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。
1.一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:Endxa0Device)、接入节点(AP:Accessxa0Point)、汇聚节点(FP:Fusionxa0Point)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254个接入节点,这里另外一个地址分配给了汇聚节点,每一接入节点又可包含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发出加入以该节点为根节点的树型子网的请求,这里的邻居节点不包括其父节点;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:D_c=D+1xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)L_c=L+log₂(x+n+1)xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(2)R_ca={R+R_a×2^8-Lc,(R_a∈[1,2^(Lc-L)-1])}xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(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;D_c、L_c、R_ca分别是节点M的子节点的深度值、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。
2.根据权利要求1所述的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,在整个通信过程中,检测节点可在较长时间内开启休眠模式,延长整个无线传感器通信网络的生命周期。技术领域
本发明涉及一种面向轨道交通基础设施服役状态检测的接入网构建的方法,涉及轨道交通基础设施服役状态检测网的网络层次结构建立、检测网的通信地址与通信帧格式的设计、检测网拓扑优化等方法,属于轨道交通安全信息获取方法技术领域。
背景技术
轨道交通已经成为我国经济发展的大动脉,保证轨道交通安全、科学、有序和高效运营成为首要面临的问题,基于轨道交通的安全检测目前已成为学术界的研究热点。现有的轨道基础设施监控作业监控主要通过巡道工和轨道检查车完成,这种方法得到的监控数据不够准确,并且不能实时地被在途运行列车获取,也无法同时完成大范围的监控。传统的监控方法不便于大范围、大规模、自动、快速的获取轨道交通基础设施的安全信息。目前,很多针对列车上设备安全状况监控系统等都是针对列车本身的安全监控,也有少量研究针对局部区域的特定基础设施进行监控的研究,但尚缺乏对整个轨道交通网络范围内基础设施安全状况进行监控的研究应用。近年来,综合了分布式信息处理、微机电系统、无线通信、嵌入式计算、传感器等高新技术的无线传感器网络技术得到了国内外学者的广泛研究。如红外线的轴温监控系统、机车故障监控与诊断系统在我国轨道运输覆盖范围广泛,这制约了成本昂贵的传统监控设备的大范围使用。轨道交通基础设施服役状态检测中传感器检测的基础设施状态信息复杂,主要包括钢轨纵向应力、钢轨位移与爬行、钢轨完整性、铁路路基沉降等各种基础设施的状态。为了保障轨道交通的安全运营,要将检测这些状态的传感器包含在整个基础设施检测接入网内,建立一个系统的、完善的轨道交通基础设施服役状态检测接入网。
发明内容
为了解决传统基础设施监控方法存在的局限性,本发明提供了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。该方法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,构建了由检测节点(ED:Endxa0Device)、接入节点(AP:Accessxa0Point)、汇聚节点(FP:Fusionxa0Point)组成的由下而上进行数据传输的无线传感器网络。根据检测网的分层特点,对网络中各节点的通信地址以及通信帧格式进行了设计,地址编码采用高字节部分和低字节部分的16位空间设计,可以大大降低网内的通信代价和通信能耗。节点数量完全能够满足轨道交通基础设施服役状态检测的需求。利用节点间通信的功率代价为权重的最小生成树算法对轨道交通基础设施服役状态检测接入网的网络拓扑进行优化,得到上层树型骨干网络(TBN:Treexa0Backbonexa0Network)的连通方式。然后计算出网络中各节点的深度、通信地址和通信掩码。上层树型骨干网络建成后,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(SDN:Starxa0Detectionxa0Network)。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种适用于轨道交通基础设施服役状态检测的接入网构建方法,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;(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;(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;(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。本发明的有益效果:本发明中,通过对轨道交通的基础设施检测网进行分析后,对其采用上下两层的网络设计,其中的检测节点可在较长时间内开启休眠模式,能够延长整个无线传感器通信网络的生命周期。通信地址空间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。合理的通信帧设计充分考虑了通信帧发送节点和接收节点的需求,对需传递的通信信息进行了合理的分配。以节点间通信的功率代价为权重的最小生成树方法的运用,优化了检测网的通信结构,降低了节点间的通信干扰提高了整个通信网的通信效率。本方法应用到轨道交通安全领域中,为轨道交通的安全运营提供有力保障。
附图说明
图1轨道交通基础设施服役状态检测接入网层次划分示意图。图2接入网节点通信地址分配示意图。图3通信帧构成示意图。图4通信帧的帧控制信息构成示意图。图5轨道交通基础设施检测接入网示例图。图6接入网示例中各节点的功率代价图。图7接入网示例中节点构成的上层骨干网的最小生成树示意图。图8优化后的接入网示例中上层树型骨干网中各节点信息示意图。图9优化后的接入网示例通信结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。实施例1:一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,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。轨道交通基础设施服役状态检测无线传感器网络能够划分为上下两层通信层。其中,如图1所示,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。上层通信层称为树形骨干网络,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,在整个通信过程中,检测节点可在较长时间内开启休眠模式,延长整个无线传感器通信网络的生命周期。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通信地址设计轨道交通基础设施服役状态检测无线传感器通信网络具有节点布设密度小,检测节点检测信息量相对较小,节点之间的通信距离较长的特点。因此本发明设计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。节点数量完全能够满足轨道交通基础设施服役状态检测的需求。与传统的64位的传感器网络通信地址设计相比,16位的地址空间设计更适合轨道交通基础设施服役状态检测的实际情况,大大降低网内的通信代价和通信能耗。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。网络中节点通信地址分配如图2所示。2通信帧设计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,本发明根据轨道交通基础设施服役状态检测的实际情况设计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,如图3所示。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。如图4所示。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,故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具体优化步骤如下: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:D_c=D+1xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(1)L_c=L+log₂(x+n+1)xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(2)R_ca={R+R_a×2^8-Lc,(R_a∈[1,2^(Lc-L)-1])}xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0(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;D_c、L_c、R_ca分别是节点M的子节点(Childxa0Node)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。接入节点还需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。一段时间后,若接入节点不再受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。实施例2:本发明在轨道交通的一个典型区域内拟布设一个简单的基础设施检测通信网络,如图5所示。轨道交通基础设施服役状态检测通信网络的构建从上层骨干网开始。上层骨干网中的汇聚节点和6个接入节点自动由低到高的改变自己的反射功率。每个节点的发射功率最大时,可获得该节点与所有相邻节点通信的功率代价。当上层骨干网中所有节点都获取了各自的功率代价表之后,把自身的功率代价信息以最大功率发射给相邻节点。最终完成上层骨干网的功率代价获取。将实验中上层骨干网的汇聚节点命名为节点A,接入节点由左到右依次命名为节点B、C、D、E、F、G,则实验最终获取的功率代价表如图6所示。上层骨干网的各节点功率代价表获取完成后,上层通信网的通信链路优化过程启动。以汇聚节点A的优化开始,以节点间的功率为权重,计算上层骨干网的最小生成树,计算结果如图7。节点A作为汇聚节点,其通信地址为0x00,掩码位长度为0,深度值为1,因为汇聚节点A需要至少预留1个地址,所以根据公式(1)、公式(2)、公式(3)可计算出节点A的子节点的深度值为2,掩码位长度为3,有7个通信地址可以使用,分别为224、192、160、128、96、64和32。在试验中选取节点C的通信地址为96,节点D的地址为128,节点E的地址为64。根据公式(1)、公式(2)、公式(3)可计算出节点B和节点G的深度值为3,子网掩码长度为5,节点B的通信地址可从104、112、120中选取,节点G的通信地址可从72、80、88中选取。同理若节点F的通信地址选择80,则节点F的深度值为4,子网掩码长度为7,通信地址为82。优化后的上层树型骨干网中各节点信息如图8所示。上层骨干网的构建结束后,汇聚节点A开启下层检测网的构建,把此命令传送至各接入节点,接入节点接收到构建星型检测网的命令后,以最大功率发送组网信息至各检测节点。检测节点唯一地选择一个涵盖自己布设位置信息的接入节点作为父节点。所有检测节点都加入网络之后,下层星型检测网络即组建完成。各接入节点完成星型检测网组建后,整个网络中的各节点的通信地址即可确定。本实验中的网络经拓扑优化和通信地址分配后的通信结构如图9所示,此时,整个通信网络构建完成。本发明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,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,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有力保障。