高速公路交通参数获取网络节点布设与传输方法研究

摘要

随着高速公路的迅速发展，高速公路的交通流量急剧升高，交通事故、交通拥挤问题日趋严重。可靠准确的交通参数是实时监控交通状态，保障高速公路安全高效运营的重要依据。高速公路传感器网络提供了信息化、智能化手段，在交通参数获取方面发挥着关键作用。
　　高速公路传感器网络的研究由两部分组成，交通参数感知层与交通参数传输层。感知层主要考虑如何基于价值与成本的博弈布设传感器，感知完备、可靠的交通参数;传输层主要考虑如何用最小的能耗将感知的数据进行传输。二者是交通参数获取的两个重要阶段，具有先后顺序，缺一不可。
　　本文的研究对象是面向交通参数获取的高速公路传感器网络，结合高速公路的特殊性，分别研究了传感器网络的节点布设与数据传输方法。本文主要研究成果有以下两个方面:
　　(1)研究了高速公路交通参数感知的节点布设方法。首先，基于交通参数感知特性，提出了交通参数感知度的概念，通过感知度对交通参数获取的完备性进行了定量分析。其次，提出了交通参数覆盖度的概念，通过对匝道路段进行多重感知覆盖，研究了交通参数的冗余感知策略。再次，从传感器布设影响因素出发，提出了子路段均匀布设方法，将传感器布设的价值与成本的博弈具体化，建立了双层约束传感器布设模型，并给出了基于模拟退火算法的求解过程。最后，结合江苏省高速公路对布设模型的有效性进行了实例验证。
　　(2)研究了高速公路交通参数传输方法。首先，通过分析高速公路传输需求，构建了高速公路交通参数传输的双层次网络架构，并给出了双层次网络节点能耗的定性及定量分析。其次，提出了簇首指数的概念，通过簇首指数优化改进了网络簇首的选择机制，并以均衡网络能耗为目的设计了基于簇首指数的非均匀分簇路由算法。再次，建立了能耗均衡模型用以评价传输路由方案的好坏，并给出了基于遗传粒子群算法的求解过程。最后，基于江苏省高速公路节点布设实例，求解了该网络交通参数传输路由方案，并与其他传输路由方案进行了对比，验证了本文设计的传输路由算法能够有效均衡网络能耗，并延长网络生命周期。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究问题与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 高速公路传感器网络

1．3．2 高速公路传感器网络节点布设

1．3．3 高速公路传感器网络数据传输

1．4 本文创新点

1．5 研究内容与技术路线

2．1 概述

2．2 高速公路交通参数

2．3 高速公路交通参数感知技术

2．4 高速公路交通参数获取网络

2．4．1 交通状态感知传感器网络通用架构

2．4．2 高速公路交通参数获取网络设计

2．5 本章小结

3 高速公路交通参数获取网络节点布设方法

3．1 概述

3．2 基于感知度的交通参数完备获取方法

3．2．1 交通参数感知度

3．2．2 交通参数感知度函数标定方法

3．2．3 满足感知度阈值的交通参数完备获取方法

3．3 基于覆盖度的交通参数冗余感知策略

3．3．1 交通参数覆盖度

3．3．2 匝道路段冗余布设策略

3．4 双层约束传感器布设模型与算法实现

3．4．1 模型参数分析

3．4．2 双层约束传感器布设模型

3．4．3 基于模拟退火的求解算法

3．5 传感器布设拓展问题

3．6 本章小结

4 高速公路交通参数获取网络数据传输方法

4．1 概述

4．2 交通参数传输网络结构及能耗分析

4．2．1 网络结构

4．2．2 无线传感器网络能耗

4．2．3 双层次网络节点能耗

4．3 基于簇首指数的非均匀分簇路由设计

4．3．1 簇规模划分

4．3．2 簇首选择

4．3．3 稳态传输

4．4 能耗均衡模型与算法实现

4．4．1 能耗均衡模型

4．4．2 基于遗传粒子群的求解算法

4．5 交通参数传输拓展问题

4．6 本章小结

5 实例分析

5．1 问题描述

5．2 高速公路交通参数获取网络节点布设实例

5．2．1 参数标定

5．2．2 求解分析

5．3 高速公路交通参数获取网络数据传输实例

5．3．1 参数标定

5．3．2 求解分析

5．4 本章小结

6．1 研究结论

6．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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