孟建軍，馬軍惠，陳曉強，4，賈 辛，劉 瀟

(1.蘭州交通大學 機電技術研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省物流與運輸裝備行業(yè)技術中心，甘肅 蘭州 730070；4.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來,隨著我國鐵路建設網的逐年增加,列車運行環(huán)境愈加復雜多變,而鐵路沿線環(huán)境直接影響著列車行車是否安全。由于我國鐵路干線一般是鋪設雙線軌道,其行車里程區(qū)間設有兩條正線且運輸量比單線軌道高出3倍,例如,全長兩千多千米的青藏鐵路全程鋪設有單線軌道和雙線軌道,在格爾木至拉薩段鋪設的單線軌道長約1 200 km,雙線軌道占全程線路的一半;同時,格拉路段大部分處于海拔3～5 km的高原地區(qū),凍土綿延,列車運行環(huán)境十分惡劣[1]。無線傳感網絡技術作為一種重要的信息獲取手段,在鐵路沿線、煤礦內部巷道、高速公路以及電網等長距離帶狀環(huán)境監(jiān)測方面有著顯著優(yōu)勢[2-4],因此,可將無線傳感網絡技術應用于列車運行環(huán)境監(jiān)測。另一方面,無線傳感網絡在運行過程中易出現能耗不均衡現象而導致網絡壽命減短[5],因此,如何均衡各區(qū)間的能量消耗以提高網絡壽命以及提高覆蓋率的同時降低部署成本是需要重點考慮的問題。

針對無線傳感網絡節(jié)點部署,文獻[6]考慮同一監(jiān)測環(huán)境下部署不同性能的傳感器節(jié)點,以最小的部署成本為目標,構建了多重覆蓋數學模型;文獻[7]在農田無線傳感網絡部署場景下,綜合比較了節(jié)點隨機部署、正六邊形以及正四邊形部署下的剩余能量、平均延時等網絡性能,但未考慮部署成本以及均勻能耗的問題;文獻[8]提出了煤礦井下巷道無線傳感網絡節(jié)點能耗均衡的部署方法,將區(qū)域劃分成面積相等的簇并按比例分配節(jié)點數量,延長了網絡壽命;文獻[9]提出了適合帶狀區(qū)域的高效利用能量的路由協議,較好地均衡了能量利用率,并得出了傳感器節(jié)點部署密度函數;文獻[10]提出了一種節(jié)點分區(qū)域重點部署算法,在考慮能耗均衡的前提下用較少的節(jié)點實現最大化覆蓋,但該算法以移動節(jié)點為前提,并不適用于無人值守的野外環(huán)境。

在雙線軌道無線傳感網絡中,節(jié)點部署方式分為隨機部署和固定部署[11-12],鐵路沿線需要監(jiān)測的環(huán)境有時長達幾千米甚至十幾千米,隨機部署無法保證網絡區(qū)域全覆蓋,造成網絡出現遺漏、多冗余等現象,因此本文采用固定部署方式;固定部署是將節(jié)點固定在劃分好的幾何區(qū)域頂點處,常用的分區(qū)方式有三角形分區(qū)、矩形分區(qū)等[13-14]。若采用文獻[15]的部署方式,單獨對每條軌道進行三角形部署,此策略下雙線軌道所需傳感器數量是單線軌道的2倍,大大增加了傳感器節(jié)點數量;若采用三角形、矩形分區(qū),在數據傳輸時需要進行簇頭選舉,而采用六邊形分區(qū)可將簇頭(CH)節(jié)點置于中心點處,不需要消耗能量來選舉CH節(jié)點。

本文將雙線軌道劃分成面積相等的簇,摒棄傳統(tǒng)的CH選舉機制,將CH節(jié)點設于六邊形中心,根據網絡模型和節(jié)點能耗模型按比例計算CH節(jié)點數量并分配至各簇,利用簇成員(CM)節(jié)點與CH節(jié)點的能耗關系計算簇成員節(jié)點數,并在六邊形內按照多重覆蓋的方式部署不同數量的節(jié)點,對重復的節(jié)點設置休眠/喚醒機制,達到能量均衡的目的。

1 系統(tǒng)模型

1.1 網絡模型

本文以雙線軌道直線路段為具體應用場景,對基于簇的無線傳感網絡模型設置如下參數:簇的數目為n,節(jié)點包括CH節(jié)點、CM節(jié)點以及1個sink節(jié)點,sink節(jié)點設于整個待測區(qū)域的左側,按離sink節(jié)點由近及遠的順序將簇依次記為e1,e2,…,en,各簇的CH節(jié)點相應定義為一級CH節(jié)點,二級CH節(jié)點,…,n級CH節(jié)點,如圖1所示。

圖1 網絡模型Fig.1 Network model

設置如下條件:

① 所有簇內傳感器節(jié)點初始能量E0相同,能量由電池供給;sink節(jié)點固定部署在雙線鐵路中心線一端,能量由外部供給,運算能力強。

② 節(jié)點采用布爾感知模型[16-17],感知區(qū)域是以節(jié)點為圓心、感知半徑為r的圓,若感知目標在節(jié)點覆蓋區(qū)域內,感知事件概率為1,否則概率為0。

1.2 能耗模型

由于列車運行環(huán)境復雜多變且多為野外,無線傳感網絡節(jié)點的工作環(huán)境面臨無人值守的困境,一旦傳感器節(jié)點能量耗盡,無法及時更換電池。無線傳感網節(jié)點能量消耗包括采集信息、數據融合處理以及數據傳送三方面,研究證明,數據傳送占主要能耗的90%[9],遠遠高于節(jié)點采集信息與融合處理能耗,因此,為簡化模型方便計算,忽略傳感器節(jié)點的采集信息與融合處理能耗,并采用文獻[13]的無線通信消耗模型。

(1)CM節(jié)點能耗模型

CM節(jié)點向CH節(jié)點發(fā)送lbit數據的能耗ETX為:

(1)

式中:Eelec為發(fā)射電路或接收電路處理單位bit數據的能耗,l為傳送的數據量,d為發(fā)送端與接收端的距離,其閾值為d0;εfs和εmp分別為自由空間模型和多路徑衰減模型下的數據傳輸能耗,d

(2)CH節(jié)點能耗模型

無線傳感網絡中的n級CH節(jié)點,其能耗由接收信息能耗和發(fā)送信息至上級CH節(jié)點能耗組成,傳感器節(jié)點接收lbit數據流量的能耗ERX為:

ERX(l)=lEelec,

(2)

因此,n級CH節(jié)點能耗En為:

(3)

其他CH節(jié)點能耗需要在n級CH節(jié)點能耗基礎上增加數據包傳送能耗,因此,其他CH節(jié)點能耗Ei為:

(4)

式中:i=1,2,…,n。當i=n時,式(4)為n級CH節(jié)點能耗。

2 能量均衡的節(jié)點密度分析

2.1 CH節(jié)點密度分析

在雙線軌道無線傳感網絡中,CH節(jié)點通過多跳路由方式將信息傳送到sink節(jié)點,因此,越靠近sink節(jié)點的CH節(jié)點負載越多,能量耗盡越早;若每個簇的節(jié)點數量相同,會導致整個無線傳感網絡能耗不均勻。針對這一問題需要依據每級CH節(jié)點的能耗情況確定其數量,以非均勻部署方式達到能量均衡的目的。

設整個無線傳感網絡部署的CH節(jié)點數量為N,i級CH節(jié)點數量為Ni,則有:

(5)

i級CH節(jié)點進行一次數據傳輸的能耗為:

Ei=(n-i+1)(2lEelec+lεmpd4),

(6)

(7)

遞推得到:

(8)

由式(7)、式(8)聯合求得一級簇的CH節(jié)點數量:

(9)

進一步得到i級簇的CH節(jié)點數量:

(10)

2.2 CM節(jié)點密度分析

(11)

化解得:

(12)

3 節(jié)點部署策略

3.1 六邊形部署原理

將整個雙線軌道等效成二維帶狀區(qū)域,在保證雙線軌道監(jiān)測區(qū)域全覆蓋的前提下,將傳統(tǒng)分區(qū)方式所得分簇數與本文提出的六邊形比較,如圖2所示,網絡部署長度D=800 m時,矩形分簇數目是六邊形分簇數目的1.9倍,三角形分簇數目是矩形分簇數目的2.05倍,因此,六邊形分區(qū)在滿足三重覆蓋的前提下劃分的簇數目比其他2種策略少,可節(jié)約大量節(jié)點。

圖2 不同軌道長度下的分簇數Fig.2 Number of clusters under different track lengths

圖3為本文提出的節(jié)點六邊形部署示意,如圖所示,將雙線軌道無線傳感網絡區(qū)域劃分成n個六邊形,根據上節(jié)方法計算所需節(jié)點數量并依次部署在六邊形區(qū)域的各頂點處,其中,CH節(jié)點部署在六邊形的中心處,CM節(jié)點部署在六邊形頂點處,CM節(jié)點的感知區(qū)域恰好相交于CH節(jié)點位置處,保證CM節(jié)點信息被CH節(jié)點接收的同時實現網絡區(qū)域全覆蓋。

圖3 節(jié)點六邊形部署模型Fig.3 Node hexagon deployment model

3.2 最優(yōu)分簇方式

針對本文提出的網絡分簇方式,lbit的數據流量從n級CH節(jié)點通過多跳方式發(fā)送到sink節(jié)點時的簇間傳輸總能耗為:

(13)

(14)

圖4 六邊形分簇效果Fig.4 Effect picture of hexagonal clustering

根據最佳分簇方式,求出可劃分的六邊形數:

(15)

3.3 簇內節(jié)點調度

通過上節(jié)計算每級簇內節(jié)點數量不等,針對相同六邊形劃分的簇,每個簇內同一時間的感知點數目相同,因此,本文采用節(jié)點多重覆蓋方式,已知需要部署的節(jié)點總數,按式(10)、式(12)計算各級所需CM節(jié)點和CH節(jié)點數量,重復的節(jié)點在感知點附近錯位部署并逐一編號,如圖5所示。節(jié)點工作采用休眠/喚醒機制,當節(jié)點1處于工作狀態(tài)時,其他重復節(jié)點為“休眠”狀態(tài),節(jié)點1能量低于其最低工作電量時,喚醒重復節(jié)點2,按照此方式,直至所有重復節(jié)點能量耗盡;CM節(jié)點部署同樣依照上述多重覆蓋方式,并采用休眠/喚醒機制。

圖5 多重覆蓋節(jié)點部署模型Fig.5 Multi coverage node deployment mode

4 仿真實驗與分析

4.1 部署流程

根據雙線軌道的實際特性,設置其參數如表1所示,部署策略流程如下:

① 已知網絡部署長度D、寬度y以及傳感器節(jié)點感知半徑r,對雙線軌道帶狀區(qū)域按照式(14)、式(15)所得分簇間距與分簇數進行均勻分區(qū);

② 已知傳感器節(jié)點初始能量E0以及各網絡部署長度下的CH節(jié)點總數,根據式(10)計算各簇所需CH節(jié)點數并依次部署;

③ 已知各級CH節(jié)點數量,由式(12)計算各簇所需CM節(jié)點數并依次部署;

④ 每級簇內節(jié)點按照圖3所示的六邊形部署策略進行部署;

⑤ 多重覆蓋的區(qū)域內節(jié)點部署按照圖5所示形式進行放置。

4.2 實驗結果分析

本文使用Matlab對提出的基于六邊形分簇的能耗均衡部署策略進行仿真實驗。具體參數如表1所示。

表1 實驗參數

圖6是部署長度為1 000 m時的網絡工作時間,可以看出,網絡運行至285輪時,3種部署策略下的網絡死亡節(jié)點數為0,從285輪開始,CH節(jié)點均勻部署策略下的死亡節(jié)點數目開始增加;運行至423輪時,CH節(jié)點隨機部署策略下的死亡節(jié)點數開始增加,運行至429輪時,CH節(jié)點非均勻部署策略下的死亡節(jié)點數逐漸增加,本文提出的節(jié)點非均勻部署策略網絡工作時間為1 238輪,較隨機部署和均勻部署策略分別延后了225輪和483輪。實驗結果表明,在初始能量相同的情況下,本文提出的能耗均衡的節(jié)點非均勻部署策略能夠有效延長網絡壽命,并且對于長距離網絡部署具有良好的延伸性。

圖6 1 000 m部署長度下的網絡生命周期Fig.6 Network life cycle under 1 000 m deployment length

圖7是3種部署策略在不同部署長度下的網絡工作時間,可以看出,隨著部署長度的增加,CH節(jié)點負載越重,網絡結束工作的時間越早;從整個曲線的分布來看,CH節(jié)點非均勻部署策略下的網絡工作時間高于其他2種策略,CH節(jié)點均勻部署時能量消耗更快。

剩余能量比是衡量網絡能量利用率的重要指標,如圖8所示,CH節(jié)點均勻部署時的剩余能量比顯著高于其他2種部署方法且變化趨勢更明顯,這是因為傳感網絡壽命取決于能耗最快的CH節(jié)點。隨著部署長度的增加,在該網絡模型中距離sink節(jié)點最近的CH節(jié)點負荷的數據量最多,能量消耗最快,剩余能量比就越高,此策略易提前結束網絡工作任務,降低了網絡生命周期。本文提出的CH節(jié)點部署策略的剩余能量比相比其他2種策略更低,優(yōu)勢更明顯,各簇的能量利用更均衡。

圖8 不同部署長度下的剩余能量比Fig.8 Residual energy ratio under different deployment lengths

簇首能耗比即CH節(jié)點消耗能量與總能耗的比值,圖9是網絡工作時間為400輪時,簇首能耗比與分簇數的關系,從圖中可以看出,在分簇數相同的情況下,隨著部署長度的增加,CH節(jié)點間距離增大導致能耗增多。仿真結果表明,部署長度從600 m增加到1 600 m時,最佳分簇數為9、11、14、17、20和22。因此,在對雙線軌道進行分簇處理時,分簇數取決于數據傳輸距離和傳送的數據量,分簇數小于最優(yōu)分簇數時,CH節(jié)點分布較密,致使傳送數據量增加;分簇數大于最優(yōu)分簇數時,CH節(jié)點間距離增大,能量消耗速度加快。

圖9 不同部署長度下的簇首能耗比Fig.9 Cluster head energy consumption ratio under different deployment lengths

5 結論

本文提出基于六邊形分簇的能耗均衡部署策略,將雙線軌道劃分成面積相等的簇,將CH位置設于六邊形中心,根據網絡模型和節(jié)點能耗模型按比例計算CH節(jié)點數量并分配至各簇,利用CM節(jié)點與CH節(jié)點的能耗關系計算CM節(jié)點數;在六邊形內按照多重覆蓋的方式部署不同數量的節(jié)點,對重復的節(jié)點設置休眠/喚醒機制,達到能量均衡的目的。實驗結果表明,本文提出的CH節(jié)點部署策略其剩余能量比相比其他2種策略更低,優(yōu)勢更明顯,各簇的能量利用更均衡,對于長距離節(jié)點網絡部署具有很好的延伸性?；诖?下一步的工作重點是考慮雙線軌道多個sink節(jié)點下的無線傳感網絡部署策略,構建更全面的網絡模型。