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

1、運營安全是高速鐵路開展運輸工作的前提，隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加，對高速列車運營環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求。目前，我國高速列車運營環(huán)境監(jiān)測目標種類繁多、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，且各專業(yè)系統(tǒng)各自為政，投資建設成本高，后期維護難度大。無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、自組織、無需布線和魯棒性強等特點，能較好的滿足工業(yè)級的數(shù)據(jù)監(jiān)測需求，可以實現(xiàn)對鐵路沿線的大范圍部署，保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，降低列車運營環(huán)境監(jiān)測的成

2、本，降低監(jiān)測系統(tǒng)施工和維護的難度，有效滿足高速鐵路沿線關鍵區(qū)域和偏遠地區(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)絡技術全面應用于高速列車運營環(huán)境監(jiān)測中，以高速列車運營環(huán)境監(jiān)測的實際需求出發(fā)，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構及邏輯架構，研究地面無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構、節(jié)點部署、路由協(xié)議以及車地無線傳感器網(wǎng)絡傳輸方案等關鍵技術，并以自然災害及異物侵限監(jiān)測為應用實例，設計基于無線

3、傳感器網(wǎng)絡的自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)。
　　論文的主要工作包括:
　　(1)分析了高速列車運營環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀及其業(yè)務需求，總結了無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡結構和典型的無線傳感器網(wǎng)絡架構，提出基于SOA和無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構，并結合業(yè)務范圍設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構，以及各無線傳感器網(wǎng)絡的架構和組網(wǎng)。
　　(2)通過深入研究無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構，設計地面無線

4、傳感器網(wǎng)絡混合分級拓撲結構。該拓撲結構充分結合鐵路沿線監(jiān)測設備和基礎設施的特點，由局部網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩部分組成。骨干網(wǎng)的設計可將鐵路沿線涉及到的所有專業(yè)的監(jiān)測設備進行統(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。針對地面無線傳感器網(wǎng)絡骨干網(wǎng)線性分布的特點，提出能量均衡非均勻節(jié)點優(yōu)化部署策略，可有效避免出現(xiàn)線性無線傳感器網(wǎng)絡的“能量空洞”問題。
　　(3)提出鐵路沿線線性無線傳感器網(wǎng)絡

5、路由協(xié)議，該路由協(xié)議以線性無線傳感器網(wǎng)絡能量均衡非均勻節(jié)點優(yōu)化部署策略為基礎，綜合考慮網(wǎng)絡壽命和監(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，在網(wǎng)絡能耗均衡的前提下，以最大化網(wǎng)絡生命周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量為目標，建立數(shù)據(jù)包轉發(fā)模型和數(shù)據(jù)包傳輸時延模型。并對鏈路可能發(fā)生的故障類型進行分析，給出了故障節(jié)點失效處理策略。
　　(4)對現(xiàn)有無線通信技術和列車車地通信技術進行詳細論述，提出采用車地無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)

6、車地信息的實時傳輸方案。通過在真實的高速列車運營環(huán)境下對多種無線通信技術進行“點對點”測試，確定最適用于列車高速移動場景下構建車地無線傳感器網(wǎng)絡的通信技術。設計基于接力傳輸?shù)能嚨責o線傳感器網(wǎng)絡，通過優(yōu)化通信模塊設計及多個節(jié)點的接力傳輸，大幅度提高了車地無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送量，并通過室內(nèi)試驗、室外試驗及高鐵現(xiàn)場試驗驗證了該方案的可行性。
　　(5)根據(jù)上述理論技術研究，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)架構及組網(wǎng)