基于无线传感器网络的边坡防护技术的研究与应用

摘要

安全是铁路运输永恒的主题。在列车车体以及设备正常的情况下，必须要保证轨道正常并且没有异物入侵铁路限界，列车才能安全行驶。但是我国山区铁路建设比重较大，由于自然灾害或者人为的原因，线路穿过山区时可能会发生崩塌、滚石等灾害，一旦山坡上的危石落入线路，将严重威胁行车安全。为了促进列车的安全运行，论文对铁路运输中的滚石侵限自动监测技术进行了深入研究，开发出针对滚石侵限的防灾安全监控系统，该系统对保证山区铁路的运营安全具有重大意义。
　　论文从安全、科学的角度出发，提出了采用无线传感器网络技术监测铁路运输过程中边坡安全的系统设计。该系统首先根据边坡环境的具体要求，结合光纤光栅技术相对于传统监测技术的优势，选择了合理的传感器类型；根据系统对数据采集的需求以及被动柔性防护网的受力特点，提出了传感器节点的部署方案；传感器节点部署完成后，通过传感器监测到的信号的动态以及静态规律与被动柔性防护网破坏状态时的临界值来综合确定预报模型和报警触发条件。在深入研究面向实时监测的无线传感器网络通信协议设计的基础上，重点分析并在现有的通信协议中优选了适合本系统的数据链路层协议和网络层协议。
　　论文在分析系统架构的过程中，始终贯穿着能效机制，提出了节点混合部署方案和分簇线形网络拓扑结构两种节能方案。在节点混合部署方案中，论文将监测传感器节点分为普通传感器节点和冗余传感器节点，以每个监测区域的总能量与能量消耗速度之比保持一致为依据，推导出冗余节点的密度公式。在系统中均匀布置普通传感器节点，根据密度公式布置冗余节点，论文对该设计方案进行理论分析并且通过OMNeT++平台进行仿真验证，得出了节点混合部署方案下系统生命周期是节点均匀部署方案下系统生命周期的2倍的结论。在分簇线形网络拓扑结构中，针对边坡防护的实际情况，论文在分簇路由思想的主导下，对监测区域进行合理分簇，建立分簇的线形网络模型，使得能量在每个簇内得到有效的均衡，延长了网络的生命周期。
　　本文在对整个系统总体设计的基础上，重点研究延长系统生命周期的方案，从理论分析和仿真实现两个角度验证了系统的可行性。