高速铁路基础设施检测线性无线传感器网络研究

摘要

高速铁路基础设施是高速列车运营的基础，基于传感器网络的高速铁路基础设施检测能够实时感知基础设施的状态信息，保障高速铁路列车安全运营。本文利用无线传感器网络的相关理论，从网络架构、网络感知覆盖、节点优化部署和数据传输优化等方面研究了面向高速铁路基础设施服役状态检测的线性无线传感器网络。论文的主要研究内容如下:
　　首先，研究了面向高速铁路基础设施检测的线性无线传感器网络。在分析线性无线传感器网络节点分类、网络架构和通信特点的基础上，针对高速铁路基础设施的检测对象和检测内容，研究了面向高速铁路基础设施检测的线性无线传感器网络的多种架构、数据传输和通信地址分配。
　　其次，研究了高速铁路基础设施检测线性无线传感器网络感知覆盖。在线性无线传感器网络节点感知模型的基础上，从感知覆盖和通信需求角度分析了节点的部署要求。针对线性无线传感器网络多跳通信的特点，分析了节点失效对网络感知覆盖和通信覆盖的影响，并以实例分析线性网络的节点数、节点感知半径、通信半径、失效率、节点冗余覆盖对网络感知覆盖度的影响。
　　再次，研究了高速铁路基础设施检测的线性无线传感器网络节点优化部署。在分析无线传感器网络能耗模型和线性网络节点均匀部署能量消耗的基础上，研究了线性网络感知节点优化部署方案。在线性网络感知节点位置确定的前提下，研究了中继节点优化部署方案。针对大规模网络部署研究了区域化的节点优化部署方案，并通过理论推导证明其生命周期约为均匀部署方案的2倍。最后以MATLAB实例仿真，验证了节点优化部署方案的可行性和准确性。
　　最后，研究了高速铁路基础设施检测线性无线传感器网络数据优化传输。在阐述无线传感器网络路由协议的基础上，研究了基础设施检测线性网络的路由协议设计要求。研究了平面路由结构下的线性网络数据传输，建立了节点传输序列优化模型，并利用混合粒子群算法进行求解。研究了层次路由结构下的线性网络数据传输，改进LEACH协议，提出了能量均衡的分簇多跳路由算法。最后以MATLAB实例仿真验证了数据传输优化算法的可行性和准确性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络

1．2．2 线性无线传感器网络

1．2．3 高速铁路基础设施检测

1．3 研究内容

1．4 研究思路和组织结构

2 面向高铁基础设施检测的线性无线传感器网络

2．1 线性无线传感器网络概述

2．1．1 无线传感器网络

2．1．2 线性无线传感器网络

2．2 面向高铁基础设施检测的线性无线传感器网络

2．2．1 高铁基础设施检测对象和检测内容

2．2．2 线性网络在基础设施检测上的应用

2．3 高铁基础设施检测线性网络的关键问题

2．4 本章小结

3 高铁基础设施检测线性网络感知覆盖研究

3．1 线性无线传感器网络节点感知模型

3．2 线性无线传感器网络感知覆盖建模

3．3 线性网络感知覆盖实例分析

3．4 本章小结

4 高铁基础设施检测线性网络节点优化部署研究

4．1 高铁基础设施检测线性网络能耗分析

4．1．1 无线传感器网络能耗模型

4．1．2 线性网络均匀部署能耗分析

4．2 线性网络节点优化部署研究

4．2．1 线性网络感知节点优化部署研究

4．2．2 线性网络中继节点优化部署研究

4．3 线性网络区域化节点优化部署研究

4．4 线性网络节点优化部署实例分析

4．5 本章小结

5 高铁基础设施检测线性网络数据传输优化研究

5．1 高铁基础设施检测数据传输分析

5．1．1 无线传感器网络路由协议概述

5．1．2 线性网络路由协议的设计要求

5．2 基于混合粒子群算法的节点传输序列优化

5．2．1 网络模型

5．2．2 基于混合粒子群的线性网络传输序列优化

5．3 基于改进LEACH的能量均衡分簇多跳路由算法

5．3．1 最优跳数

5．3．2 最优簇头数

5．3．3 线性网络能量均衡分簇多跳路由算法描述

5．4 线性网络传输优化实例分析

5．4．1 线性网络节点传输序列优化算法实例分析

5．4．2 线性网络能量均衡分簇多跳路由算法实例分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

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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