本文是一篇软件工程硕士论文，本文基于工业无线网络现行标准、现有的工业无线网络优化设计方法，结合经典人工智能算法，提出了一个新的工业无线网络分布式调度模型，并通过理论分析和仿真实验验证其效果，取得了具有一定实用价值的成功。
第一章 绪论
1.1 论文的背景以及意义
随着“工业 4.0”、“工业物联网”等工业发展战略在全世界不断推进，以智能制造和管理为核心的相关技术在工业界和学术界引起了广泛地关注。为了实现智能制造与管理的目标，大量的传感器和控制设备被部署在工厂生产车间中，这些设备对于网络的实时性和可靠性的要求十分高，对工业网络带来了十分严苛的挑战[1][2]。
传统工厂大多数都采用有线网络的方式进行网络部署，这种部署方式虽然技术成熟，但是需要部署大量的线缆，可扩展性非常差且整个网络系统较难维护，难以适应新工业制造环境。相比于传统有线网络，使用工业无线网络仅需部署少量线缆以在工业环境中部署一定数量的无线节点用于收发数据，传感器和相关控制设备通过无线网络方式接入，使得工厂内的机器可以按需移动，部署变得更为灵活，是组成智慧工厂的重要部分。
国际标准化组织制定了一系列工业无线标准，包括 WirelessHART[3]、ISA-100.11a[4]、IEEE 802.15.4e[5]等。为了适配 IPv6，又在 IEEE 802.15.4e 的 TSCH 标准上提出了 6TiSCH[6]标准。这些标准的制定为工业无线网络在工厂中实际部署使用提供了强有力的支撑和推动作用。
然而以上标准和相关研究大多都是基于集中式调度方式，其实时性和确定性保证依赖于所有节点之间的精准的时钟同步，这需要占用大量的网络带宽以及产生额外的能耗开销。此外，集中式调度方式对于网络中的拓扑变化相应较慢，需要通过中央管理节点沿着网络拓扑通知到目的节点，这个时间会随着网络规模不断扩大而增大。分布式调度方式对于网络拓扑变化感知较快，且所需要的通信开销也较小，仅需在局部节点之间进行通信，因此学术界目前研究的重心也从集中式调度转移到了分布式调度。
1.2 论文的主要研究内容
（1）针对工业无线网络的实时性和可靠性要求，阅读国内外相关研究文献，分析当前学术界如何解决工业无线网络所面临的问题以及查阅相关无线网络调度方案资料，确定论文的解决方案。
（2）本文解释了可调度性的定义，提出了一个基于时隙对齐的确定性通信调度模型，并将其转化为非时隙对齐情况下的模型。
（3）本文根据工业无线网络的特性，提出了调度模型的概率可靠性保证，并结合经典人工智能算法——蒙特卡洛树搜索算法生成调度方案。
（4）由于经典蒙特卡洛树搜索算法存在搜索空间大、计算复杂度大的问题，对经典蒙特卡洛树搜索算法进行改进，提出了回退机制和回退阈值，将随机抽样和位运算与蒙特卡洛方法相结合，降低了搜索空间和计算复杂度。
（5）搭建了仿真实验平台，对本文提出的工业无线网络分布式实时调度策略进行测试，结果表明该调度策略实现了可靠的数据传输。
第二章 国内外研究现状
2.1 工业无线网络标准
目前在工业无线网络中，工业界采用最为广泛的标准是基于 IEEE 802.15.4 或者 IEEE 802.11 协议开发的相关协议，例如 WirelessHART、ISA 100.11a、IEEE 802.15.4e 等，本节将对目前比较流行的工业无线网络标准进行对比。
2.1.1 WirelessHART
WirelessHART 标准是一个经典的集中式调度工业无线网络标准。它首次发布于 2007年，是第一个为过程控制应用制定的无线通信标准。该标准采用 IEEE 802.15.4 作为物理层协议，运行于 2.4Ghz 频段上的信道 11–25，在数据链路层采用了 TDMA 机制，允许节点在非工作时隙进行休眠以节约能量消耗并消除通信冲突，从而获得更好的可靠性。TDMA 的时隙大小被固定为 10ms。为了提高在复杂工业环境中的抗干扰能力，信道调频机制和信道黑名单机制被纳入到标准中[7]。信道跳变用于在分组级别上交替传输信道，即，信道在分组传输期间不改变。 跳频模式未在标准中明确定义，但需要由网络管理器确定并分配给节点。信道黑名单也可以用来剔除高干扰的信道。网络管理器根据网络中不同信道上的接收质量将不适合通信的信道放入黑名单中以提高整体通信质量[8]。WirelessHART 为多跳网络定义了两种主要的路由方法：源路由和图路由。
源路由仅在源和目标之间建立固定的单个路径，因此任何链路或节点故障都会干扰端到端通信。因此，源路由主要用于网络诊断目的，以测试端到端连接。图路由中的多个冗余路由相对于源路由在路由可靠性方面提供了显着的改进。路由路径由网络管理器根据从节点接收到的定期数据包来确定，这些数据包括无线链路的历史和即时质量。国内外的研究大多集中于对其能量消耗[9][10]、路由方式[11][12][13][14]、传输时延[15][16]方面的分析研究。图 2.1 展示了一个典型的 WirelessHART 网络架构。网络中存在多个无线 AP 节点，负责接收工业无线节点所发送的数据，然后将数据包通过工业网关发送到中心控制服务器上；控制服务器发送相应的指令到工业网关，通过无线 AP 发送到节点；管理者可以通过计算机查看各个节点的信息。
2.2 工业无线网络调度策略优化设计方法
国内外对于工业无线网络的调度策略优化大致可以分为两个方向：交互式设计方法和联合设计方法。在交互式设计方法中，算法通过调整无线网络参数以满足关键交互系统的给定约束。在联合设计方法中，考虑到通过关键系统变量的相互作用，共同优化无线网络和控制系统参数。
在交互式设计方法中，大多都采用调整无线网络参数的方式以满足控制系统的给定要求。大多数交互式设计方法基于时间触发的控制系统。在这一类系统中，传感器产生的数据是周期性的。他们通常假定控制系统的要求是以固定采样周期的消息延迟或丢包率上限的形式给出的。使用在控制系统中的工业无线网络，实时性比其他性能指标更重要，而无线网络的实时性能在很大程度上取决于消息延迟和消息丢包率。学术界在这一领域主要研究有交付截止限制的 IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11 MAC 协议。
2.2.1 基于介质访问控制的调度优化
对于 IEEE 802.15.4 和 IEEE 802.11 MAC 协议的研究大致可以分为两类：第一组是基于竞争的访问，解决方案是用 QoS 区分自适应 MAC 协议，它们根据约束调整退避机制和重传的参数。第二组是基于调度的访问，解决方案是依赖于单跳网络的无竞争调度。
第三章 工业无线网络分布式实时调度模型 ............................... 22
3.1 可调度性定义 ................................... 22
3.1.1 工业无线网络节点可调度性定义 .......................... 22
3.1.2 非时钟同步的调度方案可调度性定义 ...................... 23
第四章 使用蒙特卡洛方法生成实时调度 ...................... 26
4.1 调度模型的概率可靠性保证 .................................. 26
4.1.1 全局概率可靠性的定义 ........................................ 26
4.1.2 全局可靠性问题的形式化描述 .................................. 27
第五章 蒙特卡洛树搜索算法优化 .................................. 38
5.1 对经典蒙特卡洛树搜索算法的改进 ................................ 38
5.1.1 经典蒙特卡洛树搜索算法存在的问题 .............................. 38
5.1.2 快速迭代机制 ................................ 38
第六章 工业无线网络分布式实时调度策略仿真实验
6.1 分布式调度策略生成实验对比
为了确定第五章中提出的改进蒙特卡洛搜索树算法的性能，我们使用相同的参数，将改进蒙特卡洛搜索树算法与经典蒙特卡洛搜索树算法进行比较。经典蒙特卡洛搜索树算法即在每次迭代中不添加任何额外的预设逻辑地进行随机选择。以经典蒙特卡洛搜索树算法作为比较基准，可以比较清楚地知道所提出的算法性能如何。
本文使用了三个特定的指标来量化算法的性能以实现两个算法之间的性能比较：最大和最小 ′( )，每轮 ′( )平均值以及 ′( )标准差。最大和最小 ′( )指示算法性能的上界和下界，每轮 ′( )平均值表示算法的一般性能， ′( )标准差表示算法的稳定性。
本文还以不同的参数设置测试了改进蒙特卡洛搜索树算法，用来测试算法在不同参数情况下的性能表现，然后记录了不同参数设置下运行的平均轮次以及轮次数的标准差，平均轮次表示算法性能，标准差表示算法的稳定性。
为了探究算法在不同参数设置下的极限情况，本文在不同参数设置下对算法运行足够的轮次数以寻找在不同参数下的 ′( )上界。
第七章 总结与展望
7.1 本文研究工作总结
工业无线网络凭借其易部署、易维护、可扩展性强、维护成本低等特点，在工业 4
