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随着信息技术的快速发展,工业无线网络技术成为继现场总线之后自动化领域新的研究热点。工业无线网络技术以其灵活性强、扩展性强、成本低和能耗低等特点,能有效降低工业测控系统的投资成本和使用成本,大大扩展了工业测控系统的应用范围。在863重点项目支持下,由中科院、浙江大学、西南大学等国内10余家单位共同研发的面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术——WIA-PA (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)已经成为国际标准文件之一。由于工业应用环境的恶劣性和苛刻性,面向工业实时测控的WIA-PA网络需要解决无线通信中的强实时性和高可靠性问题,使得网络的可靠性研究十分必要,因此如何提高WIA-PA网络的可靠性是WIA-PA研究开发中的一个重要课题。WIA-PA网络采用星型和网状网络结合的双层网络拓扑结构,网络中路由和簇首等关键节点承担着网络中数据转发、数据聚合、通信资源分配和设备管理等重要工作,关键节点一旦失效,将导致关键数据的丢失,甚至导致局部网络或者整个网络的瘫痪。由此可见,节点连续服务的能力至关重要,对WIA-PA关键节点冗余机制的研究有着十分重要的意义。本文作者在参与国家863课题WIA-PA的研究过程中,深入分析了工业测控现场对WIA-PA冗余机制服务质量(Quality of Service, QoS)的要求,提出了冗余机制的QoS体系,并在此基础上制定了满足冗余机制QoS需求的心跳算法。该算法针对工业无线网络中的网络延迟和数据丢包问题,提出了动态网络状态估算和基于新鲜点序列的怀疑机制,保证了WIA-PA冗余机制的在无扰服务切换允许时间内的有很高的检测准确率,解决了WIA-PA原有冗余机制中存在的误检率高、可靠性低的问题。本文首先介绍了WIA-PA冗余机制的原理和架构,分析了其中存在的问题并指出了自适应心跳算法(Adaptive Heartbeat Protocol, AHB)的不足,这些不足导致AHB无法满足工业测控现场的应用。因此,作者研究了WIA-PA冗余机制的QoS机制,给出了QoS参数框架和度量参数,并构建WIA-PA冗余机制的QoS需求。由于心跳算法是冗余机制的核心,本文基于概率网络模型和随机过程理论研究了满足WIA-PA冗余机制QoS的心跳算法,提出了动态心跳算法(Dynamic Heartbeat Algorithm, DHB)。DHB提出了根据最近n条心跳信息来动态反应当前网络状态的方法来解决网络延迟的问题,提出了基于新鲜点序列的怀疑机制来解决数据的丢包问题,经过理论分析,DHB算法较好的满足了冗余机制的QoS需求。本文最后进行了仿真实验,一致性仿真实验结果表明DHB算法实验结果是与QoS理论分析保持一致的,进一步验证了DHB算法能够满足冗余机制的QoS需求;通过n值的仿真实验是要探索n的取值对冗余机制QoS最大检测时间的影响,并选取适合于DHB算法的n的取值范围；对比性仿真实验是对DHB和AHB在满足相同检测速度的限制下进行的关于检测精度的实验,结果表明了DHB在检测精度方面相对于AHB有很大的提升,验证了DHB算法能够给WIA-PA冗余机制提供很好的QoS,大大提高了WIA-PA网络的可靠性。