高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、運(yùn)營安全是高速鐵路開展運(yùn)輸工作的前提，隨著我國高速鐵路運(yùn)營里程的不斷增加，對(duì)高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求。目前，我國高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測目標(biāo)種類繁多、需求量大，而大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸均采用有線網(wǎng)絡(luò)，且各專業(yè)系統(tǒng)各自為政，投資建設(shè)成本高，后期維護(hù)難度大。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、自組織、無需布線和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好的滿足工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測需求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線的大范圍部署，保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，降低列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測的成

2、本，降低監(jiān)測系統(tǒng)施工和維護(hù)的難度，有效滿足高速鐵路沿線關(guān)鍵區(qū)域和偏遠(yuǎn)地區(qū)的大范圍部署和長期在線監(jiān)測的需要。
　　本文從全路的角度，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面應(yīng)用于高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測中，以高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測的實(shí)際需求出發(fā)，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)及邏輯架構(gòu)，研究地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)部署、路由協(xié)議以及車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方案等關(guān)鍵技術(shù)，并以自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測為應(yīng)用實(shí)例，設(shè)計(jì)基于無線

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)。
　　論文的主要工作包括:
　　(1)分析了高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀及其業(yè)務(wù)需求，總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出基于SOA和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)，并結(jié)合業(yè)務(wù)范圍設(shè)計(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車運(yùn)營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，以及各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和組網(wǎng)。
　　(2)通過深入研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)地面無線

4、傳感器網(wǎng)絡(luò)混合分級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分結(jié)合鐵路沿線監(jiān)測設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的特點(diǎn)，由局部網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩部分組成。骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)可將鐵路沿線涉及到的所有專業(yè)的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，信息統(tǒng)一傳輸，避免各專業(yè)各自為政，重復(fù)投資，還可以避免無線信道的相互搶占和相互干擾問題。針對(duì)地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)線性分布的特點(diǎn)，提出能量均衡非均勻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略，可有效避免出現(xiàn)線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“能量空洞”問題。
　　(3)提出鐵路沿線線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、路由協(xié)議，該路由協(xié)議以線性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡非均勻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略為基礎(chǔ)，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)壽命和監(jiān)測信息的重要程度，根據(jù)監(jiān)測信息的重要程度將數(shù)據(jù)包劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，在網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的前提下，以最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量為目標(biāo)，建立數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延模型。并對(duì)鏈路可能發(fā)生的故障類型進(jìn)行分析，給出了故障節(jié)點(diǎn)失效處理策略。
　　(4)對(duì)現(xiàn)有無線通信技術(shù)和列車車地通信技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，提出采用車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

6、車地信息的實(shí)時(shí)傳輸方案。通過在真實(shí)的高速列車運(yùn)營環(huán)境下對(duì)多種無線通信技術(shù)進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測試，確定最適用于列車高速移動(dòng)場景下構(gòu)建車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。設(shè)計(jì)基于接力傳輸?shù)能嚨責(zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化通信模塊設(shè)計(jì)及多個(gè)節(jié)點(diǎn)的接力傳輸，大幅度提高了車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送量，并通過室內(nèi)試驗(yàn)、室外試驗(yàn)及高鐵現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。
　　(5)根據(jù)上述理論技術(shù)研究，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)及組網(wǎng)