基于衰落信道的非线性随机系统分布式滤波及故障检测

The project is concerned with the distributed filtering and fault detection problems for nonlinear stochastic systems over fading channels of sensor networks. The time-varying natures of the fading channels and the signal losses caused possibly are first investigated fully and, based on which, 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, such as signal quantization and sensor saturations. The established measurement model can characterize statistically the randomly occurring incomplete information from an engineering viewpoint. The design and synthetic problems of the distributed filters and fault detection filters are then investigated. In addition, we draw out the influence of changing dynamic topology on the stability, convergence and robustness of the distributed filtering and distributed fault detection. After improving the ideas, theories and algorithms of our results and giving the evaluation results, a multi-function compatible 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 a sucker-rod pumping wells system platform. The obtained results have important theoretical significance and broad application prospects.

本项目主要研究传感器网络环境下基于衰落信道的非线性随机系统的分布式滤波及故障检测问题。充分考虑衰落信道所具有的时变特性及其所引起的各种信号损耗以及传感器节点在信息交互过程中产生的诸如信号量化、传感器饱和等多种随机发生的信息不完全现象，建立起基于衰落信道的统一测量模型，旨在对传感器网络环境所引起的具有随机发生规律的不完全信息进行具有工程意义的统计刻画。在此基础上研究分布式滤波器及故障检测滤波器的分析与设计问题。进一步地，揭示拓扑结构动态变化这一制约因素对分布式滤波及分布式故障检测的稳定性、收敛性和鲁棒性的影响；进而将所有算法综合成为一个功能相容的软件包，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无线传感器网络环境下的有杆抽油系统井下设备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。

基于衰落信道的非线性随机系统分布式滤波及故障检测问题是控制和系统工程领域的国际前沿课题和难题之一。这一问题的解决将对保证基于传感器网络的信息采集系统、监控系统的安全、高效运行发挥重要作用，从而进一步促进信息处理技术的发展。本项目的研究内容即是针对非线性随机监控对象，在无线信道衰落等网络增强复杂性情形下，对基于传感器网络的分布式滤波与故障检测问题进行深入研究。充分考虑衰落信道所具有的时变特性及其所引起的各种信号损耗以及传感器节点在信息交互过程中产生的诸如信号量化、传感器饱和等多种随机发生的信息不完全现象，建立起基于衰落信道的统一测量模型，并进行具有工程意义的统计刻画。在此基础上研究分布式滤波器及故障检测滤波器的分析与设计问题。进一步地，揭示拓扑结构动态变化这一制约因素对分布式滤波及分布式故障检测的稳定性、收敛性和鲁棒性的影响；并将理论结果在无线传感器网络环境下的油井设备模拟实验装置平台上进行验证。在该项目资助下课题组成员在国际、国内刊物上共发表或录用论文95篇，已被SCI检索50篇。发表文章中含Automatica及IEEE汇刊8篇；获得授权发明专利7项，实用新型专利8项；基于该项目的部分研究成果获黑龙江省自然科学一等奖（排名第一）、黑龙江省高校科学技术一等奖（排名第一）、黑龙江省青年科技奖及市校融合优秀科研成果奖。项目负责人董宏丽获得国家优秀青年科学基金、入选科技部中青年科技创新领军人才、“龙江学者”特聘教授。