面向高速鐵路監(jiān)測的WSNs拓撲結構分析.pdf

1、近年來，我國高速列車和高速鐵路的規(guī)模增長迅速，給人們的出行帶來了極大的便利和舒適。然而，值得注意的是，高速列車運行的安全問題也成為了人們?nèi)找骊P注的焦點。目前，我國對列車運行環(huán)境、列車運行狀態(tài)和車站環(huán)境的監(jiān)測仍以有線網(wǎng)絡為主。眾所周知，基于有線的監(jiān)控網(wǎng)絡具有成本高，靈活性低，覆蓋面小和不易擴展等缺點，已無法滿足我國高速列車和鐵路規(guī)模不斷增長的需求。尋求更高效、更全面和低成本的監(jiān)測網(wǎng)絡是我國鐵路行業(yè)朝著信息化、高速化和安全化方向不斷發(fā)展的必

2、然之舉。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)具有低成本、低功耗、自組織和高效率等特點，是當今時代的一個新興產(chǎn)業(yè)，成為了國內(nèi)外學者的研究熱點。由于列車的高速性和運行環(huán)境的特殊性，在我國，將無線傳感器網(wǎng)絡應用于列車運行環(huán)境的監(jiān)測尚不成熟，現(xiàn)存適用于此環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構和路由協(xié)議少之又少。在用于高速列車運行環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡中，本文研究了節(jié)點的優(yōu)化部署問題并分析了幾種典

3、型的拓撲結構。
　　結合我國列車運行環(huán)境的特點，本文分析了構成列車運行安全隱患的主要因素并將它們列為無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測的主要對象。針對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署于鐵路沿線呈現(xiàn)出的帶狀結構，在鐵路沿線待測區(qū)域長度和節(jié)點總數(shù)給定的情況下，本文采用拉格朗日最優(yōu)化理論推導了使節(jié)點總能耗最低的節(jié)點部署策略。由于高速運行的列車對監(jiān)測數(shù)據(jù)有較高的實時性和準確性的要求，本文在單匯聚節(jié)點的帶狀無線傳感器網(wǎng)絡中詳細分析了基于最小和最大距離傳輸?shù)耐負浣Y構的

4、網(wǎng)絡實時性、魯棒性和生存周期。在基于最大距離傳輸?shù)耐負渲?，本文提出了一種基于節(jié)點分組的數(shù)據(jù)傳輸機制，理論分析和實驗結果表明了所提機制為基于最大距離傳輸?shù)耐負鋷砹烁玫木W(wǎng)絡實時性和魯棒性。此外，節(jié)點部署的間距和數(shù)目的變化將對上述兩種拓撲的網(wǎng)絡生存周期產(chǎn)生不同的影響。
　　考慮到列車對基于無線傳感器網(wǎng)絡的運行環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的實際需求，本文提出了基于多匯聚節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測模型，同時所提模型也解決了帶狀網(wǎng)絡中節(jié)點負載不均衡的問題。