基本信息
- 项目名称：
- 具有认知功能的工业级无线组网系统设计--工业无线网络共性平台关键技术攻关
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 工业无线网络在工业信息化中的应用,有着严格的实时性与可靠性的通信需求。本作品依托于国家自然科学基金重点项目: “基于认知无线电的工业无线网络理论与优化方法”，从科研层面对作品设计的工业无线系统提供理论研究支持，通过上海市科委重点科技计划支持项目: “工业无线网络监控系统关键技术研究与应用”，在实际应用中进行产业示范，将遇到的实际问题反馈理论研究，最终达到工业无线网络的可靠，实时，异构融合的性能要求
- 详细介绍：
- 工业无线网络在工业信息化中的应用,有着严格的实时性与可靠性的通信需求。本作品依托于国家自然科学基金重点项目-- “基于认知无线电的工业无线网络理论与优化方法”（项目编号：60934003），从科研层面对作品设计的工业无线系统提供理论研究支持，通过上海市科委重点科技计划支持项目-- “工业无线网络监控系统关键技术研究与应用”（项目编号：08511501600），在实际应用中进行产业示范，进而在工业现场对该系统相关性能进行有效评估，将遇到的实际问题反馈回理论研究，最终达到工业无线网络的可靠，可控，实时，安全，异构融合的性能要求。 本作品以钢铁工业监测与桥梁振动监测系统为应用范例，利用认知无线电的认知性与适变性，探索工业无线电频谱感知与资源管理的科学方法，通过异构网络融合技术建立无线网络面向工业应用的硬件系统与协议体系。针对工业环境下无线网络的稳定性，异构网络的独立性及多约束下的性能优化，本项目突破了低功耗高可靠跨层协议设计，异构网络数据融合技术，优化的网络自组织、多路由技术，异常情况下网络的自恢复与报警机制，能量受限下的无线网络安全机制五大难题，对相关技术开展了深入的研究，并开发了具有自主知识产权的协议栈。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 无线网络技术作为工业信息化的关键，在工业领域的广泛应用是必然趋势，已经成为信息化推动工业化发展的代表性技术之一，是国际技术竞争的焦点和科技的制高点。针对能耗高、资源利用率低的流程工业，采用无线网络建立监控、调度和优化分配等综合管理系统，是解决能源介质和主要设备在线监测和调度优化的有效措施。本作品以钢铁工业监测与桥梁振动监测系统为应用范例，利用认知无线电的认知性与适变性，探索工业无线电频谱感知与资源管理的科学方法，通过异构网络融合技术建立无线网络面向工业应用的硬件系统与协议体系。针对工业环境下无线网络的稳定性，异构网络的独立性及多约束下的性能优化，本项目突破了低功耗高可靠跨层协议设计，异构网络数据融合技术，优化的网络自组织、多路由技术，异常情况下网络的自恢复与报警机制，能量受限下的无线网络安全机制五大难题，对相关技术开展了深入的研究，并开发了具有自主知识产权的协议栈。 技术关键和主要技术指标： 1.攻克无线节点部分的射频设计难题，开发出符合相关规范的节点产品。 2.实现多网数据异构融合功能，开发出协议转换网关设备，能实现无线/有线网络的无缝衔接。 3.完成针对于工业环境的协议优化设计，最大支持路由256跳，网络节点具有自主感知功能，支持自组网，自修复。 4.网络丢包率小于0.01%,支持周期采样和事件触发采样，完善的纠错机制，并且实现丢包重传机制。 5.网络规模具有可扩展性，支持星型、树型、Mesh型网络拓扑。 6.支持数据传输加密和接入认证。
科学性、先进性
- 作品开发了符合工业应用且经过多个实际项目验证的专属无线通信协议，具有以下特色： 一、组网方式灵活，可扩展性强，基于认知无线网络的工业监控系统是对传统监测手段的革新，它使分布在厂区的各个设备能够通过优化的无线链路接入主干网络，从而取得设备运行状况的实时数据，并与这些信息进行交互。 二、实现了大规模无线监控网络的构建，作品针对工业应用的无线通信方案，解决了大规模组网的技术难题，既保证数据传输的成功率，同时还满足协议开销少的要求，使无线网络达到可靠，可控，可见的要求。 三、跨层优化的网络结构体系，作品定量刻画网络协议设计与能耗的关系，提出跨层协议优化模型和分布式算法，实现上位机系统、各种总线和用户系统的过程层、现场单元层和监控站之间的无缝通信，提高网络的生存期，减少网络维护费用。 四、实现了对现有设备的兼容性，智能终端设备采用标准的工业接口，能够直接对现有设备进行无线化改造，从而免去重新布线的费用，大大降低二次投入成本。 五、网络的自恢复与报警机制 六、无线网络的通信安全体系构建
获奖情况及鉴定结果
- 2010年12月，上海市科委评定相关无线技术为优； 2010年8月，作品研发的无线PH值仪表、无线溶氧量仪表，通过了质量技术监督局的鉴定，符合工业应用标准，见附件鉴定报告部分； 2010年9月，天津天丰钢铁有限公司，大册营水处理公司提供的用户报告对该系统给出了较高的评价，详见附件中用户报告部分。 注：项目作品的完成依托于上海交大课题，故附件文档中体现单位为上海交大，实际完成人为作品项目组成员，特此说明
作品所处阶段
- 作品涉及到的技术已经经过实际验证，现在处于市场推广，示范应用阶段
技术转让方式
- 技术推广，合作开发
作品可展示的形式
- 实物，图片，视频，样机
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品提供的是一套能够应用于实际工业背景的技术解决方案，抓住工业应用对无线需求的共同特性，并不局限于某个应用领域，具有广泛的应用前景。相对于有线监控系统，基于无线网络的工业网络监控系统具有易扩展、成本低、高灵活和可移动等特性。无线网络应用于局部网络内部组网，避免了各种现场布线，而且可以灵活增加新的监控设备。系统内部组网完成后，可以直接由智能网关连接Internet外部网络，实现各种设备和网内环境的实时远程监控。系统能够在降低安装、维护成本、监控设备运行状态、安全保障等方面产生巨大的经济效益和社会效益。项目方案针对基于无线技术的工业应用，建立一个基于工业物联网的网络体系和通信管理共性智能化支撑平台，形成我国具有自主知识产权的技术专利。本作品的研究主要是围绕工业网络关键环节开展的无线应用试点，促进无线技术与先进工业生产技术密切结合，推进中国智能工业的发展，为以无线网络为技术基础的工业物联网应用系统起到示范作用，项目完成后将促进工业无线技术的跨越式发展，提高我国工业无线信息化实际应用的整体水平。
同类课题研究水平概述
- 工业无线技术兴起于本世纪初，它是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有工业通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升。工业无线技术将引发传统工业测控模式的变革，引领工业自动化系统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展。目前很多工业设备已经采用无线网络，以满足未来的需求。利用无线传感器网络的低成本、易用和泛在感知等特征，可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的全面监测，获取传统方法中由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量，降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目标。欧美等国政府多次在发展规划中指出，工业无线技术将在提高产品质量、降低生产成本、提高能源效率等方面发挥重要作用。美国能源部还将工业无线技术列为实现到2020年美国工业整体能耗降低5％目标的主要技术手段之一。与面向商用的无线技术不同，面向工业自动化应用的无线技术需要满足高可靠性、严格实时性、低能耗、安全性、兼容性等需求。无线技术虽好，但要在工业中得到实际应用，还存在诸多技术难题必须解决：首先，工业现场环境对无线网络的可靠通信提出了挑战。数据的可靠传输率超过 95%就能适应大部分的工业控制应用要求。但是，无线介质的开放特征决定了无线信号传输过程中会产生衰落和多径效应等问题，会影响通信的可靠性。尤其是对于工厂环境，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射所造成的严重多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会影响无线信号的正确接收。其次，自配置无线网络还要满足工业应用的实时通信要求。对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。工业无线网络要求投资和安装成本很低，通常没有网络基础设施的支撑，设备间的通信需要通过自配置的方式以多跳接力的方式进行，保证端到端通信时延的确定性比较困难。此外，工业现场无线设备的节能运行技术、工业无线网络与工厂其它无线网络的共存技术、工业无线网络的安全技术、工业无线测控系统与现有有线工业测控系统的互连与互操作技术、面向应用的工业无线测控系统部署、安装与配置技术等都是工业无线所要解决的主要技术难题。本作品针对工业无线网络共性平台的关键问题进行技术攻关，以实际工业系统为背景，旨在攻克无线技术应用于工业监控系统的技术难点，建立一套低成本、高安全、高可靠的实时无线网络通信系统。
