一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于軌道交通信息檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法。在城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)系統(tǒng)中采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息檢測(cè)，該網(wǎng)絡(luò)分為通信層和檢測(cè)層，通信層上層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)其覆蓋范圍內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的搜集、接入、融合并進(jìn)行通信方式的轉(zhuǎn)換，把檢測(cè)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；下層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，采用無線通信技術(shù)向AP節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)數(shù)據(jù)；檢測(cè)層檢測(cè)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)，布設(shè)有各類檢測(cè)節(jié)點(diǎn)；本發(fā)明建立了基于最大帶寬利用率的通信層上層網(wǎng)絡(luò)AP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化模型，得到最佳AP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)及對(duì)比，能夠有效地解決城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化問題。
【專利說明】一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軌道交通信息檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軌道交通已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，保證軌道交通安全、科學(xué)、有序和高效運(yùn)營(yíng)成為首要面臨的問題，基于軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的軌道基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控作業(yè)監(jiān)控主要通過巡道工和軌道檢查車完成，這種方法得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，并且不能實(shí)時(shí)地被在途運(yùn)行列車獲取，也無法同時(shí)完成大范圍的監(jiān)控。傳統(tǒng)的監(jiān)控方法，不便于大范圍、大規(guī)模、自動(dòng)、快速的獲取軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的安全信息。
[0003]目前，很多列車上設(shè)備安全狀況監(jiān)控系統(tǒng)等都是針對(duì)列車本身的安全監(jiān)控，也有少量研究針對(duì)局部區(qū)域的特定基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控的研究，但尚缺乏對(duì)整個(gè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施安全狀況進(jìn)行監(jiān)控的研究應(yīng)用。
[0004]近年來，綜合了分布式信息處理、微機(jī)電系統(tǒng)、無線通信、嵌入式計(jì)算、傳感器等高新技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。為了檢測(cè)鋼軌縱向應(yīng)力、鋼軌位移與爬行、鋼軌完整性、鐵路路基沉降等各種基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)，建立了城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中需要大量的各類通信設(shè)備(網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))，若能有效減少系統(tǒng)設(shè)備冗余，提高各節(jié)點(diǎn)有效利用率，可以節(jié)約大量的建設(shè)和維護(hù)成本。綜合考慮成本和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性因素，在滿足所需各類檢測(cè)節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)上，需要研究最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)問題，才能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、更高效地運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法，其特征在于，含有以下步驟:
[0006](I)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和建模，給出了面向信息采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)和通信模型；其傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)是分為通信層和信息檢測(cè)層，通信層的上層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入節(jié)點(diǎn)即AP節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)其覆蓋范圍內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的搜集、接入、融合并進(jìn)行通信方式的轉(zhuǎn)換，把檢測(cè)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；下層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)即RP節(jié)點(diǎn)，采用無線通信技術(shù)向AP節(jié)點(diǎn)傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)；信息檢測(cè)層檢測(cè)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)，布設(shè)有各類傳感器作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，稱作ED節(jié)點(diǎn)；
[0007](2)提出最大帶寬利用率的優(yōu)化目標(biāo)，在ED節(jié)點(diǎn)類型和數(shù)目已知的情況下，給出分別針對(duì)AP節(jié)點(diǎn)和RP節(jié)點(diǎn)的兩層優(yōu)化模型，上層是AP節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型，得到最佳的AP節(jié)點(diǎn)數(shù)及各AP節(jié)點(diǎn)覆蓋的ED節(jié)點(diǎn)類型和個(gè)數(shù)；下層是RP節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型，針對(duì)每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)，給出該AP節(jié)點(diǎn)下最優(yōu)RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及各RP節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)直接轉(zhuǎn)發(fā)的ED節(jié)點(diǎn)類型和個(gè)數(shù)；
[0008](3)針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下增加新ED節(jié)點(diǎn)、考慮各ED節(jié)點(diǎn)權(quán)重等更具有普遍應(yīng)用約束的情形，給出了針對(duì)不同情形下的最大帶寬或權(quán)重模型及AP節(jié)點(diǎn)和RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法和步驟。
[0009](4)針對(duì)以上各模型，提出了基于粒子群算法的模型求解方法，并給出了具體的求解步驟和實(shí)施流程圖。
[0010](5)給定典型區(qū)域需要布設(shè)的ED節(jié)點(diǎn)信息，利用各情形下的模型，給出了基于粒子群算法的模型求解實(shí)例，并給出了最優(yōu)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和各節(jié)點(diǎn)下的最優(yōu)ED節(jié)點(diǎn)組合。
[0011]所述步驟(2)中針對(duì)每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)覆蓋下的RP節(jié)點(diǎn)，建立了基于最大帶寬利用率的下層通信網(wǎng)絡(luò)RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化模型是假設(shè)在某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)N類ED節(jié)點(diǎn)，N的大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況確定，每類ED節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為Hii (I < i < N)，則所有ED節(jié)點(diǎn)的總
數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法，其特征在于，含有以下步驟: (1)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和建模，給出了面向信息采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)和通信模型；其傳感器網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)是分為通信層和信息檢測(cè)層，通信層的上層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入節(jié)點(diǎn)即AP節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)其覆蓋范圍內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的搜集、接入、融合并進(jìn)行通信方式的轉(zhuǎn)換，把檢測(cè)信息發(fā)送至數(shù)據(jù)中心；下層網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為接入轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)即RP節(jié)點(diǎn)，采用無線通信技術(shù)向AP節(jié)點(diǎn)傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)；信息檢測(cè)層檢測(cè)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)，布設(shè)有各類傳感器作為檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，稱作ED節(jié)點(diǎn)； (2)提出最大帶寬利用率的優(yōu)化目標(biāo)，在ED節(jié)點(diǎn)類型和數(shù)目已知的情況下，給出分別針對(duì)AP節(jié)點(diǎn)和RP節(jié)點(diǎn)的兩層優(yōu)化模型，上層是AP節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型，得到最佳的AP節(jié)點(diǎn)數(shù)及各AP節(jié)點(diǎn)覆蓋的ED節(jié)點(diǎn)類型和個(gè)數(shù)；下層是RP節(jié)點(diǎn)優(yōu)化模型，針對(duì)每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)，給出該AP節(jié)點(diǎn)下最優(yōu)RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及各RP節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)直接轉(zhuǎn)發(fā)的ED節(jié)點(diǎn)類型和個(gè)數(shù)； (3)針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下增加新ED節(jié)點(diǎn)、考慮各ED節(jié)點(diǎn)權(quán)重等更具有普遍應(yīng)用約束的情形，給出了針對(duì)不同情形下的最大帶寬或權(quán)重模型及AP節(jié)點(diǎn)和RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法和步驟。 (4)針對(duì)以上各模型，提出了基于粒子群算法的模型求解方法，并給出了具體的求解步驟和實(shí)施流程圖。 (5)給定典型區(qū)域需要布設(shè)的ED節(jié)點(diǎn)信息，利用各情形下的模型，給出了基于粒子群算法的模型求解實(shí)例，并給出了最優(yōu)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和各節(jié)點(diǎn)下的最優(yōu)ED節(jié)點(diǎn)組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法，其特征在于，所述步驟(2)中針對(duì)每個(gè)AP節(jié)點(diǎn)覆蓋下的RP節(jié)點(diǎn)，建立了基于最大帶寬利用率的下層通信網(wǎng)絡(luò)RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化模型是假設(shè)在某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)N類ED節(jié)點(diǎn)，N的大小根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際



應(yīng)用情況確定，每類ED節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為Hii (I≤i≤N)，則所有ED節(jié)點(diǎn)的總數(shù)
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)優(yōu)化布控方法，其特征在于，所述步驟(3)建立了一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的最大帶寬模型和該AP節(jié)點(diǎn)下某RP節(jié)點(diǎn)最大帶寬模型， 一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的最大帶寬模型:
模型 1:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(3)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下增加新ED節(jié)點(diǎn)、考慮各ED節(jié)點(diǎn)權(quán)重等情形下的最大帶寬或權(quán)重模型及AP節(jié)點(diǎn)和RP節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法和步驟。 設(shè)現(xiàn)有h個(gè)AP節(jié)點(diǎn)，將AP節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)有帶寬按照從大到小排列:Rel≤Re2≤...≤Rek≤...≤Reh,現(xiàn)有AP節(jié)點(diǎn)的可用帶寬向量記為Re- [ReD Re2>..., ReJ5l..., Rehl (I k h) ο 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下增加新ED節(jié)點(diǎn)時(shí)一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的最大帶寬模型如下: 模型 3 (I):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(3)的考慮各ED節(jié)點(diǎn)權(quán)重的一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)最大權(quán)重模型如下: 模型4:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟(3)對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下增加新ED節(jié)點(diǎn)時(shí)同時(shí)考慮各ED節(jié)點(diǎn)權(quán)重的情形，一個(gè)AP節(jié)點(diǎn)的最大權(quán)重模型如下: 模型 6 (I):
【文檔編號(hào)】H04L29/08GK103716388SQ201310712153
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】董宏輝, 賈利民, 李海艦, 劉承坤, 田寅 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)