面向高铁基础设施监测的无线传感器网络结构优化方法研究

摘要

高速铁路基础设施是高速铁路的六大核心系统之一，实时监测基础设施的服役状态对保证列车安全运营至关重要。目前，国内外多采用巡道工和轨道检测车监测高速铁路基础设施的服役状态，且监测数据多采用有线方式传输。这样的监测系统成本昂贵、不利于维护，并且不能实时准确的获得监测数据。本文将基于Zigbee技术的无线传感器网络应用于高速铁路基础设施服役状态的监测中，搭建了面向高铁基础设施监测的无线传感器网络（简称高铁基础设施无线监测网络）。该网络具有低功耗、低成本、无需布线、易于维护等特点。
　　高铁基础设施无线监测网络从下到上划分为传感器节点层、接入层和汇聚层。综合考虑成本和网络复杂性因素，本文首先对传感器节点层的节点构成进行优化，构建传感器节点构成优化模型。设计了遗传算法的初始种群、适应度函数和遗传算子，实现优化模型的快速、准确的求解。然后，对接入层节点构成进行优化，构建了基于最大带宽利用率的AP节点构成优化模型。针对每个AP节点覆盖下的ZED节点，构建基于最大带宽利用率的ZED节点构成优化模型。为了增加网络的可拓展性，针对现有网络下增加传感器节点和增加带权重的传感器节点等更具有普遍应用的约束情形，构建接入层节点构成优化模型。采用粒子群算法求解三种情况下的接入层节点构成优化模型。设计了基于粒子群算法的接入层节点构成优化流程。
　　由于网络能耗主要用于数据的发送，因此数据传输路径的优劣决定网络的使用寿命。本文将高铁基础设施无线监测网络在通信层面上划分为上层树型骨干网和下层星型检测网。设计了网络节点的通信地址和通信帧格式，降低网内通信代价和能耗。利用以通信功率代价为权重的最小生成树算法优化通信网络的拓扑结构，延长了整个网络的使用寿命。本文采用实例仿真了网络的传感器节点层节点构成优化、接入层节点构成优化以及网络通信拓扑优化过程，结果证明优化后的网络是一个低成本、低功耗、实时有效通信的高铁基础设施无线监测网络。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络研究现状

1．2．2 高速铁路基础设施监测研究现状

1．3 研究内容与框架

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究框架

1．4 本章小结

2 高铁基础设施无线监测网络

2．1 无线传感器网络

2．1．1 典型短距离无线通信技术比较

2．1．2 无线传感器网络体系结构

2．1．3 无线传感器网络拓扑

2．1．4 无线传感器网络特点

2．2 高铁基础设施无线监测网络概述

2．2．1 高铁基础设施无线监测网络架构

2．2．2 高铁基础设施无线监测网络特征

2．3 本章小结

3 高铁基础设施无线监测网络传感器节点构成优化

3．1 遗传算法概述

3．1．1 遗传算法运算流程

3．1．2 遗传算法特点

3．2 传感器节点构成优化建模

3．3 基于遗传算法的传感器节点构成优化模型求解

3．3．1 编码

3．3．2 初始种群的生成和可行化处理

3．3．3 适应度函数选取

3．3．4 选择运算

3．3．5 交叉运算

3．3．6 变异运算

3．4 实例分析

3．5 本章小结

4 高铁基础设施无线监测网络接入层节点构成优化

4．1 粒子群算法概述

4．1．1 基本粒子群算法

4．1．2 标准粒子群算法

4．1．3 粒子群算法步骤

4．2 接入层节点构成优化分析与建模

4．2．1 符号说明

4．2．2 最优AP节点个数建模

4．2．3 最优ZED节点个数建模

4．3 基于粒子群算法的检测节点与接入节点构成优化

4．4 扩展网络的接入层节点构成优化

4．4．1 现有网络增加传感器时的接入层节点构成优化

4．4．2 现有网络增加带权重传感器时的接入层节点构成优化

4．5 实例分析

4．5．1 网络接入层节点优化实例

4．5．2 现有网络增加传感器时的接入层节点构成优化实例

4．5．3 现有网络增加带有权重的传感器时的接入层节点优化实例

4．6 本章小结

5 高铁基础设施无线监测网络的通信网络优化

5．1 高铁基础设施无线监测通信网络架构

5．2 通信网络节点的通信地址与通信帧设计

5．2．1 通信地址设计

5．2．2 通信帧设计

5．3 高铁基础设施状态无线监测通信网络拓扑优化

5．3．1 相邻节点间的链路功率代价获取

5．3．2 上层骨干网的通信链路优化

5．4 高铁基础设施状态无线监测通信网络构建

5．4．1 上层树型骨干网构建

5．4．2 下层星型检测网构建

5．5 实例分析

5．6 本章小结

6 结论及展望

6．1 主要研究工作及结论

6．2 进一步研究的方向

参考文献

作者简历

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