智能工业无线柔性组网技术研究

With the increasing demands of industry restructuring and upgrading and product customization, the trend of establishing the intelligent factory including the data collection to industrial field equipment, personnel and environment, process control automation and wireless networking is becoming strongly apparent. Due to the special nature of the industrial environment, it is very difficult to meet the demand of the industrial large-scale networking, high density, high reliability, precision delay using the existing wireless networking technologies based on the distributed algorithm. The flexible industrial wireless network based on the wireless transmission is expected to become another revolutionary technology after Fieldbus field of industrial control network, which has a profound impact on the future intelligent factory. .This project intends to research on the technologies of the network time synchronization based on the wireless transmission for large-scale industrial wireless nodes, the flexible networking based on the centralized management and control of network resources and the optimization scheduling algorithm of network resources, so as to achieve the objectives of determining communication under industrial wireless environment, lay the theoretical and technical basis for the realization of highly reliable and precision delay industrial wireless determining communication networks, also make good technical accumulation for the establishment of intelligent factory able to meet the customized production demand.

随着工业转型升级和产品定制化需求程度的不断提高，包括对工业生产现场设备、人员、环境等进行数据采集、过程控制自动化和无线网络化趋势在内的智能工厂需求愈发强烈。由于工业环境的特殊性，现有依赖分布式算法的无线网络组网技术难以满足工业大规模、高密度以及高可靠、精确时延等苛刻要求。基于无线传输技术的工业无线柔性网络有望成为继现场总线网络之后工业控制领域的又一革命性技术，对未来智能工厂的建立产生深远的影响。本项目拟研究基于无线数据传输的大规模工业无线网络节点间时间同步技术，基于网络资源集中管控的柔性组网技术和网络资源优化调度算法，以此达到工业无线环境下大规模高密度节点组网时确定通信的目的，为实现高可靠精确时延工业无线确定通信网络奠定理论和技术基础，也为打造满足未来定制化需求的智能工厂做好技术积累。

随着工业生产定制化需求的不断提升，工业生产面临转型升级的迫切需求。利用工业无线网络技术促进工业生产方式变革，对提高工业生产效率、提升产品质量和市场竞争力具有重要的现实意义，然而工业生产环境面临通信环境恶劣、节点部署密度高、通信实时可靠需求高、经济投入成本受限等现实需求。.针对上述需求，本项目开展了三部分研究工作：①基于时间同步传输和时分通信技术的工业无线传感网快速柔性组网机制研究；②基于时隙跳频的工业无线传感网络资源优化管理机制研究；③基于集中控制的工业无线传感网络图路由调度机制研究。.本项目研究取得了如下进展和结果：①设计完成基于数据包通信过程的工业无线网络节点间同步通信机制，并开发了多种无线传感器网络节点，验证了所设计的时间同步和时分通信机制的正确性和有效性；②研究了时隙跳频的工业无线网络节点通信机制，并基于此设计完成工业环境下大规模高密度工业无线网络节点快速柔性组网机制，实现了节点密度在每平米数十节点情况下，上百节点在分钟级以内的快速组网过程以及工业应用在无线资源充足条件下，10毫秒级别的无线传感节点的精准时延控制，以及99%以上高可靠性支持；③实现了基于集中控制的图路由调度机制，开发完成一整套工业无线传感网络原型系统，基于以上研究，开发了应用于工厂车间的数据采集控制系统、基于时间同步技术的室内无线定位系统等，依托北京新联铁集团股份有限公司完成在中车洛阳生产车间、上海虹桥动车所等实际生产车间的测试和部署，依托重庆脉实智能制造有限公司完成在柳州凌云生产车间的系统部署和实施。.本项目研究成果对工业生产车间在实现可操作、可量化和可定制性生产改造中，具有重要的现实意义，同时对于实现其他类型无线自组织网络，如卫星网络、随遇接入的机动网络等具有一定的借鉴意义。