一種傳感器網絡通信節點優化布控方法
【專利摘要】本發明公開了屬于軌道交通信息檢測【技術領域】的一種傳感器網絡通信節點優化布控方法。在城市軌道交通基礎設施檢測系統中采用傳感器網絡進行信息檢測，該網絡分為通信層和檢測層，通信層上層網絡中的節點為接入節點負責其覆蓋范圍內傳感器網絡信息的搜集、接入、融合并進行通信方式的轉換，把檢測信息發送至數據中心；下層網絡中的節點為接入轉發節點，采用無線通信技術向AP節點轉發檢測數據；檢測層檢測軌道交通基礎設施狀態數據，布設有各類檢測節點；本發明建立了基于最大帶寬利用率的通信層上層網絡AP節點個數優化模型，得到最佳AP節點個數；通過數值實驗及對比，能夠有效地解決城市軌道交通基礎設施狀態檢測的網絡節點個數優化問題。
【專利說明】一種傳感器網絡通信節點優化布控方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于軌道交通信息檢測【技術領域】，特別涉及一種傳感器網絡通信節點優化布控方法。
【背景技術】
[0002]軌道交通已經成為我國經濟發展的大動脈，保證軌道交通安全、科學、有序和高效運營成為首要面臨的問題，基于軌道交通基礎設施狀態的檢測網絡相關技術已成為學術界的研究熱點。現有的軌道基礎設施監控作業監控主要通過巡道工和軌道檢查車完成，這種方法得到的監控數據不夠準確，并且不能實時地被在途運行列車獲取，也無法同時完成大范圍的監控。傳統的監控方法，不便于大范圍、大規模、自動、快速的獲取軌道交通基礎設施的安全信息。
[0003]目前，很多列車上設備安全狀況監控系統等都是針對列車本身的安全監控，也有少量研究針對局部區域的特定基礎設施進行監控的研究，但尚缺乏對整個軌道交通網絡范圍內基礎設施安全狀況進行監控的研究應用。
[0004]近年來，綜合了分布式信息處理、微機電系統、無線通信、嵌入式計算、傳感器等高新技術的無線傳感器網絡技術得到了國內外學者的廣泛研究。為了檢測鋼軌縱向應力、鋼軌位移與爬行、鋼軌完整性、鐵路路基沉降等各種基礎設施的狀態，建立了城市軌道交通基礎設施狀態檢測傳感器網絡系統。該系統中需要大量的各類通信設備(網絡節點)，若能有效減少系統設備冗余，提高各節點有效利用率，可以節約大量的建設和維護成本。綜合考慮成本和網絡復雜性因素，在滿足所需各類檢測節點信息傳輸的基礎上，需要研究最優的網絡節點個數問題，才能保證整個網絡系統更經濟、更高效地運行。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供了一種傳感器網絡通信節點優化布控方法，其特征在于，含有以下步驟:
[0006](I)通過傳感器網絡進行分析和建模，給出了面向信息采集和數據傳輸的傳感器網絡的層次結構和通信模型；其傳感器網絡的層次結構是分為通信層和信息檢測層，通信層的上層網絡中的節點為接入節點即AP節點，負責其覆蓋范圍內傳感器網絡信息的搜集、接入、融合并進行通信方式的轉換，把檢測信息發送至數據中心；下層網絡中的節點為接入轉發節點即RP節點，采用無線通信技術向AP節點傳送檢測數據；信息檢測層檢測軌道交通基礎設施狀態數據，布設有各類傳感器作為檢測節點，稱作ED節點；
[0007](2)提出最大帶寬利用率的優化目標，在ED節點類型和數目已知的情況下，給出分別針對AP節點和RP節點的兩層優化模型，上層是AP節點優化模型，得到最佳的AP節點數及各AP節點覆蓋的ED節點類型和個數；下層是RP節點優化模型，針對每個AP節點，給出該AP節點下最優RP節點個數及各RP節點負責直接轉發的ED節點類型和個數；
[0008](3)針對現有網絡下增加新ED節點、考慮各ED節點權重等更具有普遍應用約束的情形，給出了針對不同情形下的最大帶寬或權重模型及AP節點和RP節點個數優化方法和步驟。
[0009](4)針對以上各模型，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施流程圖。
[0010](5)給定典型區域需要布設的ED節點信息，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例，并給出了最優節點個數和各節點下的最優ED節點組合。
[0011]所述步驟(2)中針對每個AP節點覆蓋下的RP節點，建立了基于最大帶寬利用率的下層通信網絡RP節點個數優化模型是假設在某個監測區域內布設N類ED節點，N的大小根據現場實際應用情況確定，每類ED節點總個數為Hii (I < i < N)，則所有ED節點的總
數
【權利要求】
1.一種傳感器網絡通信節點優化布控方法，其特征在于，含有以下步驟: (1)通過傳感器網絡進行分析和建模，給出了面向信息采集和數據傳輸的傳感器網絡的層次結構和通信模型；其傳感器網絡的層次結構是分為通信層和信息檢測層，通信層的上層網絡中的節點為接入節點即AP節點，負責其覆蓋范圍內傳感器網絡信息的搜集、接入、融合并進行通信方式的轉換，把檢測信息發送至數據中心；下層網絡中的節點為接入轉發節點即RP節點，采用無線通信技術向AP節點傳送檢測數據；信息檢測層檢測軌道交通基礎設施狀態數據，布設有各類傳感器作為檢測節點，稱作ED節點； (2)提出最大帶寬利用率的優化目標，在ED節點類型和數目已知的情況下，給出分別針對AP節點和RP節點的兩層優化模型，上層是AP節點優化模型，得到最佳的AP節點數及各AP節點覆蓋的ED節點類型和個數；下層是RP節點優化模型，針對每個AP節點，給出該AP節點下最優RP節點個數及各RP節點負責直接轉發的ED節點類型和個數； (3)針對現有網絡下增加新ED節點、考慮各ED節點權重等更具有普遍應用約束的情形，給出了針對不同情形下的最大帶寬或權重模型及AP節點和RP節點個數優化方法和步驟。 (4)針對以上各模型，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施流程圖。 (5)給定典型區域需要布設的ED節點信息，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例，并給出了最優節點個數和各節點下的最優ED節點組合。
2.根據權利要求1所述的一種傳感器網絡通信節點優化布控方法，其特征在于，所述步驟(2)中針對每個AP節點覆蓋下的RP節點，建立了基于最大帶寬利用率的下層通信網絡RP節點個數優化模型是假設在某個監測區域內布設N類ED節點，N的大小根據現場實際
應用情況確定，每類ED節點總個數為Hii (I≤i≤N)，則所有ED節點的總數
3.根據權利要求1所述的一種傳感器網絡通信節點優化布控方法，其特征在于，所述步驟(3)建立了一個AP節點的最大帶寬模型和該AP節點下某RP節點最大帶寬模型， 一個AP節點的最大帶寬模型:
模型 1:
4.根據權利要求1所述的一種傳感器網絡通信節點個數優化方法，其特征在于，所述步驟(3)的現有網絡下增加新ED節點、考慮各ED節點權重等情形下的最大帶寬或權重模型及AP節點和RP節點個數優化方法和步驟。 設現有h個AP節點，將AP節點的現有帶寬按照從大到小排列:Rel≤Re2≤...≤Rek≤...≤Reh,現有AP節點的可用帶寬向量記為Re- [ReD Re2>..., ReJ5l..., Rehl (I k h) ο 現有網絡下增加新ED節點時一個AP節點的最大帶寬模型如下: 模型 3 (I):
5.根據權利要求1所述的一種傳感器網絡通信節點個數優化方法，其特征在于，所述步驟(3)的考慮各ED節點權重的一個AP節點最大權重模型如下: 模型4:
6.根據權利要求1所述的一種傳感器網絡通信節點個數優化方法，其特征在于，所述步驟(3)對于現有網絡下增加新ED節點時同時考慮各ED節點權重的情形，一個AP節點的最大權重模型如下: 模型 6 (I):
【文檔編號】H04L29/08GK103716388SQ201310712153
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】董宏輝, 賈利民, 李海艦, 劉承坤, 田寅 申請人:北京交通大學