专利名称：一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法
技术领域：
本发明涉及一种无线传感网领域，具体涉及一种用于铁路交通的无线传感网的拓
扑控制方法。
背景技术：
无线传感网是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。它是随着传感器、无线通信、嵌入式计算、分布式处理和微电子等领域的技术进步而发展起来的。目前无线传感网已经在环境监测、智能交通、医疗监控、城市管理、物流管理和建筑等领域上发挥着重大的作用。 将无线传感网用在铁路交通中，对于列车的运行安全和铁路沿线各种列车行车信息的传递有着重要的意义。例如，为了列车的运行安全，在列车行驶过程中进行限速的情况经常发生。目前我国铁路管理部门对列车的限速有两种方式固有限速和临时限速。对于路段的固有限速，可以通过预先设置车载LKJ装置以实现限速，这种方法减少了人为因素的影响，提高了行车安全性；而当铁路沿线由于发生突发事件或者临时施工需要临时限速时，车载LKJ装置存储的行车信息无法及时获得更新，而通过放置临时限速标识告知司机进行临时限速又受人为和外界因素的影响比较大，容易出现漏识别和误识别等问题，导致安全事故的发生。 在这种情况下，如果在铁路沿线部下传感器无线节点，对于需要进行限速区域，由列车运行控制中心向区域中的无线节点发布限速命令，限速命令经由布置在铁路沿线的无线节点逐跳地传递到目的无线节点中，经过的列车通过车上的阅读器便能读到限速信息，这样既减少了人工配置的麻烦，同时也能准确快捷的将限速命令发送到需要限速的区域，提高了列车运行的安全性，更适用于临时限速。 但是，如果将现有的无线传感网照搬应用到铁路交通，也就是各无线节点随意安装在需要限速的区段内，每个无线节点都一直处于工作状态，而由于在实际应用中，只有当列车驶近该路段，才需要真正用到无线节点的广播信息，这就使得无线节点在大多数情况下都处于资源闲置的状态，没有考虑到不同位于不同地点的无线节点的使用寿命和资源优化问题，使得经常需要更换故障或耗尽了电源的无线节点，导致列车限速信息等列车行车信息不能及时下达，网络的生存期限受到了极大的限制，严重影响了列车的行车安全。因此，需要一种有效的拓扑控制方法来延长网络的生存期限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，本发明采用分块布点的方法，将整个铁路区域分成一个个的区段，区段里又分为无线节点密度不一的区域块，并根据预测的各区域块内无线节点能量消耗的速率，确定出区域块中无线节点的最佳部署间距。同时，本发明无线节点采用工作休眠轮换机制，区段中每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，因此，本发明所实现用于铁路交通的无线传感网能有效地提高网络的生存期限，保障列车限速信息等列车行车信息及时下达以及列车的行车安全。 本发明的目的通过下述技术方案来实现一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，具体如下 首先将需要传递列车行车信息的铁路沿线区域分为若干个区段，在每个区段设立一个汇聚节点； 根据具体区段内需要布置的无线节点总数N以及铁路状况，将该区段再进一步分为长度均为1的M个区域块； 按照每个区域块内所有无线节点消耗总能量的速度&与该区域块与汇聚节点的距离成反比的比例关系，计算出每个区域块所需要布置的无线节点数ni，进而计算出各区域块内无线节点件的间距A, & = l/ni ; 按照间距&将无线节点均匀布置在各区域块中间，给每个无线节点顺序配置ID号； 在区段内每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，无线节点以区域块为单位进行工作/休眠状态轮换； 区段内所有无线节点均通过区段内的汇聚节点与列车安全运行控制中心进行通信。 所述汇聚节点有两种通信模式一种为短距离无线通信模式，用于和该区段中的无线节点进行通信；另一种为长距离无线通信或有线通信模式，用于连接到外部网络。同区段中所有无线节点都将信息传递到汇聚节点，汇聚节点再连接到外部网络与列车安全运行控制中心进行信息交流。 为了优化汇聚节点与区段内所有无线节点之间的通信，所述汇聚节点设置在其所属区段的中点位置。 无线节点配置完成后，并不是所有的无线节点同时工作，而是分为工作和休眠两种状态，以延长无电节点寿命。 网络初始化时，所有的无线节点都处于工作状态，由于在信息的转发过程中，每一跳之间的距离越均匀，无线节点消耗的总能量越少，因此可以根据这一原理算出每一跳工作节点之间的最优距离L。所述在区段内每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，其方法具体为 将区段中1D号为1的无线节点首先设为工作节点，以后每隔距离L再设置下一个工作节点，工作节点之间的其它无线节点则进入休眠状态。 设置工作节点时，在选定一个工作节点之后，在距离这个工作节点L处的地方可能没有无线节点，此时则选取距离这个工作节点距离最接近L的无线节点作为下一个工作节点。 所述最优距离L为令(acT+b) 1/d结果最小的d值，其中d为每一跳之间的距离，b为单个无线接收信号所消耗的能量，a为路径衰落系数，a为无线节点发射机的发射系数。 所述无线节点以区域块为单位进行工作/休眠状态轮换的工作/休眠状态轮换机制为
5
在设置好工作节点和休眠节点之后，区段内所有的无线节点内部的计时器同时开始计时； 工作节点负责转发所属区段内上一跳工作节点传过来的信息，休眠的无线节点则关闭接收机和发射机，等候自己工作时间的到来； 每隔时间T进行一次工作节点的轮换，上一轮的工作节点将选取所述区域块内的下一个无线节点作为新一轮的工作节点，其自身进入休眠状态。 工作节点工作了一段时间T后，将会进入休眠状态，但并不是马上进入休眠，而是会处于时间长度为t的离休眠状态，t小于T，一般取t = T/100，此时要进行工作节点的轮换，轮换以区域块为单位，处于离休眠状态的ID号为i的工作节点的会发出轮换信息，准备选择ID号为i+1的无线节点作为下一个工作节点，如果在t时间段内i+1号无线节点苏醒，则马上会收到i号无线节点的轮换信息，并返回确认信息给i号无线节点，在t周期结束后i号无线节点会进入休眠状态，i+1号无线节点成为新的工作节点，同时向附近的刚从休眠苏醒的无线节点发送信息，告知其无线节点重新进入休眠状态；如果在t周期内i号无线节点收不到i+1号无线节点苏醒所发的确认信息，则下一个T周期内i号无线节点仍为工作节点。 如果i号无线节点连续3个T周期均在收不到i+1号节点苏醒所发的确认的情况下，继续作为工作节点，则认为i+1号无线节点出现故障，i号无线节点将通过汇聚节点通知列车安全运行控制中心对其进行维修，在i+1号节点修复之前，i号节点将选取i+2号节点为下一个工作节点。 如果将进入休眠状态的i号工作节点处于所属区段的边界位置，也就是i号工作节点是所属区段的其中一边界的最后一个工作节点，则其将通过其他的工作节点转发其轮换信息到区段的另一边界，如果处于区段的另一端的i'号工作节点在上一轮也是工作节点，则i'号工作节点和i号工作节点下一个T周期内都进入休眠状态。
本发明相对于上述现有技术的优点和有益效果如下 (1)本发明利用无线传感网的方法，列车安全运行控制中心可以将列车行车信息经汇聚节点，通过多跳网络传递到目的工作点，经过的列车都能读到该点的信息，信息的发布过程全靠无线传感网完成，无需人工干预，减少在恶劣环境下人员设置各种告示困难的问题； (2)能快速的下达列车行车信息，减少各种安全事故，提高列车的行车安全；
(3)网络本身能够自我检测故障，一旦发现有故障的无线节点出现，会及时向列车安全运行控制中心反映，提高网络的安全性； (4)无线节点采取了灵活的配置方法和工作休眠轮换机制，能节省无线节点的能量消耗，有效延长网络生存期限。
图1为本发明铁路沿线无线传感网的无线节点布置 图2为本发明无线节点信息传递示意 图3为无线节点工作休眠轮换机制示意图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。 如图1所示，一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法， 首先将需要传递列车行车信息的铁路沿线区域分为若干个区段，在每个区段中点
位置设立一个汇聚节点。 所述汇聚节点有两种通信模式一种为短距离无线通信模式，用于和该区段中的无线节点进行通信；另一种为长距离无线通信或有线通信模式，用于连接到外部网络。该区段中所有无线节点都将信息传递到汇聚节点，汇聚节点再连接到外部网络与列车安全运行控制中心进行信息交流。 区段内所有无线节点均通过区段内的汇聚节点与列车安全运行控制中心进行通信。 无线节点的配置方法如下 根据具体区段内需要布置的无线节点总数N以及铁路状况，将该区段再进一步分
为长度均为1的M个区域块；各区域块ID号依次为1、2、…、m、…、M-1、M，以汇聚节点为
中心，区域块内无线节点的密度随着其与汇聚节点的距离增大而降低，区域块内的无线节
点呈线型等距离均匀分布在区域块的中间。这是因为在铁路沿线的带状网络中，无线节点
充当着信息收集和转发的角色，而无线节点的分布又呈带状，可以看出，离汇聚节点越近的
无线节点，转发信息的次数会越多，能量消耗的速度也会比远离汇聚节点的快，所以，为了
延长整个网络的寿命，越靠近汇聚节点的区域，其无线节点的密度也要相应增大。 按照每个区域块内所有无线节点消耗总能量的速度ri与该区域块与汇聚节点的
距离成反比的比例关系，即距离汇聚节点越远，消耗的总能量越少；距离汇聚节点越近，消
耗的总能量越多。因此为了使各节点的能量消耗速度相同，全部N个无线节点将按照上述
能量消耗的比例关系被分配到每个区域块中，可以算出每个区域块所需要布置的无线节点
数rii，例如，假设区段被分成了 5个区域块，这五个区域块与中间汇聚节点的距离比例应为
3:2:i:2: 3，则能量的消耗量比例应为i :2:3:2: i，假设总共有iioo个节
点，则，各区域块分得的节点数应为100、200、300、200、100，算出&后，进而计算出各区域块内无线节点间的间距A, & = lAv 无线节点配置完成后，并不是所有的无线节点同时工作，而是分为工作和休眠两种状态，以延长无电节点寿命。所以，在区段内每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，无线节点以区域块为单位进行工作休眠轮换。 网络初始化时，所有的无线节点都处于工作状态，由于在信息的转发过程中，每一跳之间的距离越均匀，无线节点消耗的总能量就越少。 而且，无线节点间的信号转发所要消耗的总能量e与无线收发节点的距离D存在以下关系e(D) = (aD。+b》+lv其中，bpb2为无线收发节点发射和收到消息所消耗的能量。找出一个D值使得进行一次信息传递时整个网络能量消耗E = e(D)礼ength/D(Length为网络的总长度)达到最少，这个D值也即每一跳工作节点之间的距离L，然后将区段中序号为1的无线节点首先设为工作节点，以后每隔距离L再设置一个工作节点。选定一个工作节点之后，在距离这个工作节点L处的地方可能没有无线节点，此时则选取距离这个工
7作节点距离最接近L的无线节点作为下一个工作节点。当某个工作节点处有信息产生时，
此信息会通过其临近的工作节点逐跳地传递到汇聚节点处，如图2所示。
无线节点以区域块为单位进行工作休眠轮换的工作休眠轮换机制为 在设置好工作节点和休眠节点之后，区段内所有的无线节点内部的计时器同时开
始计时； 工作节点负责转发所属区段内上一跳工作节点传过来的信息，休眠的无线节点则关闭接收机和发射机，等候自己工作时间的到来； 每隔时间T进行一次工作节点的轮换，上一轮的工作节点将选取所述区域块内的下一个无线节点作为新一轮的工作节点，其自身进入休眠状态。 如图3所示，工作节点工作了一段时间T后，将会进入休眠状态，但并不是马上进入休眠，而是会处于时间长度为t的离休眠状态，t小于T， 一般取t = T/100，此时要进行工作节点的轮换，轮换以区域块为单位，处于离休眠状态的ID号为i的工作节点的会发出轮换信息，准备选择ID号为i+l的无线节点作为下一个工作节点，如果在t时间段内i+l号无线节点苏醒，则马上会收到i号无线节点的轮换信息，并返回确认信息给i号无线节点，在t周期结束后i号无线节点会进入休眠状态，i+l号无线节点成为新的工作节点，同时向附近的刚从休眠苏醒的无线节点发送信息，告知其无线节点重新进入休眠状态；如果在t周期内i号无线节点收不到i+l号无线节点苏醒所发的确认信息，则下一个T周期内i号无线节点仍为工作节点。 如果i号无线节点连续3个T周期均在收不到i+l号节点苏醒所发的确认的情况下，继续作为工作节点，则认为i+l号无线节点出现故障，i号无线节点将通过汇聚节点通知列车安全运行控制中心对其进行维修，在i+l号节点修复之前，i号节点将选取i+2号节点为下一个工作节点。 如果将进入休眠状态的i号工作节点处于所属区段的边界位置，也就是i号工作
节点是所属区段的其中一边界的最后一个工作节点，则其将通过其他的工作节点转发其轮
换信息到区段的另一边界，如果处于区段的另一端的i'号工作节点在上一轮也是工作节
点，则i'号工作节点和i号工作节点下一个T周期内都进入休眠状态。 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的
限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于，具体如下首先将需要传递列车行车信息的铁路沿线区域分为若干个区段，在每个区段设立一个汇聚节点；根据具体区段内需要布置的无线节点总数N以及铁路状况，将该区段再进一步分为长度均为1的M个区域块；按照每个区域块内所有无线节点消耗总能量的速度ri与该区域块与汇聚节点的距离成反比的比例关系，计算出每个区域块所需要布置的无线节点数ni，进而计算出各区域块内无线节点件的间距di，di＝1/ni；按照间距di将无线节点均匀布置在各区域块中间，给每个无线节点顺序配置1D号；在区段内每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，无线节点以区域块为单位进行工作/休眠状态轮换；区段内所有无线节点均通过区段内的汇聚节点与列车安全运行控制中心进行通信。
2. 根据权利要求1所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于所述汇聚节点有两种通信模式一种为短距离无线通信模式，用于和该区段中的无线节点进行通信；另一种为长距离无线通信或有线通信模式，用于连接到外部网络；同区段中所有无线节点都将信息传递到汇聚节点，汇聚节点再连接到外部网络与列车安全运行控制中心进行信息交流。
3. 根据权利要求1所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于所述汇聚节点设置在其所属区段的中点位置。
4. 根据权利要求1所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于所述在区段内每隔距离L设置一个工作节点，其他的无线节点处于休眠状态，其方法具体为将区段中ID号为1的无线节点首先设为工作节点，以后每隔距离L再设置下一个工作节点，工作节点之间的其它无线节点则进入休眠状态；在选定一个工作节点之后，在距离这个工作节点L处的地方可能没有无线节点，此时则选取距离这个工作节点距离最接近L的无线节点作为下一个工作节点。
5. 根据权利要求1所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于所述距离L为令(acT+b) 'l/d结果最小的d值，其中d为每一跳之间的距离，b为单个无线接收信号所消耗的能量，a为路径衰落系数，a为无线节点发射机的发射系数。
6. 根据权利要求1所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于所述无线节点以区域块为单位进行工作/休眠状态轮换的工作/休眠状态轮换机制为在设置好工作节点和休眠节点之后，区段内所有的无线节点内部的计时器同时开始计时；工作节点负责转发所属区段内上一跳工作节点传过来的信息，休眠的无线节点则关闭接收机和发射机，等候自己工作时间的到来；每隔时间T进行一次工作节点的轮换，上一轮的工作节点将选取所述区域块内的下一个无线节点作为新一轮的工作节点，其自身进入休眠状态。
7. 根据权利要求6所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于工作节点工作了一段时间T后，将会进入休眠状态，但并不是马上进入休眠，而是会处于时间长度为t的离休眠状态，t小于T，一般取t = T/100，此时要进行工作节点的轮换，轮换以区域块为单位，处于离休眠状态的ID号为i的工作节点的会发出轮换信息，准备选择ID号为i+1的无线节点作为下一个工作节点，如果在t时间段内i+1号无线节点苏醒，则马上会收到i号无线节点的轮换信息，并返回确认信息给i号无线节点，在t周期结束后i号无线节点会进入休眠状态，i+1号无线节点成为新的工作节点，同时向附近的刚从休眠苏醒的无线节点发送信息，告知其无线节点重新进入休眠状态；如果在t周期内i号无线节点收不到i+1号无线节点苏醒所发的确认信息，则下一个T周期内i号无线节点仍为工作节点。
8. 根据权利要求7所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于如果i号无线节点连续3个T周期均在收不到i+1号节点苏醒所发的确认的情况下，继续作为工作节点，则认为i+1号无线节点出现故障，i号无线节点将通过汇聚节点通知列车安全运行控制中心对其进行维修，在i+1号节点修复之前，i号节点将选取i+2号节点为下一个工作节点。
9. 根据权利要求 7或8所述的一种用于铁路交通的无线传感网的拓扑控制方法，其特征在于如果将进入休眠状态的i号工作节点处于所属区段的边界位置，也就是i号工作节点是所属区段的其中一边界的最后一个工作节点，则其将通过其他的工作节点转发其轮换信息到区段的另一边界，如果处于区段的另一端的i'号工作节点在上一轮也是工作节点，则i'号工作节点和i号工作节点下一个T周期内都进入休眠状态。
全文摘要
本发明公开了一种用于铁路交通的无线传感网的实现方法，首先将需要传递列车行车信息的铁路沿线区域分为若干个区段，在每个区段设立一个汇聚节点；将该区段再进一步分为长度均为1的M个区域块；计算出每个区域块所需要布置的无线节点数ni，进而计算出各区域块内无线节点件的间距di，di＝1/ni；按照间距di将无线节点均匀布置在各区域块中间，给每个无线节点顺序配置1D号；无线节点以区域块为单位进行工作休眠轮换；区段内所有无线节点均通过区段内的汇聚节点与列车安全运行控制中心进行通信。本发明采用分块布点的方法，确定出区域块中无线节点的最佳部署间距。无线节点采用工作休眠轮换机制，能有效地提高网络的生存期限，保障列车的行车安全。
文档编号B61L27/00GK101774391SQ200910214560
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者刘震宇, 谢胜利, 高如超 申请人:华南理工大学