蘇 坡， 馮興樂(lè)， 薛國(guó)偉

（長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710064）

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速平穩(wěn)健康發(fā)展，我國(guó)的公路交通網(wǎng)也在日益完善。 而公路在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的邊坡。 邊坡穩(wěn)定則交通通暢；而邊坡一旦失穩(wěn)，輕則掩埋公路，中斷交通，重則危及生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。 因此，及早地對(duì)公路邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有極為重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

針對(duì)公路沿線邊坡變形的監(jiān)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)方法主要有GPS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)法[2]和光纖光纜監(jiān)測(cè)法[3]。 其中，GPS 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)法不受天氣影響，能實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)測(cè)，但卻存在著山區(qū)衛(wèi)星信號(hào)易被遮擋， 多徑效應(yīng)較為嚴(yán)重等缺點(diǎn)，特別是當(dāng)其與移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合使用時(shí)，運(yùn)營(yíng)的成本就會(huì)特別高，這大大增加了公路邊坡監(jiān)測(cè)的非經(jīng)濟(jì)性。 光纖光纜監(jiān)測(cè)法利用了近幾年剛剛發(fā)展成熟的光纖傳感技術(shù)，雖然對(duì)公路邊坡變形的監(jiān)測(cè)精度有了大幅度的提高，但是公路邊坡復(fù)雜的環(huán)境導(dǎo)致其布線工程量大、線路維護(hù)困難且危險(xiǎn)，從而嚴(yán)重影響了其全面普及和推廣。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）[4]技術(shù)是近幾年正探索性地被應(yīng)用于公路邊坡監(jiān)測(cè)的一種新興技術(shù)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，它低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置容易的特點(diǎn)正好可以彌補(bǔ)上述兩種技術(shù)方法的不足。 基于此，筆者提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。 本文在對(duì)該方案進(jìn)行詳細(xì)地描述之后，重點(diǎn)分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有代表性的4 種分簇路由協(xié)議，并主要從節(jié)能性、擴(kuò)展性和適用環(huán)境3 個(gè)方面比較歸納了4 種路由協(xié)議在公路邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)方案描述

本文提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本方案采用分簇路由協(xié)議，選用的傳感器包括位移傳感器、液位傳感器以及降雨量傳感器等。 每一個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照功能可以分為傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)。 其中，傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域公路邊坡的位移、地下水位以及降雨量等信息，路由節(jié)點(diǎn)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，作為簇首的匯聚節(jié)點(diǎn)擔(dān)任基站的作用，接收由傳感器節(jié)點(diǎn)直接或是經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)間接發(fā)送過(guò)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)信息，之后采用GPRS 無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心最終完成對(duì)公路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)。

圖1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of highway slope monitoring system based on WSN

1.2 系統(tǒng)傳感器選擇

邊坡變形是引起公路滑坡阻塞交通的主要因素，因此公路邊坡監(jiān)測(cè)的首要任務(wù)是是監(jiān)測(cè)邊坡變形。 造成公路邊坡產(chǎn)生形變的因素包括自然因素 （如降雨導(dǎo)致地下水位上升等）和人為因素（如道路施工等）。 通常情況下，公路邊坡產(chǎn)生形變，公路山體都會(huì)在垂直和水平方向上發(fā)生位移，同時(shí)出現(xiàn)大量裂縫。 因此，公路邊坡變形監(jiān)測(cè)應(yīng)包括水平和垂直位移監(jiān)測(cè)、地表裂縫監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。 基于公路邊坡監(jiān)測(cè)的內(nèi)容，在搭建公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，一般選用的傳感器應(yīng)包括位移傳感器、液位傳感器以及降雨量傳感器等。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)劣的決定因素—無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般都采用電池供電，而公路邊坡惡劣的監(jiān)測(cè)環(huán)境增加了更換電池的成本和危險(xiǎn)系數(shù)，因此，公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要將能耗問(wèn)題放在首位。 而這就對(duì)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的布置和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量提出了更高的要求。 如何最大限度地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高系統(tǒng)采集和傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和高效性，這決定了系統(tǒng)要根據(jù)公路邊坡所處的實(shí)際環(huán)境選擇最佳的路由協(xié)議。 可以說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇的好壞是決定公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

1.4 公路邊坡監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)要求采用分簇路由協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度可以分為平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議[5]。 由于公路邊坡監(jiān)測(cè)的環(huán)境比較復(fù)雜且監(jiān)測(cè)區(qū)域面積一般都比較大，通常需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置大量的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因而網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常大，不能直接采用擴(kuò)展性差的平面路由協(xié)議。 相反，分簇路由協(xié)議具有拓?fù)涔芾矸奖恪⒛芰坷寐矢吆蛿U(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求，特別適合于公路邊坡監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議分析

2.1 LEACH 協(xié)議

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[6]協(xié)議是最早提出的一種自適應(yīng)分簇路由協(xié)議，它采用隨機(jī)循環(huán)的方式選舉簇首。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在0 和1 之間產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，當(dāng)這個(gè)隨機(jī)數(shù)小于當(dāng)前循環(huán)計(jì)算出的閾值T（n）時(shí)，該節(jié)點(diǎn)即被選舉為簇首。 然后，簇首向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播自己成為簇首的消息， 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)則根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度加入最近的簇。 簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)按照TDMA 時(shí)隙采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至簇首，網(wǎng)絡(luò)中所有簇首將數(shù)據(jù)融合之后直接或經(jīng)由Sink 節(jié)點(diǎn)間接發(fā)送到基站。 其中，閾值T（n）的計(jì)算公式為：

其中，p 為簇首節(jié)點(diǎn)占所有節(jié)點(diǎn)的百分比，即節(jié)點(diǎn)被選為簇首的概率；r 為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)；G 為當(dāng)前輪循環(huán)中未被選為簇首的節(jié)點(diǎn)的集合；r mod表示當(dāng)前循環(huán)中被選為簇首的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

結(jié)合公路邊坡監(jiān)測(cè)的實(shí)際環(huán)境，LEACH 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路邊坡諸如普通變形、 位移等數(shù)據(jù)信息的采集和傳輸。但是，LEACH 協(xié)議卻存在如下缺點(diǎn)：1）每一次循環(huán)都要進(jìn)行一次簇首的選舉，會(huì)造成整個(gè)公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷(xiāo)過(guò)大；2） 僅根據(jù)一個(gè)隨機(jī)數(shù)和計(jì)算的閾值就決定了簇首，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中簇首和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的分布不均勻；3）簇首間負(fù)載不均衡，會(huì)出現(xiàn)簇首失效或是簇首被閑置，這就造成了系統(tǒng)資源的浪費(fèi)；4）簇成員節(jié)點(diǎn)直接和簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加速了簇首的能量消耗，縮短了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命；5）每個(gè)簇的規(guī)模有限，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性不強(qiáng)。

針對(duì)LEACH 協(xié)議的缺點(diǎn)，改進(jìn)措施如下：1）每一次循環(huán)過(guò)后，將剩余能量多的節(jié)點(diǎn)作為候選簇首；2）對(duì)公路邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分以增加簇首和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分布的均勻性；3）設(shè)置一個(gè)參數(shù)增大與基站距離近的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇首的概率，以縮短網(wǎng)絡(luò)中簇首傳輸數(shù)據(jù)的距離，從而延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

2.2 EEUC 協(xié)議

EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）[7]協(xié)議是一種依據(jù)剩余能量來(lái)選舉簇首的協(xié)議。 為解決距離基站近的節(jié)點(diǎn)因?yàn)椴粌H要傳輸簇內(nèi)數(shù)據(jù)，同時(shí)要轉(zhuǎn)發(fā)其它簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)而能量過(guò)早耗盡死亡的問(wèn)題， 提出了一種不均勻分簇的方法，通過(guò)考慮節(jié)點(diǎn)與基站的距離，使得與基站距離近的簇的規(guī)模越小，從而可以均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。 該協(xié)議的關(guān)鍵點(diǎn)是簇半徑的計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中，R0為候選簇首競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值；c 在[0，1]之間，是簇半徑控制參數(shù)；dmax和dmin分別表示節(jié)點(diǎn)到Sink 距離的最大值和最小值；d 表示簇首i 到Sink 節(jié)點(diǎn)的距離。

與LEACH 協(xié)議相比，HEEC 協(xié)議簇首的選舉考慮了網(wǎng)絡(luò)的能量消耗不均衡的問(wèn)題，改善了距離基站近的簇首的能量消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，更加特別地適合用于公路邊坡監(jiān)測(cè)。 然而，EEUC 協(xié)議在提高公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)， 也產(chǎn)生了一些新的問(wèn)題：1）簇的形成過(guò)程過(guò)于復(fù)雜， 從而造成系統(tǒng)代價(jià)較大；2）不同的簇具有不同的簇半徑會(huì)造成節(jié)點(diǎn)采集和傳輸數(shù)據(jù)的精度降低。

2.3 TEEN 協(xié)議

TEEN （Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）[8]協(xié)議是對(duì)LEACH 協(xié)議的一種改進(jìn)，協(xié)議中設(shè)置了軟、硬兩個(gè)閾值。 首先根據(jù)LEACH 協(xié)議隨機(jī)循環(huán)的方式選舉簇首，然后由簇首把軟、硬兩個(gè)閾值發(fā)送給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)第一次超過(guò)硬閾值時(shí)，就把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇首， 此后簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)必須超過(guò)硬閾值， 并且數(shù)據(jù)的變化大于軟閾值時(shí)才能再次發(fā)送采集到的新數(shù)據(jù)。這樣，TEEN 協(xié)議就在精度和系統(tǒng)能耗之間達(dá)到了一個(gè)合理的平衡。

在實(shí)際的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，TEEN 協(xié)議可以對(duì)邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域如突降暴雨、 突變位移等突發(fā)事件快速做出響應(yīng)，從而完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 但是，TEEN 協(xié)議也存在如下缺點(diǎn)：1）如果系統(tǒng)中設(shè)定的閾值不能達(dá)到，節(jié)點(diǎn)將不會(huì)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)；2）一旦節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到閾值要求，數(shù)據(jù)就會(huì)被節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送，這容易造成信號(hào)間的干擾，且如果采用TDMA，將會(huì)造成數(shù)據(jù)延遲。

針對(duì)TEEN 協(xié)議的缺點(diǎn)，改進(jìn)措施如下：1）硬閾值可以根據(jù)采集到的邊坡實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)通過(guò)濾波的方式得到，從而提高硬閾值的準(zhǔn)確度；2）系統(tǒng)中可以定義一個(gè)計(jì)數(shù)器，節(jié)點(diǎn)每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器就清零一次，一旦計(jì)數(shù)器的時(shí)間到達(dá)，無(wú)論當(dāng)前的數(shù)據(jù)是否滿足軟、硬閾值的條件都將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.4 GEAR 協(xié)議

GEAR（Geographic and Energy Aware Routing）[9]協(xié)議是一種能量感知的基于地理位置的路由協(xié)議。 采用查詢的方法建立從Sink 節(jié)點(diǎn)到事件區(qū)域的路由，同時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的地理位置信息和剩余能量情況， 通過(guò)Hello 消息機(jī)制交換所有相鄰節(jié)點(diǎn)的位置信息和剩余能量信息， 從而減輕路由建立的能耗。GEAR 協(xié)議中查詢消息的傳播主要分為兩個(gè)階段， 即查詢消息到事件區(qū)域的路由建立階段和查詢消息在事件區(qū)域內(nèi)的傳播階段。

公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GEAR 協(xié)議，不僅可以及時(shí)地獲取邊坡發(fā)生的變形等數(shù)據(jù)， 而且當(dāng)邊坡監(jiān)測(cè)面積較大時(shí)，監(jiān)測(cè)人員也可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息快速地定位到發(fā)生滑坡等事故的具體位置， 從而及時(shí)地制定準(zhǔn)確有效的應(yīng)對(duì)策略。這樣既提高了路由的效率， 又改善了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效果。然而，GEAR 協(xié)議還存在如下的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)：1）采用貪婪算法，節(jié)點(diǎn)偏向選擇距離目標(biāo)區(qū)域較近的節(jié)點(diǎn)，這樣會(huì)造成信號(hào)間的干擾過(guò)大；2）一旦網(wǎng)絡(luò)中缺乏足夠的拓?fù)湫畔?，可能?huì)造成路由空洞；3）系統(tǒng)對(duì)硬件的要求特別高，從而成本較大。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議比較

在充分理解了以上4 種分簇路由協(xié)議工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)各自在公路邊坡監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件進(jìn)行了分析與總結(jié)，如表1 所示。

表1 4 種路由協(xié)議比較分析Tab. 1 Comparison and analysis of four kinds of routing protocols

但是，在實(shí)際的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，路由協(xié)議對(duì)系統(tǒng)性能影響的研究不能僅僅局限于節(jié)能性、 擴(kuò)展性等方面，還需要從以下幾個(gè)方面綜合考慮。

1）路由協(xié)議的服務(wù)質(zhì)量。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大以及支持圖像傳輸?shù)男滦蛡鞲衅鞯膽?yīng)用對(duì)傳送的服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅要能夠傳送數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還能夠傳送具有高服務(wù)質(zhì)量的圖像。 此外，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)的重要性和緊急性也不同，如公路邊坡的突變位移就比地下水位的變化數(shù)據(jù)更緊急。

2）路由協(xié)議的安全性。 錯(cuò)誤的路由信息會(huì)使公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器采集到的數(shù)據(jù)不能及時(shí)地到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)，大量的非法路由信息也會(huì)減緩數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，甚至可能?dǎo)致整個(gè)公路邊坡監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

綜上所述，為了提高公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，需要進(jìn)一步深入研究節(jié)能性和擴(kuò)展性好、提供高服務(wù)質(zhì)量保證和具有良好的安全性的分簇路由協(xié)議。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邊坡現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公路邊坡環(huán)境的無(wú)線監(jiān)測(cè)，不僅可以降低成本，還可以大大減少傳統(tǒng)人工布線以及線路維護(hù)等方面的工作，從而可以顯著提高公路邊坡監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度。 此外，通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的四種分簇路由協(xié)議在公路邊坡監(jiān)測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中的分析，可以看出每種協(xié)議都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 在實(shí)際搭建公路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，要充分結(jié)合公路邊坡所處的環(huán)境和監(jiān)測(cè)的具體要求，因地制宜地選擇最佳的路由協(xié)議。 本文所做的工作對(duì)于實(shí)際的公路邊坡應(yīng)用研究具有很好的借鑒意義。

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