面向青藏铁路的军民融合式动态监控系统无线传感器网络模型

第１５卷第５期　军事交通学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖｏｌ＿１５　Ｎｏ．５　Ｍａｖ　２０１３　２０１３年５月　●军事运输Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　面向青藏铁路的军民融合式　动态监控系统无线传感器网络模型　王正贤　（兰州大学信息科学与技术学院，兰州７３００００）　摘要：在分析比较无线传感器网络的技术优势及发展趋势的基础上，着眼青藏铁路特点和构建军　民融合式交通运输动态监控系统的需求，阐述了无线传感器网络技术在青藏铁路军事运输和民用　运输动态监控中的具体应用，提出了无线传感器网络的应用模型，为研究和开发基于无线传感器网　络的铁路军民融合式交通运输动态监控系统进行了积极探索。　关键词：青藏铁路；军民融合；动态监控系统；无线传感器网络模型　中图分类号：Ｅ２３１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—２１９２（２０１３）０５—００２０—０５　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｍｏｄｅｌ　Ｏｒｉｅｎｔｅｄ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｑｉｎｇｈａｉ－Ｔｉｂｅｔ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ　Ｗａｎｇ　Ｚｈｅｎｇｘｉａｎ　（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ａ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｗｉｒｅ—　ｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｔｉｂｅｔ　ｒａｉｌｗａｙ，ｕｓｅｄ　ｂｏｔｈ　ｆｏｒ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｃｉｖｉｌｉａｎ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｕｓｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｙ—　ｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｉｒｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｉｌｉｔａｒｙ　ａｎｄ　ｃｉｖｉｌｉａｎ　ｉｎ　Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｔｉｂｅｔ　Ｒａｉｌｗａｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ　ｄｅ—　ｍａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ，ｅｔｃ，ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ　ａ　ｕｓｅｆｕｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｄｅ—　ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ・－ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　Ｑｉｎｇｈａｉ－　Ｔｉｂｅｔ　ｒａｉｌｗａｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｑｉｎｇｈａｉ—Ｔｉｂｅｔ　ｒａｉｌｗａｙ；ｃｉｖｉｌ—ｍｉｌｉｔａｒｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄｅｌ　青藏铁路沿线自然环境恶劣，地质构造复杂，　地震、冻融、崩塌、滑坡、泥石流、风沙、冰雪等各种　危害严重且相互影响，长达５５０　ｋｍ的常年冻土区　段是对全线运营最大的考验，对铁路行车安全造　无线传感器网络（ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，　ＷＳＮ）在轨道交通领域的应用，主要是为各类监控　预警系统提供基础网络支撑和交通运输信息获取　方式，藉此监测轨道交通的流量、速度、位置、运载　工具状态、设施设备占用情况以及交通运输事故　的发生等，其突出特点是所要监视或者控制的目　标是人类很难到达或者很危险的区域。ＷＳＮ能够　成很大威胁。该铁路沿线线路桥隧密集、涵洞众　多，对交通设施灾毁预警和应急救援的要求很高，　且线路设施和通信信号设备的监管养护难度大。　收稿日期：２０１３—０４—１２；修回日期：２０１３—０４—１８　作者简介：王正贤（１９８２一），男，硕士研究生．　２０１３年５月　王正贤：面向青藏铁路的军民融合式动态监控系统无线传感器网络模型　２１　适应青藏铁路有线通信不能有效覆盖和人类不便　到达作业的特殊情况，在青藏铁路军民用运输动　态监控领域中的应用研究是一个极佳的结合点，　具有创新意义且有广阔的应用前景。　１　需求分析　１．１　建设现状分析　青藏铁路格拉段信号工程设计采用基于　ＧＳＭ—Ｒ（铁路数字移动通信系统）和ＧＰＳ卫星定　位技术的ＩＴＣＳ列控联锁一体化车站控制系统，全　线区间实行虚拟闭塞分区，使用分散自律调度集　中系统进行行车调度指挥，采用轨枕和道岔融雪　加热变压器实施道岔加热融雪。其中，行车指挥　系统单独组网并采用双网自愈结构，ＩＴＣＳ系统独　享专用网络，微机监测和道岔融雪信息传输纳入　综合环境监测公用数据传输网　Ｊ。该线路在实现　调度指挥数字化、运营管理信息化和车站值守无　人化的同时，也给军民用运输安全监控和灾害损　毁预警造成很大压力。为此，青藏铁路格拉段建　设了线路视频系统，利用高分辨率长焦距镜头和　先进的红外热成像摄像机，对上千千米线路进行　连续监视。该系统由于主要依靠视频监控技术，　并处于模拟系统与数字系统混合应用阶段，因此　存在以下缺点：①视频信号经过多级传输后容易　产生衰耗、畸变，且易受不良天气和附着于镜头的　污浊物的影响干扰；②视频信号的存储耗费大量　的存储介质，查询取证繁琐；③占用带宽大，处理　和信息发布受到限制；④系统的扩展能力差；⑤无　法形成有效的报警联动　；⑥视频信号仅能反映　被监控目标的宏观信息，不能反映铁路设施设备　技术状态和列车运行动态的微观信息。由此可　见，目前应用于青藏铁路的监控预警系统，难以满　足高原铁路安全发展和未来军事斗争准备需要。　１．２建设目标分析　按照“军民融合式发展路子”　，构建基于　ＷＳＮ的军民融合、军路通用的交通运输动态监控　系统，采取“因线制宜、因需布设”的思路，在青藏　铁路线路、桥隧、车站等基础设施，机车、车辆等运　载工具，以及在运物资装备的关键部位，设置能够　感应地震、声音、红外线、张力、盐度、湿度、温度、　速度、位置等不同类型数据的传感器节点，并以此　构建异构型无线传感器网络，用以实时感知、监测　和传输铁路线路、桥隧等基础设施应力、形变、断　裂、移位等微观数据，列车车辆流量、位置、速度、　走行部完整性等动态数据，以及列车撞击、追尾、　脱轨等行车事故，物资坍塌、装备损毁、污染腐蚀　等货运事故，使该系统成为青藏铁路安全运输与　高效运行的“视听中心”，既能实现对青藏铁路军　事运输和民用运输的远程精确定位、目标实时跟　踪、信息动态采集和报文安全传输，为青藏铁路运　输情况研判、指挥调控和对紧急事件作出快速反　应提供有效依据，还能使得监控节点的布置范围　和调整拓展更加方便灵活，相对传统的现场总线　技术也可以大大降低成本，符合青藏铁路“安全可　靠、以人为本、依靠科技”的指导思想，和设备免维　护、少维修、无人化管理的技术要求　。　２　ＷＳＮ模型的构建　用于青藏铁路军民融合式动态监控系统的无　线传感器节点，是由占绝大多数的各种各样类型　而能力有限的ＷＳＮ，和小部分的能力较强的网关　节点组成的异构无线传感器网络。传感器节点随　机分布在目标区域内，负责感知和监测交通运输　数据信息，并将数据信息通过多跳方式传输到网　关节点。网关节点是预部署的，它们之间可以相　互通讯和传输数据，负责将传感器节点收集到的　数据信息通过ＧＰＳ、ＧＳＭ—Ｒ或北斗卫星通信网等　直接传输至监控中心。　２．１　ＷＳＮ应用需求及集合模型问题　２．１．１　ＷＳＮ的应用需求　ＷＳＮ在实际系统应用中需要考虑覆盖、连通　和节能３个方面的问题。覆盖和连通特性是ＷＳＮ　两个基本的应用需求，即ＷＳＮ同时处于运行状态　的这些传感器节点能够监视的范围不能小于应用　所要求监视的范围，其中每一个运行的节点能够　保证将收集到的数据传输到网关节点。节能是延　长网络寿命的一个重要手段，现有的研究表明，把　冗余的节点转换到休眠状态、而由同时处于运行　状态的节点继续提供监视服务是一种有效的节能　方式。如果网络中只需要一部分节点就可以保证　应用需求，那么把所有的节点都开启显然是十分　浪费能量的做法，因此没有必要所有的节点都同　时运行　２２　军事交通学院学报　第１５卷第５期　２．１．２传感器节点集的集合模型　建立无线传感器网络模型就是要提供管理和　调度网络的方式，以满足所有监控目标的数据信　息能够从传感器节点传输到网关节点。为此，需　要建立传感器节点集的集合模型并满足：①对任　何节点集中的每一个节点都存在１条到网关节点　的通信路径；②对任一节点集中的所有节点能够　共同覆盖所有的目标；③节点集的个数最大。前２　个条件保证了ＷＳＮ的覆盖和连通特性，第３个条　件是为节能设计考虑的，也是一个重要的应用需　求。　假定：①上述异构无线传感器网络的每个传　感器节点有其自身的传感范围和传输范围；②当　一个数据包到达网关节点之后，它通过网关节点　之间的网络能够被传输给最终用户。一个传感器　节点与另外一个传感器节点或者网络节点连接，　当且仅当２个节点之间的距离在其传输范围之　内；一个传感器节点覆盖一个目标区域，当且仅当　这个区域在其传感范围之内；一个集合（路径或者　图）覆盖目标表示这个集合（路径或者图）中的所　有节点共同监视了这个目标；节点Ａ到节点Ｂ连　通，表示Ａ到Ｂ之间存在１条数据传输路径；一个　集合（路径或者图）到一个点连通，表示这个集合　（路径或者图）中所有的节点与这个点连通。　２．２　保证覆盖和连通的最大不相交集合问题　（ＭＤＳ—ＭＣＣ）　给定一个包含　个网关节点和Ｊ７、，个能量有限　的传感器节点的异构无线传感器网络，每个传感　器节点有各自的传输范围和传感范围，另外给定　个监视目标。求满足以下条件的不相交节点集　的集合：①每个节点集的所有节点能够覆盖所有　的　个目标；②每个节点集中的任何一个节点都　至少存在１条到一个网关节点的数据传输路径；　③集合中不相交节点集的数目个数是最多的。　考虑一个由　个网关节点、Ⅳ个传感器节点　和　个监控目标组成的异构传感器网络，其中　《Ⅳ。在这个网络中，有２个方面需要被模型化，　即网络通讯模型和目标覆盖模型。　２．２．１　网络通讯模型　用有向图Ｇ＝（　，Ｅ）表示网络通讯模型。其　中Ｖ：｛凡１，ｎ２，…，ｎⅣ，ｎ』ｖ＋１，…，ｎⅣ＋　｝是　了点　集合，Ｅ是有向边集合。集合　中前Ⅳ个节点表　示传感器节点，后　个节点表示网关节点。定义　有向边集合Ｅ＝｛（凡　，ｎ１）：ｄｉｓｔ（ｎ　，ｎ　）≤ｒ　，　１≤ｉ≤Ｎ，１≤．　Ｎ＋　｝，其中ｄｉｓｔ（）表示欧拉距离　函数，路径（凡　，ｎ　）表示ｎ　到ｎｊ连通。由于只考虑　一个传感器节点是否能够将数据传输到一个网关　节点，所以不把从网关节点到传感器节点的有向　边归入有向边集合Ｅ中。　２．２．２　目标覆盖模型　令ｔ　～ｔ　为　个目标，每个传感器节点能够　覆盖１个或者多个目标。Ｓ＝｛Ｓ　，５　，…，Ｊｓ　｝表　示目标集的集合，当传感器节点／７，　覆盖目标ｔ　。～　ｎ时，目标集Ｓ　：｛ｔ　ｔ　…，ｔ“｝。将ＭＤＳ—ＭＣＣ　问题用有向图Ｇ＝（Ｖ，Ｅ，Ｌ）表示（其中　和Ｅ与　以上定义相同）。标记函数Ｌ（　）表示节点ｕ覆盖　的目标集合，定义如下：Ｌ（ｎ　）＝｛￡　Ｓ　｝（ｉ≤Ｎ，　，ｉ＞Ｎ）；Ｌ（　）＝Ｕ　Ｌ（ｎ），其中　；　Ｌ（Ｇ　）＝Ｕ　）　（ｎ），Ｇ　Ｇ。以这种图为网络模　型，ＭＤＳ—ＭＣＣ问题可以被化为以下问题。　２．２．３　网络模型化的ＭＤＳ—ＭＣＣ问题　给定Ⅳ、　、　和一个有向图Ｇ＝（Ｖ，Ｅ，Ｌ），　其中Ｒ＝｛ｎ，ｖ＋１，ｎⅣ＋２，…，／７，Ⅳ＋　｝∈Ｗ，以及集合Ｔ＝　｛ｔ　，ｔ：，…，ｔ　｝，求最大数ｋ，以及关于Ｇ／Ｒ中不　相交的子图日　，日：，…，　。其中，每个子图Ⅳ　的　超图Ｈ　（Ｖｉ　，Ｅ　），Ｖｉ　＝Ｖ（Ｈ　）ＵＲ，Ｅ　＝｛（ｎ　，　ｎｊ）：（１７，　，ｎｊ）∈Ｅ，（ｎ　，ｎ，）∈Ｖｉ　｝，满足条件：①　Ｌ（Ｖｉ　）＝　；②对　中每一个节点几　Ｖ（Ｈ　）存在　１条从ｎ　到　的路径，“∈Ｒ。　２．３无线传感器网络模型下收敛图的构建　给定有向图Ｇ＝（　，Ｅ，　），把它构建成收敛　图Ｇ　＝（　，Ｅ　，Ｌ　，ｒ）。将所有的网关节点用节点　ｒ代替，把这个节点叫做根节点。由此，Ｖｒ＝｛ｎ　，　ｎ　，…，１７，　，ｒ｝，其中，前Ⅳ个节点为传感器节点，最　后一个节点为根节点。传感器节点之间的边保持　不变，而传感器节点到网关节点的边变为此传感　器节点到根节点的边。如果１个传感器节点与多　个网关节点连通，在收敛的图Ｇ，中只保留１条此　节点到根节点的边。这是由于目标是能够寻找到　一条到网关节点的路径，而不在于具体到哪一个　网关节点。标记函数　的定义不变。图１具体演　示了有向图建成收敛的图的过程。　２．４　最大不相交集合算法的实现　针对收敛图模型下的ＭＤＳ—ＭＣＣ问题，提出　了最大不相交集合算法，算法主程序如下：　１）判断Ｇ中是否还有满足条件的子图。如果　２０１３年５月　王正贤：面向青藏铁路的军民融合式动态监控系统无线传感器网络模型　２３　（ａ）无向图Ｇ　（　）Ｇ收敛后的无向图Ｇｒ　（Ｃ）关于异构无线传感器网络收敛后的有向图Ｇ，　（ｄ）构造的有向图Ｇ，＝（Ｖｒ，Ｅ　，　，，ｒ）　一表示网关节点；●表示根节点；其他表示传感器节点　图１　由３个网关节点及１１个传感器节点组成的ＷＳＮ的不同　网络模型［　］　有，则转２），否则算法结束。　２）初始化集合　为空。日将存放被找到的节　点。　３）重复执行以下过程直到Ｈ覆盖所有目标。　寻找所有满足以下２个条件的路径（ｎ。，　，…，　）：ｎ　属于集合Ｈ，其他节点　。，ｎ　一，　都不　属于日；　。至少覆盖１个日未覆盖的目标，而对　ｔＩ　，Ｉｔ　．．，ｎ　中任何一个节点覆盖的目标都被　所覆盖。从找到的路径中选择一条路径，将其中　所有的节点添加到Ｈ中。　４）从日中删除冗余节点。　中的冗余节点指　在从Ⅳ中删除此节点后由日生成的子图还有满足　条件的日中的节点。　５）输出日作为一个结果节点集合，并且将日　中所有的节点从Ｇ中删除，返回１）。　这个算法保证每个输出的节点集合　能够覆　盖所有的目标并且与ｒ连通，这是由于这个算法不　断地寻找与已找到的节点相连通的新的节点，并　且这个新的节点能够覆盖至少１个与已找到的节　点覆盖的不相同的目标。由此则构造出了保证覆　盖和连通要求，满足动态监控需求，并且节点数最　少、能量消耗最小的无线传感器网络模型。　３　需解决的问题　由于无线传感器网络具有断接性、电源能力　局限性、自组织性、以数据为中心等特性，实际构　建基于ＷＳＮ的动态监控网络系统还需要解决以　下３个问题。　１）网络自组织性。由于军民用装备物资在运　输过程中的随机性和动态性，无线传感器网络需　要能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制　和网络协议自动形成转发监测数据的无线传感器　网络。　２）容错性与鲁棒性。在无线传感器网络实际　运行中，环境因素或电能耗尽可能造成传感器节　点出现故障或失效，环境条件变化也可能造成无　线通信链路的带宽变化，甚至时断时通，因此无线　传感器网络必须具有强大的鲁棒性和容错性，以　保证在任何时候监视区域都被覆盖，监视数据都　被收集。　３）能量局限性。青藏铁路军民融合式交通运　输动态监控系统，要求跟踪监控网络具有较长的　使用寿命。单个传感器节点是依靠电池供电，其　寿命是有限的，无线传感器网络必须通过大量的　传感器节点以一定的组织方式来保证监控网络的　寿命要求。　４　结　语　结合青藏铁路特点和军民用交通运输动态监　２４　军事交通学院学报　第１５卷第５期　（上接第１０页）　计算出其属于灰类　的隶属度　（Ｘｊ）。　由以上分析可知，第　个评价指标的权重为　，。指标体系的构建及评价指标的量化，其难点在于　灰色聚类中灰色中心点的确定，在下一步的工作　中还需对这２个方面进行深入研究。　参考文献：　［１］　李卉，郭立红．区间数与灰决策的作战效能评估模型［Ｊ］．火　力与指挥控制，２０１２，５（３７）：１４４—１４７．　那么，所评估高速公路路段关于灰类　的综合　１，　聚类系数　＝　Ｊ一　１毛　毫ｊ　（　ｆ）・　７。　若　＝ｍａｘ｛　｝，则所评估高速公路属于灰　类ｍ（ｍ＝１，２，３）。　［２］　郑煜，温广玉．数学模型［Ｍ］．哈尔滨：东北林业大学出版社，　５　结　语　本文从贯彻国防要求的需求出发，综合运用　２００６：２２４—２３１．　［３］　乔瑞中．基于信息熵法与灰色关联度评价法的行业经营效益　评价模型［Ｊ］．山东理工大学学报：自然科学版，２００４，１　（１８）：２９—３３．　灰色聚类评估、层次分析法以及信息熵法等多种　评估方法，构建了对高速公路建设贯彻国防要求　进行等级评价的数学模型，具体开展了评价对象　的确定、评估指标体系的构建、评价指标权重的分　析，以及评估等级的划分几个方面的研究。在运　用数学手段解决贯彻国防要求等级评价问题方　面，具有一定的创新性。该模型的重点在于评价　［４］　阮旭华．基于信息熵法的高校财务风险评估探析［Ｊ］．会计　之友，２０１１（３）：１０２—１０３．　［５］刘思峰，党耀国，方志耕，等．灰色系统理论及其应用［Ｍ］．５　版．北京：科学出版社，２０１０：１２２—１２６．　［６］　李遂汝，常春伟，徐理博．高速公路建设贯彻国防要求研究初　探［Ｊ］．国防交通工程与技术，２０１２，５（１０）：１—４．　（编辑：闫晓枫）