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分布式导航系统容错机制关键技术研究

作　者: 张佳琳
导　师: 赵琳
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 分布式导航系统容错机制兵棋推演系统对等节点群组容错 Agent模型
分类号: TN966
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为使分布式导航系统在GPS故障或信号中断时能够继续完成导航任务并完成作战计划，有必要提高分布式导航系统的容灾容错性能，即研究分布式容错导航仿真平台，导航信息存储数据结构、导航节点间通信协议、分布式导航系统的容错算法四个方面的容错关键技术。由于容错机制的本质是在系统出现故障时各功能单元继续执行所要求功能的能力，在分布式导航系统中以通过GPS得到的定位数据为基础进行导航，因此对系统中GPS定位数据进行有效管理和合理利用，能够完成在GPS信号中断状况下快速恢复分布式导航系统各节点的通信功能和导航功能，论文都是围绕如何运用分布式导航系统中各节点既有的GPS“残迹”交互信息和寻路导航展开论述。本文主要从分布式导航系统容错机制中容错系统仿真平台和容错算法两个方面进行深入研究和改进，以满足分布式导航系统的容错要求。论文主要研究内容如下：1.运用兵棋推演系统进行分布式导航系统容错算法仿真。由于传统的兵棋推演系统采用人工驱动方式，即对象间的信息交互完全由人工交互实现，需要完成的工作量巨大，导致系统中的若干干扰因素都被忽略，在对容错导航算法进行仿真验证时将严重失真，因此将消息驱动机制引入兵棋推演系统的系统结构与功能模块中，解决兵棋系统驱动的自动化问题和对象间的通信问题，通过设计人机接口模块、消息驱动模块、棋盘和棋子的结构，在单位棋子节点中引入导航数据结构和属性，可以加载本文提出的基于GPS“残迹”的容错导航算法；同时，添加大量的仿真测试接口，以便测试不同的导航算法。经与传统兵棋系统仿真测试进行比较，完成相似任务的时耗降低50%左右，人工干预次数仅是传统系统的25%，CPU负载率降低了15%。2.研究移动自组织网络中的对等节点容错导航算法（GVDN）。在故障时系统中各节点将脱离GPS信号，因无法继续完成导航，造成迷航等问题，而移动自组织网络能够在不依托固定通讯设施的基础上，支持节点动态的通信，并能较好控制流量，因此提出一种基于移动自组织网络的对等节点容错导航算法，以解决分布式导航系统中的容错问题。该算法以故障前的GPS“残迹”数据为基础，设计“残迹”存储的数据结构、系容错通信协议、电子地图接口、人机接口和对等节点交互协议和算法的流程。在“残迹”采集与处理模块应用朴素贝叶斯分类法对已获得“残迹”和关键点进行分类、在道路预测与评估模块中采用智能曲线识别算法对道路或可行路径的相似性进行判断。经兵棋推演系统仿真试验，协议具有较强的抗死锁能力，平均通信信道占用率均未达到峰值，平均内存占用量控制在10M以内，容错过程中时耗和CPU占用率均有所降低。3.研究群组分布式容错导航算法（GFTN）。由于对等节点容错导航算法在节点数量多的大规模分布式导航系统中，虽然算法精度较高，但容易耗尽系统资源，因此，采用群体智能理论来解决系统的全局优化问题，以适应广域分布的群组节点容错导航。针对算法的体系结构、功能模块与数据结构、交互协议、数据包结构等方面进行了设计，本文提出了按地理位置进行残迹存储，改进滑动窗口进行数据转发和利用的方案，解决了单个领航节点能力与群内节点分布广、通信量大的问题；提出了分组蚁群算法，使同组节点尽可能选择相同或相近的同行道路或区域，以解决移动节点数量多与可通行路径少的矛盾；提出了群组内共享信息的方案，解决了导航过程中重复计算的问题。4.在GVDN和GFTN算法的验证和仿真试验中，采用反应式Agent体系结构进行仿真，避免了复杂的逻辑推理验证，规定了Agent模型的属性、处理和行动规则，经过测试，Agent模型仿真粒度小，可用性高，可模型大规模虚拟场景，容纳更多的导航对象，在系统性能方面具有稳定和低耗的优势。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-35
  1.1 课题研究的背景和意义  13-14
  1.2 可行性分析  14-18
  1.3 国外研究现状  18-20
  1.4 国内研究现状  20-25
    1.4.1 分布式导航系统研究现状  20-22
    1.4.2 容错导航研究现状  22-25
  1.5 可用于容错导航的智能算法与仿真系统综述  25-34
    1.5.1 蚁群算法  25-27
    1.5.2 粒子群算法  27-28
    1.5.3 对等节点容错导航研究现状  28-31
    1.5.4 基于群组的容错导航研究现状  31-33
    1.5.5 导航仿真研究现状  33-34
  1.6 研究思路与论文结构  34-35
第2章群体容错导航仿真基础环境研究  35-64
  2.1 分布式导航仿真系统的需求  35
  2.2 分布式导航仿真系统的原型研究  35-46
    2.2.1 兵棋系统与战争仿真  35-37
    2.2.2 前人工作与存在问题  37-38
    2.2.3 问题分析与解决思路  38-40
    2.2.4 改进型兵棋系统结构与导航仿真思路  40-45
    2.2.5 兵棋推演中的分布式导航系统运行流程  45-46
  2.3 仿真系统驱动基础——事件与消息  46-48
  2.4 高仿真分布式导航系统环境——棋盘  48-53
    2.4.1 棋格设计  48-50
    2.4.2 棋格与机动仿真  50-51
    2.4.3 棋格信息交互  51-53
  2.5 高仿真分布式导航系统元素——棋子（算子）  53-57
    2.5.1 棋子结构  53-54
    2.5.2 棋子的内外部驱动  54-56
    2.5.3 算子导航与寻径实例  56-57
  2.6 高仿真分布式导航系统问题与实例  57-61
    2.6.1 群体导航与统计参数应用  57-60
    2.6.2 加载导航算法的仿真实验过程  60-61
  2.7 仿真实验结果评测  61-62
  2.8 本章小结  62-64
第3章对等节点容错导航算法  64-95
  3.1 问题描述  64-65
  3.2 条件假设  65
  3.3 问题分析与解决思路  65-67
  3.4 解决方案与总体设计  67-70
    3.4.1 解决方案  67-68
    3.4.2 对等节点总体方案  68-69
    3.4.3 总体流程  69-70
  3.5 系统详细结构  70-72
  3.6 “残迹”数据与地形物库  72-75
  3.7 对等节点交互协议  75-85
    3.7.1 数据包结构设计  75-79
    3.7.2 对等节点分布式容错协议流程  79-84
    3.7.3 对等节点的分布式导航容错应用实例  84-85
  3.8 残迹关键点分类算法  85-88
    3.8.1 算法原理  85-86
    3.8.2 算法应用  86-88
  3.9 多曲线重复路径识别算法  88-89
    3.9.1 算法原理与研究沿革  88-89
    3.9.2 算法应用与实例  89
  3.10 算法仿真设计  89-91
  3.11 仿真试验与分析  91-94
    3.11.1 算法模型的可用性试验  91-92
    3.11.2 算法性能试验与分析  92-94
  3.12 本章小结  94-95
第4章基于群组的容错导航技术研究  95-129
  4.1 问题分析  95-97
  4.2 解决思路  97-98
  4.3 解决方案与总体设计  98-104
    4.3.1 解决方案  98-100
    4.3.2 基于群组的节点总体方案  100-101
    4.3.3 算法总体流程  101-104
  4.4 系统详细结构改进  104-105
  4.5 改进的残迹数据处理方法  105-109
    4.5.1 领航节点及其管理  105-106
    4.5.2 普通节点管理  106-107
    4.5.3 群体容错中的残迹数据存储改进  107-109
  4.6 群组交互协议  109-117
    4.6.1 群组交互协议  109-110
    4.6.2 基于群组的查询协议  110-116
    4.6.3 交互协议实例  116-117
  4.7 路径选择算法  117-119
  4.8 路径拥堵预防算法  119-120
  4.9 群组领航节点选路算法的设计  120-122
  4.10 算法仿真设计  122-123
  4.11 仿真试验与分析  123-128
    4.11.1 算法的可用性试验  123-125
    4.11.2 算法性能试验与分析  125-128
  4.12 本章小结  128-129
第5章 Agent导航仿真技术研究  129-136
  5.1 技术应用分析  129-130
  5.2 Agent仿真技术应用  130-131
  5.3 基于Agent模型的导航对象仿真机制  131-133
  5.4 Agent模型应用实例及性能评测  133-135
    5.4.1 Agent模型实例  133
    5.4.2 性能分析与测试结果  133-135
  5.5 本章小结  135-136
结论  136-138
参考文献(尾注式文献)  138-148
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  148-149
致谢  149

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