【摘要】：運(yùn)營(yíng)安全是高速鐵路開(kāi)展運(yùn)輸工作的前提,隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加,對(duì)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。目前,我國(guó)高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)目標(biāo)種類(lèi)繁多、需求量大,而大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸均采用有線網(wǎng)絡(luò),且各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)各自為政,投資建設(shè)成本高,后期維護(hù)難度大。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、自組織、無(wú)需布線和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn),能較好的滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線的大范圍部署,保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度,降低列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的成本,降低監(jiān)測(cè)系統(tǒng)施工和維護(hù)的難度,有效滿(mǎn)足高速鐵路沿線關(guān)鍵區(qū)域和偏遠(yuǎn)地區(qū)的大范圍部署和長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)的需要。本文從全路的角度,將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全面應(yīng)用于高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中,以高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求出發(fā),提出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)及邏輯架構(gòu),研究地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)部署、路由協(xié)議以及車(chē)地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸方案等關(guān)鍵技術(shù),并以自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)為應(yīng)用實(shí)例,設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。論文的主要工作包括:(1)分析了高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀及其業(yè)務(wù)需求,總結(jié)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提出基于SOA和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu),并結(jié)合業(yè)務(wù)范圍設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯架構(gòu),以及各無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和組網(wǎng)。(2)通過(guò)深入研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合分級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分結(jié)合鐵路沿線監(jiān)測(cè)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的特點(diǎn),由局部網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩部分組成。骨干網(wǎng)的設(shè)計(jì)可將鐵路沿線涉及到的所有專(zhuān)業(yè)的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理,信息統(tǒng)一傳輸,避免各專(zhuān)業(yè)各自為政,重復(fù)投資,還可以避免無(wú)線信道的相互搶占和相互干擾問(wèn)題。針對(duì)地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)線性分布的特點(diǎn),提出能量均衡非均勻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略,可有效避免出現(xiàn)線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“能量空洞”問(wèn)題。(3)提出鐵路沿線線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,該路由協(xié)議以線性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡非均勻節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署策略為基礎(chǔ),綜合考慮網(wǎng)絡(luò)壽命和監(jiān)測(cè)信息的重要程度,根據(jù)監(jiān)測(cè)信息的重要程度將數(shù)據(jù)包劃分為不同的優(yōu)先級(jí),在網(wǎng)絡(luò)能耗均衡的前提下,以最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量為目標(biāo),建立數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型和數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)延模型。并對(duì)鏈路可能發(fā)生的故障類(lèi)型進(jìn)行分析,給出了故障節(jié)點(diǎn)失效處理策略。(4)對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)和列車(chē)車(chē)地通信技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述,提出采用車(chē)地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)地信息的實(shí)時(shí)傳輸方案。通過(guò)在真實(shí)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下對(duì)多種無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測(cè)試,確定最適用于列車(chē)高速移動(dòng)場(chǎng)景下構(gòu)建車(chē)地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)。設(shè)計(jì)基于接力傳輸?shù)能?chē)地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò),通過(guò)優(yōu)化通信模塊設(shè)計(jì)及多個(gè)節(jié)點(diǎn)的接力傳輸,大幅度提高了車(chē)地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送量,并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、室外試驗(yàn)及高鐵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。(5)根據(jù)上述理論技術(shù)研究,提出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)及組網(wǎng)方案,設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并進(jìn)行系統(tǒng)的硬件選型設(shè)計(jì)、軟件流程設(shè)計(jì)及研發(fā),解決了現(xiàn)有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線成本高、不能靈活增加監(jiān)測(cè)功能的問(wèn)題,對(duì)系統(tǒng)的產(chǎn)品化工作提供技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TP212.9;TN929.5;U298
【圖文】：

邐中國(guó)鐵道科學(xué)研究院博士學(xué)位論文邐逡逑３．基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)逡逑３．１基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)逡逑３．１．１無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逡逑無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖３－１所示，通常包括感知節(jié)點(diǎn)逡逑（Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｎｏｄｅ邋）、匯聚節(jié)點(diǎn)（也稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)、Ｓｉｎｋ邋Ｎｏｄｅ）和遠(yuǎn)程監(jiān)控端（Ｒｅｍｏｔｅ邋Ｅｎｄ）0逡逑監(jiān)（ＳｅｎｓｏｒＦｉｅｌｄ）近。逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－２邋Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ＭＡＮＮＡ逡逑（２）邋ＢＯＳＳ逡逑Ｓｏｎｇ等＿提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理框架ＢＯＳＳ是由是一種基于ＵＰｎＰ協(xié)逡逑議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。該框架下通過(guò)在資源有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和逡逑ＵＰｎＰ控制點(diǎn)之間建立橋接使其能接入ＵＰｎＰ網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)用戶(hù)可以通過(guò)多種ＵＰｎＰ逡逑控制點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的易用性［３８】。ＢＯＳＳ逡逑系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、ＵＰｎＰ控制點(diǎn)以及ＢＯＳＳ組成，結(jié)構(gòu)如圖３－３逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋ＢＯＳＳ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ逡逑（３）基于云計(jì)算的架構(gòu)逡逑基于云計(jì)算的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖３－４所示。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)逡逑測(cè)區(qū)域內(nèi)有一組特殊節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為云節(jié)點(diǎn)（Ｃｌｏｕｄ邋Ｎｏｄｅ）。云節(jié)點(diǎn)具有比傳感器更逡逑豐富的資源，既是組成云的一部分，又起到匯聚節(jié)點(diǎn)（Ｓｉｎｋ邋Ｎｏｄｅ）的作用，可逡逑與感知節(jié)點(diǎn)（Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｎｏｄｅ）進(jìn)行通信，收集感知節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。同一個(gè)匯聚逡逑節(jié)點(diǎn)下的所有感知節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)組（Ｚｏｎｅ）

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本文編號(hào)：2774182