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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
| 论文题名： | 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 |
| 关键词： | 高速铁路;基础设施监测;无线传感器网络;拓扑优化;帧格式 |
| 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。 |
| 作者： | 刘承坤 |
| 专业： | 交通安全工程 |
| 导师： | 秦勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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