【摘要】：運營安全是高速鐵路開展運輸工作的前提,隨著我國高速鐵路運營里程的不斷增加,對高速列車運營環(huán)境監(jiān)測提出了更高的要求。目前,我國高速列車運營環(huán)境監(jiān)測目標種類繁多、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,且各專業(yè)系統(tǒng)各自為政,投資建設成本高,后期維護難度大。無線傳感器網(wǎng)絡具有低功耗、自組織、無需布線和魯棒性強等特點,能較好的滿足工業(yè)級的數(shù)據(jù)監(jiān)測需求,可以實現(xiàn)對鐵路沿線的大范圍部署,保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度,降低列車運營環(huán)境監(jiān)測的成本,降低監(jiān)測系統(tǒng)施工和維護的難度,有效滿足高速鐵路沿線關鍵區(qū)域和偏遠地區(qū)的大范圍部署和長期在線監(jiān)測的需要。本文從全路的角度,將無線傳感器網(wǎng)絡技術全面應用于高速列車運營環(huán)境監(jiān)測中,以高速列車運營環(huán)境監(jiān)測的實際需求出發(fā),提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構及邏輯架構,研究地面無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構、節(jié)點部署、路由協(xié)議以及車地無線傳感器網(wǎng)絡傳輸方案等關鍵技術,并以自然災害及異物侵限監(jiān)測為應用實例,設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)。論文的主要工作包括:(1)分析了高速列車運營環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)狀及其業(yè)務需求,總結了無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡結構和典型的無線傳感器網(wǎng)絡架構,提出基于SOA和無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構,并結合業(yè)務范圍設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)邏輯架構,以及各無線傳感器網(wǎng)絡的架構和組網(wǎng)。(2)通過深入研究無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構,設計地面無線傳感器網(wǎng)絡混合分級拓撲結構。該拓撲結構充分結合鐵路沿線監(jiān)測設備和基礎設施的特點,由局部網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩部分組成。骨干網(wǎng)的設計可將鐵路沿線涉及到的所有專業(yè)的監(jiān)測設備進行統(tǒng)一管理,信息統(tǒng)一傳輸,避免各專業(yè)各自為政,重復投資,還可以避免無線信道的相互搶占和相互干擾問題。針對地面無線傳感器網(wǎng)絡骨干網(wǎng)線性分布的特點,提出能量均衡非均勻節(jié)點優(yōu)化部署策略,可有效避免出現(xiàn)線性無線傳感器網(wǎng)絡的“能量空洞”問題。(3)提出鐵路沿線線性無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議,該路由協(xié)議以線性無線傳感器網(wǎng)絡能量均衡非均勻節(jié)點優(yōu)化部署策略為基礎,綜合考慮網(wǎng)絡壽命和監(jiān)測信息的重要程度,根據(jù)監(jiān)測信息的重要程度將數(shù)據(jù)包劃分為不同的優(yōu)先級,在網(wǎng)絡能耗均衡的前提下,以最大化網(wǎng)絡生命周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量為目標,建立數(shù)據(jù)包轉發(fā)模型和數(shù)據(jù)包傳輸時延模型。并對鏈路可能發(fā)生的故障類型進行分析,給出了故障節(jié)點失效處理策略。(4)對現(xiàn)有無線通信技術和列車車地通信技術進行詳細論述,提出采用車地無線傳感器網(wǎng)絡技術實現(xiàn)車地信息的實時傳輸方案。通過在真實的高速列車運營環(huán)境下對多種無線通信技術進行“點對點”測試,確定最適用于列車高速移動場景下構建車地無線傳感器網(wǎng)絡的通信技術。設計基于接力傳輸?shù)能嚨責o線傳感器網(wǎng)絡,通過優(yōu)化通信模塊設計及多個節(jié)點的接力傳輸,大幅度提高了車地無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)發(fā)送量,并通過室內(nèi)試驗、室外試驗及高鐵現(xiàn)場試驗驗證了該方案的可行性。(5)根據(jù)上述理論技術研究,提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)架構及組網(wǎng)方案,設計基于無線傳感器網(wǎng)絡的自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)。并進行系統(tǒng)的硬件選型設計、軟件流程設計及研發(fā),解決了現(xiàn)有自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)布線成本高、不能靈活增加監(jiān)測功能的問題,對系統(tǒng)的產(chǎn)品化工作提供技術支撐。
【學位授予單位】：中國鐵道科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.9;TN929.5;U298
【圖文】：

邐中國鐵道科學研究院博士學位論文邐逡逑３．基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構逡逑３．１基于無線傳感器網(wǎng)絡的高速列車運營環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體架構逡逑３．１．１無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)基本網(wǎng)絡結構逡逑無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)基本網(wǎng)絡結構如圖３－１所示，通常包括感知節(jié)點逡逑（Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｎｏｄｅ邋）、匯聚節(jié)點（也稱為網(wǎng)關、Ｓｉｎｋ邋Ｎｏｄｅ）和遠程監(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＿提出的無線傳感器網(wǎng)絡管理框架ＢＯＳＳ是由是一種基于ＵＰｎＰ協(xié)逡逑議的無線傳感器網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。該框架下通過在資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡和逡逑ＵＰｎＰ控制點之間建立橋接使其能接入ＵＰｎＰ網(wǎng)絡，同時用戶可以通過多種ＵＰｎＰ逡逑控制點對無線傳感器網(wǎng)絡進行管理，提高了無線傳感器網(wǎng)絡的易用性［３８】。ＢＯＳＳ逡逑系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡設備、ＵＰｎＰ控制點以及ＢＯＳＳ組成，結構如圖３－３逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－３邋ＢＯＳＳ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ逡逑（３）基于云計算的架構逡逑基于云計算的無線傳感網(wǎng)絡體系結構如圖３－４所示。在無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)逡逑測區(qū)域內(nèi)有一組特殊節(jié)點，稱為云節(jié)點（Ｃｌｏｕｄ邋Ｎｏｄｅ）。云節(jié)點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（Ｓｉｎｋ邋Ｎｏｄｅ）的作用，可逡逑與感知節(jié)點（Ｓｅｎｓｏｒ邋Ｎｏｄｅ）進行通信，收集感知節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。同一個匯聚逡逑節(jié)點下的所有感知節(jié)點組成一個組（Ｚｏｎｅ）

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本文編號：2774182