[发明专利]面向轨道交通基础设施服役状态检测的接入网构建方法

摘要

面向轨道交通基础设施服役状态检测的接入网构建方法，属于轨道交通安全信息获取方法技术领域。在轨道交通基础设施服役状态检测系统中的传感器采用无线通信，构建上下两层通信层；所述通信地址为两个字节，通信帧格式为同步头、帧长度等九部分，获取相邻节点间链路功率代价，得到上层树型骨干网络的连通方式，建立网络功率代价最小的通信网络；接入节点采用覆盖范围匹配方式对检测节点进行入网邀请构建下层星型检测网。本发明采用上下两层网络，通信地址设计降低了网络通信代价，节约了网络资源，减少了通信能耗，最小生成树方法优化了检测网的通信结构，提高了整个通信网的通信效率。本发明可对轨道交通的安全运营提供保障。

主权项

一种面向轨道交通基础设施服役状态检测的接入网构建方法，其特征在于，含有以下步骤：（1）通过对轨道交通基础设施服役状态检测的接入网进行分析，对检测网络层次进行划分；在轨道交通基础设施服役状态检测系统中的传感器采用无线通信；通过对轨道交通基础设施检测的需求进行分析构建由检测节点（ED：End Device）、接入节点（AP：Access Point）、汇聚节点（FP：Fusion Point）组成的由下而上进行数据传输的上下两层通信层的无线传感器网络；所述上下两层通信层，上层通信层是由布设于轨侧的接入节点和汇聚节点构成的树形网络，汇聚节点为树根节点，接入节点为叶节点；上层通信层称树形骨干网络，主要负责转发通信帧，保障数据通信覆盖轨道交通基础设施的整个检测区域；下层通信层是由布设于轨道上的检测节点和轨侧的接入节点组成的星型检测网络；接入节点为簇头节点，负责检测节点上传信息的融合和转发；检测节点为簇内节点；下层通信层称为星型检测层；（2）通过对轨道交通基础设施服役状态检测网络的层次结构的分析，设计网络中节点的通信地址以及通信帧格式；①所述通信地址，所述节点的通信地址为两个字节，16位地址空间，按照通信网络的双层结构分为高字节部分和低字节部分；两字节的地址空间设计允许一个通信网络中最多包含255个接入节点（含汇聚节点），每一接入节点最多包含255个检测节点；网络节点的通信地址高字节部分描述该节点所属的接入节点；由同一个接入节点控制的所有检测节点的通信地址高字节部分相同，都为这一接入节点的通信地址高字节部分；由于汇聚节点控制一个轨道交通基础设施服役状态检测无线网络内的所有接入节点，因此同属于同一个汇聚节点的所有接入节点的通信地址高字节部分不相同；汇聚节点的高字节部分设为0；网络节点的通信地址低字节部分描述某个星型检测网内的检测节点；同属于一个接入节点的所有检测节点的通信地址低字节部分不相同，但属于不同接入节点的检测节点的通信地址低字节部分允许存在相同现象；接入节点的通信地址低字节部分设为0；②所述通信帧，轨道交通基础设施服役状态检测接入网是一个无线传感器网络，节点间通过通信帧进行 通信，所述节点间的通信帧包括同步头、帧长度、帧控制信息、地址、端口号、顺序号、加密、应用负载和帧校验九部分；通信帧的同步头和帧长度；轨道交通基础设施服役状态检测接入网的通信帧根据IEEE802.15.4的标准物理层通信帧格式设计同步头和帧长度；同步头分为4字节的前导码和1字节的帧起始分隔符；同步头前导码的序列特征完成片能够使节点的无线模块实现通信和符号的同步；同步头帧起始分隔符的固定值为0xF7，用来标识一个通信帧的开始，并实现通信数据在字节上的同步；通信帧帧长度在节点发送数据时被插入，只占1个字节，用来实现节点的无线模块发送或接收长度可变的通信帧；帧控制字节到帧尾的长度值为帧的长度，由帧长度的低7位表示；由于帧长度不得大于射频接收发送先入先出队列的长度，因此帧长度不得大于127个字节；●通信帧的帧控制信息通信帧的帧控制信息占2个字节，包括应答请求、应答回复、接收类型、发送类型、上/下行标记、深度值、加密标志和保密八部分；其中，应答请求占1位，表示用户对接收方接收到通信帧后发送应答帧的请求，若需接收方发送应答请求位则为1，反之为0；应答回复占1位，当接收方接收到用户的应答请求并回复时，应答回复位为1；接收类型占1位，描述发送此通信帧的节点作为通信接收方接收通信帧的方式，当为控制监听型时，该位为0，当为休眠/轮询型时，该位为1；发送类型占2位，描述发送此通信帧的节点就是通信发送方时该节点的发送类型，当发送类型为检测节点时是00，为通信转发节点时是10，为汇聚接入节点时是11；上/下行标记站1位，当通信帧父节点向子节点下行传输，该位为1，反之通信帧上行传输为0；深度值占2位，描述此帧最近一次在树形骨干网中被节点转发的节点层数；由于节点通信地址设置中高字节占8位，故深度值最大为8；加密标志占1位，通信帧加密，该位为1，反之为0；●地址地址占2个字节，在通信帧由检测节点到接入节点，再到汇聚节点的上行通信过程中描述通信帧的源地址；在通信帧由汇聚节点到接入节点，再到检测节点的下行通信中描述通信帧的目的地址；●端口号端口号占1个字节，用以描述同一节点提供的特定服务；将0x00～0x2F的端口号分配给固定的服务端口，实现网络的管理功能；将0x30～0xEF的端口号分配给用户应用处理程序；将 0xF0～0xFE的端口号预留；0xFF端口号可作为广播端口；（3）获取相邻节点间链路功率代价；采用以节点间通信的功率代价为权重的最小生成树算法，得到上层树型骨干网络的连通方式；基于上层树型骨干网络的连通方式，计算各子节点的通信条件，建立网络功率代价最小的通信网络；①获取相邻节点间链路功率代价上层骨干网中的各节点会自主的由低到高的发射不同的功率；节点发送包含当前节点发射功率的探测命令，并监听其他节点的探测命令；当节点接收到多个节点的探测命令时，只选择具有其与探测节点通信所需的最小发射功率的探测命令进行应答；该功率称为两节点间通信的功率代价；当节点接收到被探测节点的应答信息后，将被探测节点的通信地址和两节点通信的功率代价予以记录；随着节点发射功率的增加，节点信号覆盖范围增大，探测到的相邻节点数目随之增多；当节点发射功率达到其最大值时，可获得其所有的相邻节点，并收集其与所有相邻节点的功率代价，最终形成该节点至其所有相邻节点间通信的功率代价；当上层骨干网中的每一个节点的发射功率都达到最大值时，可最终获得上层骨干网中每个节点通信的功率代价表；上层骨干网的每个节点以最大发射功率将该节点与其所有相邻节点通信的功率代价信息广播出去，使其所有的相邻节点均获取该节点的功率代价信息；网络中的每个节点摒弃其相邻节点与其不相邻节点的通信信息之后，最终获得该节点与其相邻节点通信以及其相邻节点彼此间通信的功率代价；在每个节点完成通信代价获取之后，上层通信网络的功率代价获取完成；②采用以节点间通信的功率代价为权重的最小生成树算法，得到上层树型骨干网络的连通方式轨道交通基础设施服役状态检测通信网络的上层骨干网的通信链路在保证节点与其相邻节点直接或间接通信的前提下，以整个网络的通信总功率代价最小为目标，优化网络中节点的发射功率；可近似为求解以两节点的功率代价为权的通信网络的最小生成树；上层骨干网中的汇聚节点通过广播拓扑优化命令启动全网的拓扑优化过程，节点接收命令后开始本节点的功率代价优化过程；当上层骨干网中的每个节点都实现优化后，整体功率代价最小的通信网络优化完成；本发明从汇聚节点开始进行优化，选择最小生成树算法中的Prim算法；上层树型骨干网 络通信链路的优化步骤如下：a)将获取的上层通信网络各节点间通信的功率代价按由低到高的顺序排列，建立链路的邻居节点集合和本地节点集合；b)以汇聚节点为起点选择与汇聚节点直接通信的功率代价最小的链路；c)将链路的另一端点加入到汇聚节点的邻居节点集合中，构成本地节点集合；d)选取与本地节点直接通信的功率代价最小的链路；e)如果链路两端的节点都在本地节点集合内，则返回步骤（c）；反之，将不在本地集合内的节点加入本地集合中；同时加入与之直接通信的本地节点的邻居节点集合中；f)如果本地节点集合内的节点没有覆盖上层网络的所有节点时，返回步骤（d）；当本地节点集合内包含了上层通信网络的所有节点时，上层骨干网通信的功率代价优化结束；将网络中每个节点的邻居节点集合中所需最大的通信功率作为该节点的广播功率；③基于上层树型骨干网络的连通方式，计算各子节点的通信条件，建立网络功率代价最小的通信网络上层骨干网承担网络通信的主要任务，为保证通信的高速顺畅，应实现消除节点间通信的广播风暴且保证根节点与非根节点间的通信路径唯一；根据上文通信地址设计可知，节点通信地址的高字节部分指代该节点所属的骨干网中接入节点，因此节点在骨干网内的通信地址使用该节点通信地址的高字节部分；上层骨干网的树型拓扑结构决定了根节点与非根节点间通信的唯一性；骨干网中的节点在转发通信帧以前，需要对比通信帧与该节点的深度，判断通信帧是否已经转发过，以达到杜绝骨干网中广播风暴的发生；上层骨干网中的每一个节点都分配有骨干网通信地址和子网掩码，骨干网中的节点通过将该节点的子网掩码与通信帧中的地址高字节部分进行逻辑与运算，判断通信帧中的目的节点是否为该节点；上层骨干网的拓扑优化使得骨干网中的每一个节点都得到了自身的邻居节点集合；骨干网中的每一个节点M在确定了节点本地深度、通信地址和通信掩码后，向其所有的邻居节点（不包括其父节点）发出加入以该节点为根节点的树型子网的请求；当节点M收到所有邻居节点的应答信息时，计算节点M的子节点的深度值、通信掩码长度和可使用的通信地址范围，并发送给所有同意加入以节点M为根节点的树型子网的节点；子节点的通信条件的具体计算方法如下：Dc=D+1                                                         (1)Lc=L+log2(x+n+1)                                          (2)Rca={R+Ra×28‑Lc,(Ra∈[1,2(Lc‑L)‑1])}                   (3)其中，D为上层骨干网中的任一节点M的深度值，L是节点M的通信掩码长度，R为节点M的通信地址（节点M应至少预留x个地址）；n为节点M的子节点个数；Dc、Lc、Rca分别是节点M的子节点（ChildNode）的深度值、通信掩码长度、通信地址取值范围；（4）上层树型骨干网络完成之后，接入节点采用覆盖范围匹配方式对检测节点进行入网邀请，构建下层星型检测网；上层树型骨干网络构建完成之后，汇聚节点启动下层星型检测网的构建；当下层检测网中的接入节点接收到构建星型检测网的命令后，将以其最大发射功率向外发射包含该接入节点通信地址和轨道交通基础设施状态含义的入网邀请；检测节点通过信道监听获取接入节点的邀请；由于无线信号的扩散性，检测节点会接受到多个入网邀请，此时，检测节点需判断接入节点中轨道交通基础设施状态含义的覆盖范围信息是否涵盖自身的布设位置信息，若是则选择该接入节点为自身的父节点，若所有接入节点中轨道交通基础设施状态含义的覆盖范围信息都不包含该节点，则就近选择一个接入节点作为自己的父节点；之后，检测节点的低字节部分会随机选取一个数字，并向父节点发送事先约定的入网令牌和硬件标识申请入网；接入节点通过判断检测节点的入网令牌的正确与否确定检测节点的加入该接入节点组成星型检测网的合法性；接入节点还保证其所有子检测节点的低字节部分无重复，否则将命令检测节点更改地址的低字节部分；接入节点接受所有符合条件的检测节点的入网申请后，向检测节点发送准许入网信息；检测节点遂将该接入节点的通信地址高字节部分加入自己的通信地址高字节部分中，构成检测节点的通信地址，并向其父节点发送自己完整的通信信息；接入节点不再收到任何检测节点的入网请求，则以该接入节点为父节点的星型检测网络构建成功；当所有接入节点的星型检测网络构建完成后，整个下层检测网的构建完成；下层星型检测网的通信也分为由接入节点到检测节点的下行通信和由检测节点到接入节点的上行通信两种通信类型；前者的通信帧中应包含目标检测节点的通信地址，后者的通信帧中应包含本地检测节点的通信地址；两种通信方式都需要接收方对通信帧中的通信地址与本地通信地址进行比较，若属于本地通信则下层检测网通信实现。