工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法

摘 要：常規(guī)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備異常在線監(jiān)測方法主要使用群體感知法獲取監(jiān)測異常節(jié)點的矢量位置，但易受監(jiān)測區(qū)域標(biāo)定作用影響，無法進(jìn)行異常監(jiān)測識別。為此，設(shè)計一種全新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法。首先提取物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)測特征；然后構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測框架；最后設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測算法，實現(xiàn)通信異常在線監(jiān)測。實驗結(jié)果表明：設(shè)計方法在有無信號干擾情況下均能有效完成在線監(jiān)測任務(wù)，監(jiān)測效果較好，可靠性較高，可為提高工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的通信傳輸質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)點設(shè)備；通信異常；在線監(jiān)測；通信傳輸；信號干擾

中圖分類號：TP393.06 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜性的增加，節(jié)點設(shè)備的通信難度越來越高，通信異常事件頻發(fā)，不利于工業(yè)智能化發(fā)展。因此，需要進(jìn)行有效的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測[1-3]。事實上，常見的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常問題較多，包括節(jié)點設(shè)備之間的通信連接突然中斷、節(jié)點設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度變慢、節(jié)點設(shè)備在通信過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤等[4-5]。需要從多個方面入手，包括優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、選擇合適的通信協(xié)議和技術(shù)、提高設(shè)備性能和穩(wěn)定性、加強設(shè)備管理和維護(hù)等。相關(guān)研究人員針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信問題設(shè)計了幾種常規(guī)的通信異常在線監(jiān)測方法，包括基于PSO算法的在線監(jiān)測方法[6]，以及考慮區(qū)域殘差的在線監(jiān)測方法[7-10]。但大多數(shù)監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較差，與目前的監(jiān)測要求不適配。因此，本文設(shè)計了一種全新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法。

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法設(shè)計

1.1 提取物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備異常在線監(jiān)測特征

在實際物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常監(jiān)測過程中，同一監(jiān)測區(qū)域中可能會監(jiān)測到相同的事件源信息，可以根據(jù)該關(guān)聯(lián)性繪制事件源監(jiān)測示意圖，如圖1所示。

由圖1可知，根據(jù)上述異常事件源可以設(shè)置監(jiān)測空間布局的傳感器距離，將原本的滑動時間窗口劃分成多個子序列，此時計算的監(jiān)測互相關(guān)系數(shù)C（τ）如式（1）所示：

式中：FΩ代表滑動前的子時間窗口；代表任意向量的歸一化計算；FΩ+1代表滑動后的子時間窗口。上述空間互相關(guān)系數(shù)屬于非對稱系數(shù)，滿足節(jié)點的物理距離變化要求，可以將觀測序列設(shè)置在指定的時間窗口中，從而提取準(zhǔn)確的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備異常在線監(jiān)測特征。

對于給定的監(jiān)測時間窗口，其相關(guān)系數(shù)會進(jìn)行遍歷滑動，從而生成不同的監(jiān)測系數(shù)值，可以進(jìn)一步計算互相關(guān)系數(shù)的極值，從而判斷關(guān)鍵的監(jiān)測幾何特征，得到異常在線監(jiān)測特征輸入、輸出值。選取的隨機監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測的空間相關(guān)特征向量E（C）如式（2）所示：

式中：CKmax代表當(dāng)前時間片段的時間維度；SKmax代表異常時間片段的時間維度。從時間維度上進(jìn)行分析，子時間序列具備一定的特征模糊性，本文設(shè)計的方法重新規(guī)劃了歷史時間片段，從而得到了異常在線監(jiān)測特征提取式，如式（3）所示：

式中：X代表歷史子時間序列；θ代表模糊映射值。使用上述異常在線監(jiān)測特征提取式可以獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測時間空間相關(guān)度指標(biāo)，使其滿足異常在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性要求。

1.2 構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測框架

為提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常監(jiān)測效果，以上述提取的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常監(jiān)測特征為基礎(chǔ)，設(shè)計通信異常在線監(jiān)測框架，如圖2所示。

由圖2可知，上述在線監(jiān)測框架可以對帶有時間戳的時序數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，降低海量高緯度通信異常數(shù)據(jù)的處理難度，形成無限性監(jiān)測動態(tài)整合。

1.3 設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測算法

基于上述構(gòu)建的通信異常在線監(jiān)測框架，可以設(shè)計有效的通信異常在線監(jiān)測算法，首先需要計算監(jiān)測時間序列聚類分析閔可夫斯基距離（Minkowki Distance），如式（4）所示：

式中：si代表初始時間序列；sj代表彈性度量序列?；谏鲜鲂蛄校梢钥焖龠M(jìn)行一對多監(jiān)測比較，對監(jiān)測時間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，拉伸或收縮匹配值，解決時間序列扭曲變形導(dǎo)致的監(jiān)測匹配異常問題，降低其對干擾噪聲的敏感性。

本文引入了DBSCAN空間聚類技術(shù)生成了在線監(jiān)測算法。根據(jù)空間點位的度量關(guān)系可以確定監(jiān)測鄰域數(shù)據(jù)對象，此時監(jiān)測數(shù)據(jù)集的監(jiān)測閾值條件NEps（p）如式（5）所示：

式中：dist（p， q）代表p、q兩點之間的距離度量函數(shù)；Eps代表監(jiān)測鄰域?；诖?，可以判斷數(shù)據(jù)對象的滿足關(guān)系，調(diào)整監(jiān)測節(jié)點的密度連接對稱性，生成的設(shè)備通信異常在線監(jiān)測算法表達(dá)式如式（6）所示：

式中：fs代表概率分布差別的非對稱性度量值。使用上述監(jiān)測算法可以對任意通信異常節(jié)點進(jìn)行聚類處理，完成全局密度搜索，構(gòu)建一個有效的監(jiān)測簇，提高通信異常在線監(jiān)測的抗干擾性。

2 實 驗

為了驗證所設(shè)計的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法的監(jiān)測效果，本文選取了有效的實驗數(shù)據(jù)集，將其與文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]中兩種常規(guī)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法對比，進(jìn)行了如下實驗。

2.1 實驗準(zhǔn)備

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測實驗要求，本文可以將其看成無監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)，對物聯(lián)網(wǎng)異常節(jié)點進(jìn)行標(biāo)定處理，驗證不同監(jiān)測方法的監(jiān)測效果。本文選取PeMSD7數(shù)據(jù)集作為實驗數(shù)據(jù)集，其由某區(qū)域公路系統(tǒng)產(chǎn)生，內(nèi)含2022年1月1日—2022年9月8日的全部傳感數(shù)據(jù)。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計實驗流程如圖3所示。

根據(jù)上述實驗流程，即可輸出后續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測實驗結(jié)果。

2.2 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)上述實驗準(zhǔn)備內(nèi)容，可以進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測實驗，即選取不同類型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信協(xié)議，設(shè)置有效的實驗日期及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，施加不同程度的信號干擾，此時分別使用本文設(shè)計的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法、文獻(xiàn)[6]的基于PSO算法的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法，以及文獻(xiàn)[7]的考慮區(qū)域殘差的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法進(jìn)行監(jiān)測。三種方法的監(jiān)測實驗結(jié)果見表1所列。

由表1可知，在相同的通信環(huán)境下，本文方法均能正常完成通信異常在線監(jiān)測任務(wù)，不受信號干擾影響；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]的方法在信號干擾下無法正常完成異常在線監(jiān)測任務(wù)。上述實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

常規(guī)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法易受監(jiān)測區(qū)域標(biāo)定作用影響，難以抵御監(jiān)測識別干擾。因此，本文設(shè)計了一種全新的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備通信異常在線監(jiān)測方法。實驗結(jié)果表明：所設(shè)計方法的監(jiān)測效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價值，能夠為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供有力支持。

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