铁路环境监测中WSN节点部署研究

随着我国高速铁路技术的迅猛发展，列车时速的提高给人们的日常出行带来了极大的便利。因人们愈来愈多的出行需求，高速铁路的建设里程与列车运行班次逐年增长与此同时，列车运营环境安全问题也备受关注。在列车运行过程中，对铁路环境进行实时监测是确保列车运营安全的关键。因我国大部分铁路线路位于山地和高原，使用传统的有线监测设备监测铁路环境时会出现网络成本高、部署复杂、不易维护等问题。为此将无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）引入到铁路环境监测中。WSN具有自组织性、拓扑可动态变换、网络结构简单等特点，且部署成本低廉。但WSN也存在缺点，传感器节点体积小，资源受限，部署于野外环境时只能使用电池供电，这凸显了网络中的“能量空洞”现象，降低了WSN的网络性能。

 

本文针对铁路环境下部署的wSN进行研究，以wSN和分簇拓扑为理论基础，以解决“能量空洞”问題为硏究目标，提出了一种基于非均匀分簇的节点部著优化算法通过与已有的部署于铁路环境下的WSN节点部署算法进行比较，证明了本文提出算法的优越性。论文研究成果如下。

 

（1）对铁路环境进行分析，根据分析所得的铁路环境特点，建立适用的无线传感器网络基础节点均匀部署模型。部署于铁路环境中的wSN需要达到对监测区域无盲区覆盖的要求，除此之外网络还需达到结构简单，稳定性高的要求。基础节点均匀部署模型可以满足铁路环境对WSN的要求。

 

（2）中介绍了现有的可使用于铁路环境的wSN节点部署算法，该算法在均匀分簇的基础上对网络中的簇头节点进行分组，使网络中有多条链路同时进行数据传输，通过分担簇头节点传输数据量的方法降低网络能耗。该算法在降低网络能耗方面有一定效果，但网络中的“能量空涧”现象依旧存在。针对这一问題，本文提出基于非均匀分簇的节点部署算法以及其优化算法。该算法是对网络中基础节点进行非均匀分簇，簇头节点部署于簇中心位置，通过调整簇的规模来控制簇头节点的传输数据量，以达到均衡网络中各簇头节点能耗的目的。