限域分布式滤波问题进行研究。充分考虑传感器节点在信息交互过程中产生的多种随机发生的信息不完全现象，建立起基于通信协议的统一测量模型，并设计满足工程需求的基于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。进一步地，揭示拓扑结构动态变化、节点能量受限等制约因素对分布式滤波的稳定性、收敛性和鲁棒性的影响；进而将所有算法综合成为一个软件包，对研究所得的思想、理论和算法进一步完善并给出评价结果；最后将本项目所得到的理论成果在油井系统模拟实验装置平台上进行验证。本课题的研究成果具有重要的理论意义和广泛的应用前景。

作为信息物理系统的眼睛，传感器网络被称为二十一世纪最具影响的技术之一。面向信息物理系统的分布式监控是即将到来的第四次工业革命浪潮中的中坚技术之一，是实现信息化与工业化深度融合的关键技术，它在实现中国制造2025中扮演着关键角色。本项目以传感器网络通信带宽受限为切入点，创新性地开发出面向工程应用的多种随机发生的信息不完全现象下基于通信协议的有限域分布式滤波器设计框架，从而满足工业中的实际应用场景。项目解决了四个关键科学问题：(1)基于通信协议的监控/测量系统的模型建立与动态拓扑结构的数学描述；(2)分布式滤波器结构设计及各种制约因素对滤波性能影响的定量刻画；(3)能耗指标的定义与分布式滤波器结构设计；(4)系统分析与设计方法的突破。. 在该项目资助下，项目组承办了第九届TCCT随机系统与控制专题大会。出版英文专著2部，发表/录用期刊论文107篇（SCI检索70篇），授权发明专利12项，培养研究生33人。基于该项目的部分研究成果，荣获大庆市自然科学技术学术成果一等奖1项、二等奖2项。项目组长期与国内外知名学者进行着交流与合作，邀请国内外专家学术交流47次，赴国外访问交流3人。积极参加国内外学术会议，累计学术报告9次，论文宣读4次。项目负责人董宏丽教授入选2022年全球前2%顶尖科学家终身成就榜，被授予教育部长江学者特聘教授、全国五一劳动奖章、科睿唯安全球高被引科学家、国务院政府特殊津贴专家等荣誉称号。担任第15届智能机器人与应用国际会议分会主席、中国石油和化工自动化应用协会副理事长、黑龙江省自动化学会副理事长。