运营安全是高速铁路开展运输工作的前提,随着我国高速铁路运营里程的不断增加,对高速列车运营环境监测提出了更高的要求。目前,我国高速列车运营环境监测目标种类繁多、需求量大,而大多数现有系统的数据传输均采用有线网络,且各专业系统各自为政,投资建设成本高,后期维护难度大。无线传感器网络具有低功耗、自组织、无需布线和鲁棒性强等特点,能较好的满足工业级的数据监测需求,可以实现对铁路沿线的大范围部署,保证数据采集的广度和精度,降低列车运营环境监测的成本,降低监测系统施工和维护的难度,有效满足高速铁路沿线关键区域和偏远地区的大范围部署和长期在线监测的需要。本文从全路的角度,将无线传感器网络技术全面应用于高速列车运营环境监测中,以高速列车运营环境监测的实际需求出发,提出基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测系统总体架构及逻辑架构,研究地面无线传感器网络的拓扑结构、节点部署、路由协议以及车地无线传感器网络传输方案等关键技术,并以自然灾害及异物侵限监测为应用实例,设计基于无线传感器网络的自然灾害及异物侵限监测系统。论文的主要工作包括:(1)分析了高速列车运营环境监测的现状及其业务需求,总结了无线传感器网络系统的基本网络结构和典型的无线传感器网络架构,提出基于SOA和无线传感器网络的高速列车运营环境监测系统总体架构,并结合业务范围设计基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测系统逻辑架构,以及各无线传感器网络的架构和组网。(2)通过深入研究无线传感器网络拓扑结构,设计地面无线传感器网络混合分级拓扑结构。该拓扑结构充分结合铁路沿线监测设备和基础设施的特点,由局部网和骨干网两部分组成。骨干网的设计可将铁路沿线涉及到的所有专业的监测设备进行统一管理,信息统一传输,避免各专业各自为政,重复投资,还可以避免无线信道的相互抢占和相互干扰问题。针对地面无线传感器网络骨干网线性分布的特点,提出能量均衡非均匀节点优化部署策略,可有效避免出现线性无线传感器网络的“能量空洞”问题。(3)提出铁路沿线线性无线传感器网络路由协议,该路由协议以线性无线传感器网络能量均衡非均匀节点优化部署策略为基础,综合考虑网络寿命和监测信息的重要程度,根据监测信息的重要程度将数据包划分为不同的优先级,在网络能耗均衡的前提下,以最大化网络生命周期内传输数据包数量为目标,建立数据包转发模型和数据包传输时延模型。并对链路可能发生的故障类型进行分析,给出了故障节点失效处理策略。(4)对现有无线通信技术和列车车地通信技术进行详细论述,提出采用车地无线传感器网络技术实现车地信息的实时传输方案。通过在真实的高速列车运营环境下对多种无线通信技术进行“点对点”测试,确定最适用于列车高速移动场景下构建车地无线传感器网络的通信技术。设计基于接力传输的车地无线传感器网络,通过优化通信模块设计及多个节点的接力传输,大幅度提高了车地无线传感器网络的数据发送量,并通过室内试验、室外试验及高铁现场试验验证了该方案的可行性。(5)根据上述理论技术研究,提出基于无线传感器网络的自然灾害及异物侵限监测系统架构及组网方案,设计基于无线传感器网络的自然灾害及异物侵限监测系统。并进行系统的硬件选型设计、软件流程设计及研发,解决了现有自然灾害及异物侵限监测系统布线成本高、不能灵活增加监测功能的问题,对系统的产品化工作提供技术支撑。