CN102291786B - 一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法，包括以下几个步骤：第一方向的列车进入基站的覆盖范围后，其向基站提交会车切换请求；基站判断第一、第二方向均有列车提交会车切换请求，则向所有进入基站的覆盖范围的列车发送会车状态切换指令；所有进入基站的覆盖范围的列车将各自的行车速度发送给基站；列车之间进行传感网数据交互；基站分别计算出各车的静默时间，并在各自的相遇时间，发送指令通知各列车调整各自传感器收发设备状态，结束。与现有技术相比，本发明具有可避免传感器数据重复采集，降低能耗等优点。

Description

一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其是涉及一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法。

背景技术

在传统的无线传感网中，传感器节点所探测的传感数据最终需要通过多跳传输给目标数据终端，通常在小规模的传感器网络中只使用单个目标数据终端，而过去的研究成果表明单个静态的目标数据终端会引起传感器网络的局部热点效应，造成传感器节点消耗大量能量而使得网络断路、瘫痪。因此，后续的研究引入了移动的目标数据终端和多个目标数据终端的方法用以平衡传感网的整体能耗，消除网络能耗热点问题。但是增加多个目标数据终端仅仅相当于将现有传感器网络进行拓扑划分，目标数据终端在传感器网络中的数量和位置对于平衡网络能耗至关重要，但是该方法仍未从根本上解决传感器网络的能耗分布不均。移动的目标数据终端的方法通常使用规划路径的方法，在预先部署的传感器网络中进行网络性能优化，寻找一条最有利于平衡网络能耗，同时有利于获得较大网络吞吐量的接收路径。通过网络规划后，按最优化路线进行数据收集的目标数据终端可以有效平衡传感器的能耗并延长传感器的整体寿命，但是由于其灵活性较差且复杂度较高，在实际应用中较难实现。

现有的无线传感器网络技术较少涉及在多个目标数据终端之间进行数据交互的内容，通常认为从传感器节点将传感数据传输至任意目标数据终端之后整个传输任务即告完成，然而忽略了在目标数据终端之间进行数据交互可以有效避免数据的重复采集以及能耗开销。传统方法采用基于面向地址或者面向兴趣的网络传播方法避免传感数据的重复采集，则需要对传感器网络中的每一个传感器进行统一的编址或者通过额外的信令交互以确保重复的信息不会被多次传输。因此，在没有目标数据终端之间的交互的情况下，为消除网络传感数据的冗余，需要付出额外的能耗开销，对于传感网中的传感器节点不利。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可避免传感器数据重复采集，降低能耗的高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：1)第一方向的列车进入基站的覆盖范围后，其向基站提交会车切换请求；2)基站判断与第一方向相对的第二方向是否有列车提交会车切换请求，如果判断为是，则向所有进入基站的覆盖范围的列车发送会车状态切换指令，并转到步骤3)，否则不发送会车状态切换指令；3)所有进入基站的覆盖范围的列车将各自的行车速度发送给基站；4)基站判断第一方向的列车数和第二方向的列车数是否均为一辆，如果判断为是，则进行步骤5)，否则转到步骤6)；5)两辆列车之间进行传感网数据交互，然后转到步骤7)；6)所有列车将各自的传感网数据发送给基站，基站选择第一方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第二方向的所有列车，同时，基站选择第二方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第一方向的所有列车；7)基站分别计算出各车的静默时间，并在各自的相遇时间，发送指令通知各列车调整各自传感器收发设备状态，结束。

所述的步骤7)中的静默时间的计算方法为：

A、如果第一方向的列车数和第二方向的列车数均为一辆，则第一方向的列的静默时间为第二方向的列车的静默时间为

B、如果第一方向的列车数为多辆或者第二方向的列车数均为多辆，则第一方向的第i列列车的静默时间为第二方向的第j列列车的静默时间 $t_j=\frac{V_{\max \_1}}{V_j+V_{\max \_1}}T;$

V₁为第一方向的列车速度，V₂第二方向的列车速度，T为沿线的传感器网络的更新采集周期，V_{max_1}为第一方向的列车中速度最大的列车的速度，V_{max_2}第二方向的列车中速度最大的列车的速度，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j第二方向的第j列列车的速度。

所述的步骤7)中的相遇时间的计算方法为：T_w为两列车的相遇时间，R为基站的覆盖半径，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j为第二方向的第j列列车的速度，t_si为第一方向的第i列列车进入基站的覆盖范围的时间，t_sj为第二方向的第j列列车进入基站的覆盖范围的时间，T_d是根据实际基站布设情况以及通信链路延迟所计算出的延迟误差参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、利用高铁动车相向行驶过程中的短暂会车时间交换前方传感网络探测数据，用以进行数据的有效性确认和再收集，从而可以降低传感器节点的工作周期，延长传感器网络的使用寿命，并且提高了传感数据利用的实时性，降低了外部网络为列车交互传感数据的传输开销。

2、解决了高铁动车采集沿线无线传感器网络过程中造成的重复采集和能量过度消耗问题。

附图说明

图1为基站激活列车进入会车交互状态示意图；

图2为列车会车交互数据示意图；

图3为两列车会车信令交互示意图；

图4为多列列车并线场景下的基站中心调度式数据交互；

图5为多列列车会车数据交互流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

在高速铁路环境下，沿途部署的用于监控行车轨道状态，环境监测等功能的专用无线传感器网实时监控数据可通过高铁动车进行高效的数据搜集。由于传感器是功能受限器件，仅依靠自身配备的电池维持能源供给，因此对于无线传感器网络来说，在有效汇报监控数据通信过程中，有效降低能耗和传感器结点的活动周期对维持长时间可靠运作的无线传感器网络来说至关重要。高铁动车具备可与无线传感器网络进行通信的功能。在车头和车尾分别部署用于与其他列车交互的天线，在列车车厢两侧分别部署一定数量的数据接收器，用于在沿线的无线传感网收集传感数据，即相当于传统传感器网络中的数据终端设备。本专利针对在高速铁路环境下沿途部署的专用无线传感器网络，提出一种高效的会车交换传感数据机制。利用高铁动车相向行驶过程中的短暂会车时间交换前方传感网络探测数据，用以进行数据的有效性确认和再收集，从而可以降低传感器节点的工作周期，延长传感器网络的使用寿命，并且提高了传感数据利用的实时性，降低了外部网络为列车交互传感数据的传输开销。如图1～3所示，为两辆列车进行数据交换。当两列列车在相向行驶接近可近距离通信范围内时，可采用传统短距离通信技术，将来车前方并线数据进行交换，其中涉及前方轨道状况的重要信息则可以使得来车对前方突发事件可以做出提前反应，有利于行车安全。其交换过程包括以下步骤：

步骤1)当以第一方向行驶的列车1进入基站的覆盖范围时，其向基站提交会车切换请求，则认为该列车进入了基站服务范围，此时基站不发出会车状态切换指令；

步骤2)当与第一方向相对的第二方向有列车2进入了该基站的覆盖范围，其也向基站提交切换请求；

步骤3)基站向两列车发出会车状态切换指令。

步骤4)基站判断出一共有两辆车相向行驶；

步骤5)由于列车轨道往往具有相似性，即交汇行驶的两列列车可能具有相同的路径，因此，可以将这样在一定区间内相向行驶的列车视为具有相同的数据采集范围。两列车各自向基站发送当前行车速度信息，并开始进行短距离传感网数据交互过程。

步骤6)继而基站根据列车行车速度以及传感器网络的固有信息更新周期，分别计算列车的所需静默时间，并在列车相遇时通知列车切换进入静默状态，关闭传感器网络采集设备。

静默时间的计算方法为：如果对于沿线的传感器网络来说其更新采集周期为T，即传感器网络需要间隔多长时间进行一次数据采集以确保数据的实时性和可靠性。那么将图1中由右向左行驶(即第一方向)的列车标记为列车1，相应的由左向右行驶(即第二方向)的列车标记为列车2。对于列车1来说，前方路段的不需要采集路段的静默长度与两列列车速度之和成反比，而与列车2的行驶速度成正比。那么可以认为列车1的静默时间为列车2的静默时间为V₁为第一方向的列车速度，V₂第二方向的列车速度，T为沿线的传感器网络的更新采集周期。在静默时间内，列车将不激活沿线的传感器网络以避免重复收集数据，造成传感器网络的能量损耗。

相遇时间的计算方法为：通常可以认为与基站通信的蜂窝模块天线位于列车的车头位置，同时基站的覆盖范围可以近似认为是沿轨道布设的基站之间的间隔距离。那么，相遇时间为T_w为两列车的相遇时间，R为基站的覆盖半径，V₁为第一方向的列车1的速度，V₂为第二方向的列车2的速度，t_s1为第一方向的列车1进入基站的覆盖范围的时间，t_s2为第二方向的列车2进入基站的覆盖范围的时间，T_d是根据实际基站布设情况以及通信链路延迟所计算出的延迟误差参数。

实施例2

对于多列并行列车的数据交互场景，点对多点的通信需求难以通过常规的短距离分布式通信方式满足，因此通过基站进行中心调度式的会车数据交互可以更高效地实现数据交互，如图4～5所示，其交换过程包括以下步骤：

步骤1)当以第一方向(即从右往左)行驶的两辆列车进入基站的覆盖范围时，其向基站提交会车切换请求，则认为该列车进入了基站服务范围，此时基站不发出会车状态切换指令；

步骤2)当与第一方向相对的第二方向(即从左往右)有两辆列车进入了该基站的覆盖范围，其也向基站提交切换请求；

步骤3)基站向四辆列车发出会车状态切换指令。

步骤4)基站判断出一共有四辆车，两两相向行驶；

步骤5)与两列车场景的不同之处在于传感数据的交换并不通过短距离通信技术交换，而是通过所有列车将各自的传感网数据发送给基站，基站进行数据整合并转发，由于并线同向行驶的列车所采集的数据具有一定的冗余性，可在基站端对数据的时效性进行过滤筛选，将整合后的数据分发与各列车。通常认为不同列车轨道之上的传感器与邻近轨道的传感器组成同一传感器网络，因此多列列车的信息交互可以认为是相向行驶的列车群之中信息量最大的列车之间的数据交互，即在更新采集周期为T内采集最多传感器数据的列车。很明显，速度最快的列车满足这一条件，因此基站从相向行驶的列车群之中选择速度最快的列车作为参照列车，并用参照列车作为参照物与来车进行静默时间计算。基站选择第一方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第二方向的所有列车，同时，基站选择第二方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第一方向的所有列车；

步骤6)继而基站根据列车行车速度以及传感器网络的固有信息更新周期，分别计算列车的所需静默时间，并在列车相遇时通知列车切换进入静默状态，关闭传感器网络采集设备。

静默时间的计算方法为：则第一方向的第i列列车的静默时间为第二方向的第j列列车的静默时间T为沿线的传感器网络的更新采集周期，V_{max_1}为第一方向的列车中速度最大的列车的速度，V_{max_2}第二方向的列车中速度最大的列车的速度，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j第二方向的第j列列车的速度。在静默时间内，列车将不激活沿线的传感器网络以避免重复收集数据，造成传感器网络的能量损耗。

相遇时间的计算方法为：通常可以认为与基站通信的蜂窝模块天线位于列车的车头位置，同时基站的覆盖范围可以近似认为是沿轨道布设的基站之间的间隔距离。那么，相遇时间为T_w为两列车的相遇时间，R为基站的覆盖半径，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j为第二方向的第j列列车的速度，t_si为第一方向的第i列列车进入基站的覆盖范围的时间，t_sj为第二方向的第j列列车进入基站的覆盖范围的时间，T_d是根据实际基站布设情况以及通信链路延迟所计算出的延迟误差参数。

Claims (2)

1.一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1)第一方向的列车进入基站的覆盖范围后，其向基站提交会车切换请求；

2)基站判断与第一方向相对的第二方向是否有列车提交会车切换请求，如果判断为是，则向所有进入基站的覆盖范围的列车发送会车状态切换指令，并转到步骤3)，否则不发送会车状态切换指令；

3)所有进入基站的覆盖范围的列车将各自的行车速度发送给基站；

4)基站判断第一方向的列车数和第二方向的列车数是否均为一辆，如果判断为是，则进行步骤5)，否则转到步骤6)；

5)两辆列车之间进行传感网数据交互，然后转到步骤7)；

6)所有列车将各自的传感网数据发送给基站，基站选择第一方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第二方向的所有列车，同时，基站选择第二方向的车速最快的列车的传感网数据并分别发送给第一方向的所有列车；

7)基站分别计算出各车的静默时间，并在各自的相遇时间，发送指令通知各列车调整各自传感器收发设备状态，结束；

所述的步骤7)中的静默时间的计算方法为：

A、如果第一方向的列车数和第二方向的列车数均为一辆，则第一方向的列车的静默时间为第二方向的列车的静默时间为

B、如果第一方向的列车数为多辆或者第二方向的列车数为多辆，则第一方向的第i列列车的静默时间为第二方向的第j列列车的静默时间 $t_j=\frac{V_{\max \_1}}{V_j+V_{\max \_1}}T;$

V₁为第一方向的列车速度，V₂为第二方向的列车速度，T为沿线的传感器网络的更新采集周期，V_{max_1}为第一方向的列车中速度最大的列车的速度，V_{max_2}为第二方向的列车中速度最大的列车的速度，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j为第二方向的第j列列车的速度。

2.根据权利要求1所述的一种高铁动车会车时车载传感数据交换处理方法，其特征在于，所述的步骤7)中的相遇时间的计算方法为：T_w为两列车的相遇时间，R为基站的覆盖半径，V_i为第一方向的第i列列车的速度，V_j为第二方向的第j列列车的速度，t_si为第一方向的第i列列车进入基站的覆盖范围的时间，t_sj为第二方向的第j列列车进入基站的覆盖范围的时间，T_d是根据实际基站布设情况以及通信链路延迟所计算出的延迟误差参数。