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铁路隧道WSN能耗均衡及分布式接入算法的研究

张智宇  
【摘要】:近年来,随着中国铁路的飞速发展,铁路隧道信息化、数字化、智能化建设越来越受到重视,“智慧隧道”的建设理念被逐步推广开来,这对于铁路隧道进行高效监测管理、列车安全运行以及施工人员安全作业等具有重要意义。在科学技术高度发达的今天,利用现代化信息网络技术组建高效率的铁路隧道环境监测网络,对于提升铁路隧道信息化管理程度、保障列车安全运行、提升隧道施工维护作业效率等具有重大现实意义。无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术的出现为“智慧隧道”的建设提供了可行的技术路线,本文对铁路隧道环境下WSN技术的应用做了较为深入的研究。首先,本文对WSN技术在国内外各领域的研究及应用情况做了详细介绍,并基于该背景提出将WSN技术应用于铁路隧道环境监测的整体构想,同时也指明了对铁路隧道WSN网络监测技术研究的必要性。其次,针对铁路隧道狭长地理环境,本文提出了分布式分层网络结构,并在该网络结构下对传统WSN分簇数据采集算法进行了两级分簇的优化,使其更适用于铁路隧道的环境监测。在改进的数据采集算法中,网络先进行一级分簇,再进行二级分簇。网络一级分簇将铁路隧道狭长环境划分为若干个分布式监测区域,各监测区域的中心位置为一级汇聚节点,该节点负责将区域内传感数据汇总并发送给隧道外基站;一级分簇完毕后,网络进行二级分簇,二级分簇将各分布式监测区域内传感节点划分为若干个小簇,每个簇内选举一个节点担任簇头(二级汇聚节点),二级汇聚节点对簇内传感数据进行采集与压缩,并将压缩后的数据传送给各自监测区域内的一级汇聚节点。在每轮数据采集过程中,各监测区域内二级汇聚节点将传感数据传输至一级汇聚节点,再由一级汇聚节点组成线型局域网,并通过多跳通信的方式将传感数据发送至隧道外的基站节点。由于WSN网络传感节点由电池供电,能量有限,且各分布式监测区域内的一级汇聚节点需要在隧道狭长环境下通过竞争的方式获取信道使用权,并通过多跳通信向隧道外基站传输数据,因此,本文对优化后的数据采集算法中涉及到的能耗均衡及分布式接入技术进行了深入的研究。在能耗均衡技术中,针对传感节点分布不均匀的实际情况对簇头选举阈值进行分区计算,并在簇头选举时综合考虑节点剩余能量,以此来避免低能量节点多次担任簇头而出现过早死亡的现象;在分布式接入技术中,一级汇聚节点自组织成为线型局域网进行多跳通信,节点每次发起业务请求时需要竞争信道使用权,将BEB与MILD信道接入算法在隧道线型传输环境下做对比分析,选取性能更好的BEB接入算法作为铁路隧道WSN网络的分布式接入算法。最后通过MATLAB仿真平台对优化后的网络整体性能进行了仿真分析。对网络寿命、网络能耗情况以及网络吞吐量三个方面进行分析研究,分析结果表明,在分布式分层网络结构基础上进行优化的WSN数据采集算法性能较为优异,更适合应用在铁路隧道特殊狭长环境当中,为铁路“智慧隧道”的建设提供了一定的参考价值。


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