轨道交通系统状态监测专用无线传感网资源优化配置方法研究

摘要

我国轨道交通系统的建设和运营已经进入高速发展阶段，列车运行速度和运营里程的快速提升，给轨道交通系统运行的安全性和可靠性带来了更大的挑战。因此，需要对列车、基础设施及其运行环境的服役状态进行实时监测，并对系统运行态势做出精准预测，为系统安全运行提供数据和技术支撑。我国轨道交通系统运行环境复杂，有线监测系统建设成本高、运维难度大，而且在边远地区或环境恶劣的运行区域内难以实现全覆盖。因此，本文提出了轨道交通系统服役状态监测的无线传感网解决方案，并对无线传感网全生命周期功能保持最关键的能量管理和带宽资源管理问题进行了深入的研究。无线传感网节点的能量资源是保证系统生命周期的基础，而带宽资源是保证监测信息传输能力的前提，无线传感网中感知和通信节点的能量及带宽资源有限的特性将严重制约专用无线传感网工作的持续性及其信息传输的可靠性。基于这一实践需求，本文提出了无线传感网能量和带宽资源优化配置模型，提升了专用无线传感网的能量和带宽资源的使用效率，进而保持了系统的工作能力并增强了信息传输的可靠性，确保最大程度地发挥专用无线监测网的综合效能。
　　针对轨道交通状态监测应用的专用无线传感网，目前国际上的研究刚刚起步，某些局部应用证明能量管理和带宽管理制约着无线传感网在构成轨道交通智能化应用方面的可行性和可用性。而且这方面的研究刚刚起步，还没有形成系统化的理论和技术成果。
　　本文按照轨道交通状态监测专用无线传感网“系统架构-系统能量优化配置-系统带宽资源优化配置”的思路展开研究，重点解决了专网生命周期及带宽资源利用效率最大化等问题的研究，并通过场景实例和数值实例对本文提出的理论模型和方法的有效性进行了仿真验证，主要的研究成果主要体现在以下几个方面:
　　(1)基于轨道交通基础设施及运行环境的分布特征、既有无线通信系统的部署方式及无线传感网的布局特征，构建了轨道交通系统状态监测专用无线传感网“子网-骨干网”双层架构，为监测信息的节能、高效、可靠、安全传输提供了基本的通信架构。
　　(2)结合专用无线传感网感知及通信节点能量资源有限的特点，采用路由协议优化和数据融合优化策略对能量资源进行优化配置，提升系统的能量资源利用效率，从而最大化专用无线传感网生命周期。
　　提出并验证了分簇优化算法在子网内能量优化配置方面的优越性。
　　通过簇头的选择的分簇的优化，保证子网节点能量消耗的最小化和均衡化，从而最大限度地提升子网的生命周期。首先，在簇头选择过程中，充分考虑了节点当选簇头的轮数、剩余能量及预测能耗等综合指标;其次，在分簇优化过程中，充分考虑了簇组规模及簇头与簇组成员的对应关系。
　　提出并验证了数据融合率优化算法在簇头节点处能量资源优化配置方面的优越性。
　　通过优化子网层簇头节点的数据融合率，最小化簇头节点的总能耗（数据融合能耗和通信能耗），从而提升簇头节点及子网的生命周期。首先，研究了簇头节点数据融合率变化对数据融合能耗和通信能耗的影响;然后，结合簇头通信负载和通信距离的动态变化特性，构建了数据融合率动态优化模型，确保簇头节点保持在能耗最小的工作模式。
　　提出并验证了多跳优化算法在骨干网能量资源优化配置方面的优越性。
　　通过对多跳数据通信链路及各链路传输的数据量进行优化，从而最大化骨干网生命周期并最小化系统通信时延，进而提升骨干网的综合效能。首先，综合效能优化模型对骨干网的生命周期和通信时延进行综合优化。然后，采用调度优化算法对多跳链路的通信顺序进行优化，从而进一步降低了系统的通信时延。
　　(3)结合专用无线传感网带宽资源有限的特征，采用基于非对称纳什博弈论对带宽资源进行动态优化配置，提升系统带宽资源的使用效率，从而保证监测信息稳定可靠传输。
　　首先，对各监测对象信息传输的带宽需求、优先级和重要度等特征进行分析;然后，根据各监测对象带宽使用效率及信息传输的通信需求等，建立系统效用函数;最后，采用粒子群优化算法对带宽分配优化模型进行求解，在保证各监测对象基本信息完整传输的前提下，对剩余带宽资源进行按需动态配给。
　　综上，本文较为完整地对轨道交通状态监测专用无线传感网资源优化配置方法进行了研究，分别从路由协议优化、数据融合率优化、带宽动态分配优化等角度入手，实现了有限资源的高效利用。所取得的研究成果在一定意义上丰富了国内外轨道交通系统状态无线监测领域的研究内容，也将为轨道交通系统服役状态监测的实际从业者、管理者以及学者提供理论和实证支撑。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1研究背景

1．1．2问题提出

1．2研究的问题及意义

1．3国内外研究现状

1．3．1轨道交通系统状态监测技术研究

1．3．2轨道交通系统状态监测无线传感网关键技术

1．3．3轨道交通状态监测无线传感网路由协议优化技术

1．3．4轨道交通状态监测无线传感网能量管理优化技术

1．3．5轨道交通状态监测无线传感网带宽资源分配优化技术

1．4本文研究内容与研究方法

1．5本文研究思路与组织结构

2轨道交通状态监测专用无线传感网系统架构及关键技术

2．1引言

2．2轨道交通状态监测系统总体架构

2．2．1轨道交通状态监测需求

2．2．2轨道交通状态监测系统基本架构

2．3轨道交通状态监测专用无线传感网及其关键技术

2．3．1无线传感网及其特点

2．3．2轨道交通状态监测专用无线传感网结构

2．3．3专用无线传感网子网结构及路由协议

2．3．4专用无线传感网骨干网结构及路由协议

2．4轨道交通状态监测专用无线传感网关键技术问题

2．5本章小结

3基于分簇优化的子网能量资源优化配置方法研究

3．1引言

3．2轨道交通状态监测专用无线传感网子网结构及信息传输方式

3．3轨道交通状态监测系统子网能耗模型及路由协议

3．3．1轨道交通状态监测专用无线传感网子网节点能耗模型

3．3．2基于分簇优化的子网生命周期最大化方法总体结构

3．4基于分簇优化的子网能量资源优化配置方法

3．4．1基于K-means++的分簇及簇头初始化

3．4．2簇头选择和轮值概率模型

3．4．3分簇的产生和优化概率模型

3．4．4基于NSGA-Ⅱ的分簇优化求解

3．4．5基于最优分簇的监测信息稳定传输

3．5仿真分析与验证

3．5．1仿真环境及参数配置

3．5．2仿真结果及其分析

3．6本章小结

4基于数据融合的子网能量资源优化配置方法研究

4．1引言

4．2基于数据融合的轨道交通专用无线传感网子网结构

4．2．1基于数据融合的轨道交通状态监测专用无线传感网通信结构

4．2．2基于数据融合的轨道交通专用无线传感网子网节点工作模式

4．2．3基于数据融合的轨道交通状态监测系统子网关键技术问题

4．2．4基于数据融合的子网能量资源优化配置方法框架

4．3基于数据融合的无线传感网子网能量资源优化方法研究

4．3．1专用无线传感器网络子网分簇及簇头选择优化

4．3．2基于数据融合的子网簇头多跳通信模式

4．3．3基于数据融合的子网簇头能量资源优化配置模型

4．4基于动态数据融合的能量优化模型仿真结果分析与验证

4．4．1仿真环境及参数配置

4．4．2基于数据融合的簇头节点能耗优化结果分析

4．4．3基于数据融合的子网生命周期优化结果分析

4．5本章小结

5基于多跳优化的骨干网能量资源优化配置方法研究

5．1引言

5．2轨道交通状态监测专用无线传感网骨干网信息传输方式

5．3轨道交通状态监测系统的监测对象及其数据特征分析

5．4轨道交通状态监测系统骨干网多跳通信路由协议优化

5．4．1专用无线传感网骨干网多跳通信路由协议整体架构

5．4．2专用无线传感网多跳通信路由协议优化模型

5．5轨道交通状态监测专用无线传感网骨干网多跳通信路由协议评价模型

5．5．1专用无线传感网骨干网各监测对象及系统多跳链路数

5．5．2专用无线传感网骨干网各监测对象及系统通信时延

5．5．3专用无线传感网骨干网生命周期

5．5．4专用无线传感网骨干网相对效用函数

5．6仿真分析与验证

5．6．1仿真环境及参数配置

5．6．2仿真结果对比分析与讨论

5．7本章小结

6轨道交通状态监测专用无线传感网带宽资源优化配置方法

6．1引言

6．2轨道交通状态监测专用无线传感网带宽资源分配策略架构

6．2．1带宽资源动态优化配置信息输入层

6．2．2带宽资源动态优化配置策略层

6．2．3专用无线传感网带宽资源动态优化配置结果输出层

6．3轨道交通无线通信网带宽资源优化配置模型

6．3．1带宽资源动态分配优化模型建立

6．3．2专用无线传感网带宽资源动态分配优化求解

6．4仿真分析与验证

6．4．2基于N-PSO的带宽资源分配模型仿真结果及分析

6．5本章小结

7．1研究结论与创新点

7．2研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集