鐵路運輸系統(tǒng)中小世界模型的研究

商君

摘要；隨著鐵路網絡的規(guī)模不斷擴大，其拓撲結構越來越復雜，基于復雜網絡理論對其拓撲結構與其抗毀性的關系進行研究就顯得更加的重要。由于以上原因，本論文的主要話題是在路由網絡中構建小世界模型和得到與之相關的能源效率。

在本實驗中，在NS2平臺上設置了小世界模型，并且與隨機模型對比能效，發(fā)現(xiàn)小世界模型具有更好的能效，其抗摧毀性更加優(yōu)秀。

關鍵詞：鐵路運輸系統(tǒng)；復雜網絡；小世界模型；能效

1、背景知識：復雜網絡

復雜網絡是研究復雜系統(tǒng)的一種手段，其系統(tǒng)拓撲結構集中于單個節(jié)點之間的相關性，是深入理解復雜系統(tǒng)的性質和功能的基礎。復雜網絡中有一些關鍵字：

平均最短路徑

平均最短路徑能夠很好地描述網絡連通性的特點。兩個節(jié)點i和j之間的距離定義為沿最短路徑連接兩個節(jié)點的邊數(shù)。平均最短路徑L定義為任意兩點之間最短路徑的平均值，可以看作

N表示網絡中的端口數(shù)。

聚類系數(shù)

聚類系數(shù)的特征代表了網絡的聚類特征。通常，有一些節(jié)點直接與節(jié)點i連接，將節(jié)點的實際邊數(shù)與可能的邊數(shù)之比定義為節(jié)點i的聚類系數(shù)，可以看作

另外，網絡聚類系數(shù)c是對所有節(jié)點的平均聚類系數(shù)的計算，可以看作

N表示網絡中的節(jié)點數(shù)。

小世界現(xiàn)象的名稱源自網絡，其隨著路徑長度的變化，網絡具有較高的聚類度，稱為小世界模型。小世界模型與其他模型不同，因為小世界模型的可加性鏈接在一個區(qū)域內。

小世界模型可以通過連接郊區(qū)的所有節(jié)點來建立，然后連接遠離所選節(jié)點的節(jié)點。圖中顯示了規(guī)則模型和隨機模型之間的差異，小世界模型的區(qū)域應為0

NS2模擬

NS2使用TCL程序，awk是唯一的分析工具，nam被用于可視化。[2]

NS2是一個可以構建小世界模型和隨機模型的平臺，它可以路由平臺中的所有端口，然后通過平臺獲得吞吐量和總長度。此外，NS2還可以構建有關所有模型和輸出圖片的圖片。[3]

2、建立小世界模型

無線傳感器網絡一般包括一些采集節(jié)點、許多普通節(jié)點和一些超級節(jié)點。這些節(jié)點可以通過人工、機械、飛機分散等方式分布在監(jiān)測區(qū)域，無線傳感器網絡的總體結構可以由圖1看出。

小世界模型的節(jié)點分布概率p滿足0

將30個端口分為10個部分，每個部分是一個文件，其中包含5個節(jié)點的消息，消息包含節(jié)點的分布、分布的更改、節(jié)點之間的鏈接以及路由和鏈接的更改。

設置了節(jié)點分布的文件后，在不同的時間內建立了關于改變的暫停和改變的速度的文件，只改變暫停時間和速度的值，小世界模型就可以隨著時間的推移而改變。至此，小世界模型就建立起來了。

3、結果及分析

本實驗主要在50米×50米的運動場上進行，CBR數(shù)據(jù)大小不變，節(jié)點數(shù)為30個。

1）端到端延時分析：是指端到端延時應用中的時間特性響應。它包含消息傳輸過程中的所有延遲，例如發(fā)送緩沖區(qū)中的等待時間和接口中的隊列時間。數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的延時如圖2所示。

對網絡吞吐量的分析：吞吐量是指使用單位時間不丟失數(shù)據(jù)包的傳輸包數(shù)，吞吐量的單位是字節(jié)/秒或位/秒。吞吐量可以反映網絡帶寬的性能。

4、結論

從NS2平臺的結果可以很容易看出，采用小世界模型的結果比采用隨機模型的要好得多，而普通模型在各節(jié)點的時延、吞吐量和剩余能量等方面都有相似的輸出，因此小世界模型優(yōu)于隨機模型。小世界模型在能源效率方面優(yōu)于隨機模型，因此小世界模型比隨機模型具有更好的能效。

從以上結果可以看出，小世界模型既能提高網絡的能量效率，因此應用于鐵路運輸系統(tǒng)時，會大幅度增加鐵路運輸系統(tǒng)的抗摧毀性。

參考文獻：

[1]崔學義，“WSN的由來以及在國外的研究和發(fā)展”，射頻世界， 2009.

[2]Hui Wang，“NETWORK SIMULATOR-VERSION2”.

[3]Li Li，“Simulation and Analysis of Wireless Routing Protocols Based on NS2.28”，2009.

（作者單位：中鐵第一勘察設計院集團有限公司）