《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》：AoI Violation Constrained Control Cost Optimization for Delay-Sensitive Industrial IoT
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本刊推荐：针对工业物联网中无线通信时延影响控制系统性能的问题，研究人员开展了基于信息年龄（AoI）的通信控制协同优化研究。通过建立AoI违例概率约束下的控制成本最小化模型，结合随机极大值原理设计控制器，解决了信息不对称导致的经典分离原理失效问题。研究结果表明，该方案能动态调整传输功率，在保证系统稳定性的同时显著降低控制成本，为工业5.0时代延迟敏感型物联网系统提供了创新解决方案。
在工业5.0时代背景下，工业物联网（IIoT）将通信与控制功能深度融合，然而无线网络的引入使得传输延迟问题愈发突出。与传统有线网络相比，无线通信环境中的信号传输受到更多复杂因素影响，导致状态更新不及时，进而影响控制系统的稳定性和性能。单纯提高传输速率虽然可以降低延迟，但会消耗大量通信资源，且可能无法改善长期系统性能。这种通信与控制之间的耦合关系，成为制约工业物联网发展的关键瓶颈。
信息年龄（Age of Information, AoI）作为一种新兴的性能度量指标，不仅关注传输间隔，更强调控制中心信息的新鲜度。基于AoI的优化设计能够在不牺牲实时性的前提下，智能调整传输策略，实现通信资源的高效利用。然而，由于各子系统获取的历史状态信息存在不对称性和不完整性，经典控制理论中的分离原则不再适用，这为控制器设计带来了巨大挑战。
针对上述问题，苏佳伟等研究人员在《IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica》发表论文，提出了一种创新的联合通信控制优化方案。该方案首次将AoI优化策略与基于随机极大值原理的控制器设计相结合，有效缓解了诱导延迟对系统性能的负面影响。
研究团队采用的主要技术方法包括：建立多设备互联IIoT系统的离散时间线性模型，设计基于AoI违例概率约束的控制成本优化框架，运用随机极大值原理解决信息不对称条件下的控制器设计问题，推导平均AoI和AoI违例时间的数学表达式，并通过拉格朗日函数法求解最优功率分配策略。研究还以负载频率控制（LFC）为案例，通过频率偏差、发电机功率、汽门开度和联络线功率流四个指标验证系统稳定性。
联合通信控制问题建模：研究建立了多设备互联IIoT系统的联合优化模型，其中子系统离散时间线性模型表示为x(k+1)=Ax(k)+∑i=1IB?iui(k)+ω(k)。通过分析数据包传输过程和AoI路径，定义了Δ(k)=k-max{kt,k?t|kt,k?t≤k}作为AoI的数学表达式，并推导出基于AoI的系统模型。
最优控制器设计：针对信息不对称问题，研究将控制输入ui(k)分解为公共信息部分和创新信息部分。通过随机极大值原理，推导出反馈增益计算公式L(k)=-(Γ(k))-1(BTP(k+1)A)和Li(k)的显式表达式。理论分析证明，当系统矩阵谱半径ρ(A)≤1时，最优控制成本J*满足J*≤J0*+1/2tr(WP?)E[Δ]，建立了AoI与控制成本之间的定量关系。
通信策略求解：研究分析了成功传输间隔at、确认延迟ct和更新间隔ut的统计特性，推导出平均AoI表达式E[Δ]和AoI违例概率P[Δvio]的闭合解。基于信干噪比（SINR）模型，建立了成功传输速率ps(χi)与发射功率χi的函数关系，将联合优化问题转化为凸优化问题。
仿真验证：通过负载频率控制案例研究，对比了所提方案与固定功率方案的性能差异。仿真结果表明，基于AoI的联合优化方案在平均AoI和控制成本方面均优于固定功率方案。当成功传输概率ps从0.3增加到0.9时，平均AoI从3.2个时隙降低到1.5个时隙，控制成本相应减少约40%。
系统稳定性分析：通过对比四个偏差指标的波动情况，验证了所提方案在提高系统稳定性方面的优势。在联合优化方案下，频率偏差、发电机功率、汽门开度和联络线功率流的波动幅度均显著降低，表明系统具有更好的动态响应特性。
本研究通过将通信与控制纳入统一研究框架，创新性地提出了基于AoI违例约束的控制成本优化方案。理论分析和仿真实验表明，该方案能够动态调整传输功率和控制策略，在保证信息新鲜度的同时优化系统性能。相比于传统方法，所提方案在控制成本和系统稳定性方面均有显著改善，为工业5.0环境下延迟敏感型物联网系统的设计提供了重要理论支撑和实践指导。该研究不仅解决了现有控制系统设计中忽视诱导延迟因素的问题，更通过AoI这一关键纽带，实现了通信与控制的深度融合，推动了工业物联网技术的发展。
