基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的渝高速鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉韻

【摘 要】在高鐵經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過(guò)程中，運(yùn)行安全是極為重要的前提，沒(méi)有良好的安全保障，高鐵建設(shè)將無(wú)從談起。本文根據(jù)重慶地區(qū)的復(fù)雜地形及氣候特征，從線路基礎(chǔ)設(shè)施、自然環(huán)境與災(zāi)害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手，結(jié)合嵌入式技術(shù)和4G通信技術(shù)，對(duì)基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重慶高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行了研究與探索，以彌補(bǔ)現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈活性差、布線復(fù)雜、監(jiān)測(cè)范圍受限、建設(shè)成本高等缺陷，對(duì)于降低重慶高鐵運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、提高安全運(yùn)行能力有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路；安全監(jiān)測(cè)；ZigBee；傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0020-002

Research on the External Environment Safety Monitoring System of Handan High-speed Railway Based on ZigBee Sensor Network

LIU Yun

（Chongqing Industrial and Commercial College，Chongqing 401520，China）

【Abstract】In the rapid development of the high-speed rail economy，operational safety is an extremely important prerequisite.Without good safety and security，the construction of high-speed rail will be impossible.Based on the complex terrain and climatic characteristics of Chongqing area，this article starts with the external factors that may cause safety hazards in high-speed railways such as line infrastructure，natural environments and disasters，and combines embedded technology and 4G communication technologies with Chongqing High Speed Rail based on ZigBee wireless sensor networks.The research and exploration of the external environmental safety monitoring system has been carried out to compensate for the defects of poor flexibility，complicated wiring，limited monitoring range，and high construction cost of existing environmental monitoring systems.It is important for reducing the risk index of high-speed railways in Chongqing and improving the safe operation capability.The practical significance.

【Key words】High-speed railway；Safety monitoring；ZigBee；sensor network

黨中央、國(guó)務(wù)院把握國(guó)內(nèi)外大勢(shì)作出實(shí)施絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和21世紀(jì)海上絲綢之路戰(zhàn)略（即“一帶一路”戰(zhàn)略）的重大戰(zhàn)略決策。在貫徹落實(shí)“一帶一路”戰(zhàn)略中，重慶地方戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一就是通過(guò)提升對(duì)外大通道能力和完善內(nèi)部綜合交通網(wǎng)絡(luò)，著力構(gòu)建以鐵路、水運(yùn)為骨干，公路為基礎(chǔ)的綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)。其中，“一樞紐十四干線”的鐵路網(wǎng)，總里程將達(dá)到3000公里，在成都、西安、昆明、長(zhǎng)沙、鄭州等主要對(duì)外通道方向上都將建設(shè)高速鐵路[1]。隨著重慶高速鐵路（簡(jiǎn)稱“高鐵”）的快速發(fā)展，列車時(shí)速大幅提升，如成渝高鐵主力車型CRH380D型高速動(dòng)車組的最高時(shí)速已達(dá)380公里/小時(shí)。在高鐵經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過(guò)程中，運(yùn)行安全是極為重要的前提，沒(méi)有良好的安全保障，高鐵建設(shè)將無(wú)從談起。如何最大限度地預(yù)防和減少各類自然災(zāi)害對(duì)高鐵安全的影響，是鐵路技術(shù)創(chuàng)新必須長(zhǎng)期關(guān)注的一項(xiàng)重大課題[2]。

而重慶地區(qū)復(fù)雜的地形與氣候特征所引發(fā)的自然災(zāi)害和突發(fā)事故對(duì)高速運(yùn)行列車的危害極大，暴雨、強(qiáng)風(fēng)、洪澇等因素都有可能導(dǎo)致鐵路運(yùn)行出現(xiàn)危險(xiǎn)，甚至車毀人亡，后果不堪設(shè)想。因此，從線路基礎(chǔ)設(shè)施、自然環(huán)境與災(zāi)害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手進(jìn)行高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，對(duì)有效地提升重慶高鐵運(yùn)行安全指數(shù)有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）線路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1）軌溫監(jiān)測(cè)

重慶大部分地區(qū)夏季氣溫極高、日照強(qiáng)度大，鋼軌受氣溫影響軌溫變化較大。而軌溫的變化將改變無(wú)縫鋼軌溫度應(yīng)力的大小與分布，對(duì)無(wú)縫軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的產(chǎn)生重要影響。若鋼軌溫度應(yīng)力過(guò)大，輕則影響軌道的幾何平順性，重則引發(fā)脹軌跑道等嚴(yán)重事故。因此，利用軌道溫度傳感器模塊對(duì)軌溫變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是保證高鐵行車安全的重要保障之一。

氣溫是影響軌溫變化的主要因素，一般認(rèn)為70km范圍內(nèi)的氣溫幾乎相同[3]，因此應(yīng)在高鐵沿線以70km為間隔設(shè)置軌溫監(jiān)測(cè)裝置，沿途如山坡、橋梁、隧道等特殊路段可根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以此保證管理中心對(duì)軌溫實(shí)時(shí)變化情況的掌握。

2）橋梁沉降監(jiān)測(cè)

重慶地區(qū)江河資源豐富，高鐵沿線有較多大跨度的軌道橋梁。盡管在高鐵鐵路的設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)不均勻沉降進(jìn)行了考慮[4]，然而由于過(guò)量開(kāi)采地下水等人為因素和氣候環(huán)境變化等自然因素均，都有可能導(dǎo)致軌道橋梁產(chǎn)生超過(guò)預(yù)期的不均勻沉降量，尤其是橋墩及路橋過(guò)渡區(qū)等特殊地段。一旦出現(xiàn)過(guò)度的沉降，即會(huì)改變路基承載力，影響軌道的結(jié)構(gòu)及平順性，從而引發(fā)行車的安全隱患。

（2）自然環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1）雨量及洪水監(jiān)測(cè)

重慶地勢(shì)多山坡、丘陵，有長(zhǎng)江干流自西向東橫貫全境，支流縱橫交錯(cuò)，降雨豐沛。因此容易因汛期暴雨而發(fā)生洪澇災(zāi)害。而暴雨和洪水對(duì)沿線路堤的侵蝕、對(duì)軌道橋梁的沖擊，以及暴雨引發(fā)的山體崩坍和滑坡等災(zāi)害，都將威脅到高鐵的行車安全。因此，必須利用雨量計(jì)、水位儀、洪水監(jiān)測(cè)儀、撞擊監(jiān)測(cè)器等設(shè)備構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雨量及洪水情況。

2）風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)

重慶地處四川盆地，四周高山環(huán)繞，因此不易出現(xiàn)極端狂風(fēng)。但渝東部的部分地區(qū)，如巫溪和永川等地，因其地勢(shì)處于風(fēng)口位置，則極易出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，如2010年5月墊江、梁平所出現(xiàn)的強(qiáng)風(fēng)暴極端天氣。此外，強(qiáng)風(fēng)不僅對(duì)高鐵沿線的輸電線路、接觸網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施安全存在威脅，高鐵沿途所經(jīng)過(guò)的軌道橋梁也會(huì)受強(qiáng)風(fēng)影響而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)（即“風(fēng)振”）。橋梁風(fēng)振時(shí)，側(cè)風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行的高鐵列車容易出現(xiàn)脫軌甚至翻車的危險(xiǎn)。

3）滑坡坍塌監(jiān)測(cè)

重慶是我國(guó)滑坡災(zāi)害極為嚴(yán)重的地區(qū)之一，易觸發(fā)巨型、大中型滑坡地質(zhì)的高度危險(xiǎn)區(qū)，如涪陵以下的長(zhǎng)江沿岸地區(qū)、合川—北碚—重慶主城區(qū)等嘉陵江沿岸地區(qū)以及江津四面山、綦江南面的中山地區(qū)等，占全市總面積的22%以上；具備觸發(fā)中大型滑坡地質(zhì)條件的較高危險(xiǎn)區(qū)，如城口、巫溪開(kāi)縣、云陽(yáng)南部、武隆中東部地區(qū)等，占全市總面積的37%以上[6]。其他中、輕度危險(xiǎn)區(qū)范圍也較大。

而滑坡造成的坍塌、落物對(duì)高鐵的行車安全存在極大的威脅，因此，除在高鐵沿線設(shè)置建筑物、防護(hù)網(wǎng)等具有攔截落物功能的防護(hù)裝置外，還應(yīng)在易滑坡和塌方地段的防護(hù)裝置上安裝監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置。

2 高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是一種對(duì)高鐵沿線外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)及報(bào)警的防災(zāi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)重慶地區(qū)的復(fù)雜地形及氣候特征，從可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手，以基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為通訊架構(gòu)，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)通過(guò)嵌入式模塊處理后上傳至向匯聚節(jié)點(diǎn)，隨后通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“匯聚節(jié)點(diǎn)-安全監(jiān)控中心”之間的遠(yuǎn)程通訊。

3 基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)作為信息科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的前沿性技術(shù)，已受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)ZigBee已經(jīng)發(fā)展10余年，從早期的上海順舟、上海物聯(lián)傳感、南京物聯(lián)等公司，到現(xiàn)在以飛利浦為核心的新成立的ZigBee中國(guó)推廣組對(duì)ZigBee技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用推廣，ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸滲入到國(guó)防安全、能源管理、智能家居、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域中。例如在北京地鐵9號(hào)線隧道工程中應(yīng)用的ZigBee人員考勤定位系統(tǒng)，其方向判斷準(zhǔn)確、定位軌跡準(zhǔn)確、無(wú)漏讀以及可查詢等優(yōu)點(diǎn)極大地提高了隧道安全施工的管理水平[7]。

（1）ZigBee無(wú)線通信模塊

本系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在傳感器節(jié)點(diǎn)處理器內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器中集成星形拓?fù)渫ㄐ诺耐暾麉f(xié)議棧，再通過(guò)外部電路連接ZigBee無(wú)線通信模塊[8]，即可實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)透明傳輸，將采集到的信息上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)。

（2）太陽(yáng)能供電單元

針對(duì)野外工作環(huán)境中的系統(tǒng)不適合長(zhǎng)距有線供電及頻繁更換電池等客觀條件，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電單元解決系統(tǒng)供電問(wèn)題。太陽(yáng)能供電單元有太陽(yáng)能電池組件、控制器和蓄電池三個(gè)部分組成，通過(guò)太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，并直接用于負(fù)載工作或存儲(chǔ)于蓄電池中，同時(shí)利用太陽(yáng)能控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)。

（3）傳感器數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)單元

系統(tǒng)中大多數(shù)傳感器的輸出均為電流信號(hào)，因此首先要將傳感器將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行電流-電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換，如果信號(hào)過(guò)于微弱，還需增加前置放大環(huán)節(jié)，然后再送入A/D轉(zhuǎn)換單元。由于系統(tǒng)覆蓋面積廣，采集的數(shù)據(jù)量極大，因此可選擇IS61WV102416BLL等SRAM（即靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）進(jìn)行內(nèi)存外擴(kuò)。

4 遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)

匯聚節(jié)點(diǎn)與管理中心之間的遠(yuǎn)程無(wú)線通信采用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，使用TCP/IP協(xié)議或UDP協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)，即可由匯聚節(jié)點(diǎn)向管理中心傳送傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，亦可接收由管理中心發(fā)出的遠(yuǎn)端指令。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的高速鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈活性差、布線復(fù)雜、監(jiān)測(cè)范圍受限、建設(shè)成本高等缺陷，對(duì)于降低重慶高鐵運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、提高安全運(yùn)行能力有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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