WSN在高速列車運營環境監測中的應用框架研究

史天運,端嘉盈

(中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所,北京 100081)

WSN在高速列車運營環境監測中的應用框架研究

史天運,端嘉盈

(中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所,北京 100081)

無線傳感器網絡(WSN)在高速列車運營環境監測中的應用尚處于起步階段,介紹無線傳感器網絡在高速列車運營環境監測的應用,從統籌規劃的角度構建應用框架以及不同場景的應用模型。通過研究基于無線傳感器網絡的高速列車運營環境監測理論與應用現狀,分析列車運營環境監測的需求,搭建基于無線傳感器網絡的高速列車運營環境監測系統總體框架,并分別建立地面、車載、車地以及車站無線傳感器網絡架構。提出研究基于無線傳感器網絡的高速鐵路運營環境監測系統關鍵問題,為進一步研究無線傳感器網絡在高速列車運營環境監測中的應用起到指導性的作用。

高速列車；運營環境監測；無線傳感器網絡；總體框架；網絡架構

無線傳感器網絡[1](Wireless Sensor Network， WSN)由具有傳感器模塊、數據處理模塊、交換路由模塊和無線通信模塊等大量傳感器節點，通過交換傳輸組成多跳的自組織、自學習無線通信網絡系統，把感知對象的信息發送給控制者，WSN已成為下一代互聯網和通信網的重要組成部分。

高速列車的安全運營關系到旅客生命財產安全，高速列車運營環境監控是鐵路安全運營的重要保障，對影響列車運營安全的狀態信息進行監測、處理和預警，及時采取有效措施，避免安全問題的發生，保障高速鐵路行車安全。

目前，我國高速列車運營環境監測中傳感器使用較為廣泛，智能傳感器網絡也有部分應用，但基本上都采用有線網絡，基于WSN的研究和應用尚處于起步階段。WSN具有冗余性、無需布線、自組織性、成本和能耗低等特性，適于高速鐵路沿線關鍵區域和偏遠地區的大范圍部署和長期在線監測，其應用將促進列車運營環境監測技術變革。

國內外學者很早就開始WSN在鐵路的應用研究，提出利用分簇WSN構建鐵路安全監護系統模型[2]，開展基于WSN的高鐵安全監測系統[3]和列車運行安全監測系統的研究。雖然目前國內外已有不少研究機構和企業利用WSN進行鐵路運營環境的監測，然而大多數是針對于單項環境參數監測開展的研究，單項研究的深度和廣度及應用都有較大差距，鐵路運營環境綜合監測研究和應用尚未展開，特別是高速鐵路車地聯合組網等關鍵問題研究更少。

1 基于WSN的高速鐵路運營環境監測系統總體框架

高速列車運營環境監測對象和監測種類繁多，例如監測對象有：線路、車站、牽引供電、自然環境、列車等。監測點有：線路監測包括軌道、路基、橋梁、隧道的監測；車站監測包括結構、設備、火災的安全監測；牽引供電監測包括接觸網、受電弓異常監測；自然環境監測包括風、雨、雪、異物侵線、滑坡、地震等自然災害監測；列車監測包括車載設備、火災、車載視頻監測等。

圖1 基于WSN的高速鐵路運營環境監測系統總體框架

基于WSN的高速列車運營環境監測系統總體框架如圖1所示。車站監控信息通過車站WSN進入車站信息處理中心供車站監控應用，車載監控信息通過車載WSN進入車載信息處理中心供車載監控應用，地面監控信息通過地面WSN進入地面信息處理中心供地面監控應用，若車載監控需要地面監控信息或地面監控需要車載監控信息，可通過車地WSN來實現。WSN在高速列車運營環境監測系統的應用主要集中在兩點：一是信息采集到現場匯聚之間的無線傳輸，另一方面是車地信息無線傳輸，實現地面采集信息的實時傳輸到車上或者車載信息實時落地。核心是構建地面WSN、車載WSN、車地WSN和車站WSN。

2 無線傳感器網絡架構

2.1 地面無線傳感器網絡架構

地面WSN采集的信息內容包括三部分：周邊環境(風、雨、雪、地震、滑坡、異物侵限等)、線路(路基、橋梁、隧道、軌道)以及途徑列車。地面無線傳感器網絡架構分為5個層次，如圖2所示。

圖2 地面無線傳感器網絡架構

采集層：信息的收集與簡單處理，采集節點由部署在鐵路沿線的各種傳感器以及在傳感器上安裝的無線通信模塊組成。這些傳感器根據鐵路環境監測的實地需求，部署在特定的位置處。

采集傳輸網絡層：傳感器節點采集信息的可靠傳輸，連接采集節點與匯聚節點。采用無線方式組網，根據監測區域環境和傳輸數據類型的不同，無線傳輸可采用Zigbee、RFID、6LowPAN、WiFi等幾種技術進行選擇和綜合應用。

匯聚處理層：部署在鐵路沿線GSM-R機房內，負責匯聚機房周邊所有傳感器節點采集的信息，以及各種信息的處理、融合、存儲等功能，是WSN之間，以及WSN與其他網絡之間的網關節點，不受能耗限制，有足夠的發射功率、接收功率以及數據存儲和處理能力，是現場WSN的指揮中心。根據匯聚信息分為三類：周邊環境、線路以及地對車監測匯聚節點，具體部署匯聚節點種類根據采集節點的情況決定。

匯聚傳輸網絡層：一方面負責匯聚節點與匯聚節點之間的信息交互，以保證列車有足夠的剎車距離；另一方面，負責將地面WSN和車載WSN的重要信息發送給路局監控中心。可采用鐵路有線專網通信，也可搭建WSN作為鐵路專網的輔助手段。

路局監控中心：部署在路局，負責該局所有車站、線路的運營環境監測，以及監測任務和控制信息的下發，并負責與路局其他信息系統的聯系，并將監測信息發送給調度中心、工務處、工務段，以供行車調度指揮和線路維護維修使用。

2.2 車載無線傳感器網絡架構

車載WSN的監測目標分為兩部分：高速列車自身狀態的監測和列車對地面環境信息的監測。車載無線傳感器網絡架構分為4層，如圖3所示。

圖3 車載無線傳感器網絡架構

采集層：負責基礎信息采集，分為兩部分：一部分是安裝在列車上的各種傳感器，比如：電機側有電壓、電流、溫度、速度傳感器；齒輪箱和車軸軸端有溫度傳感器；轉向架有加速度傳感器；車內空調用的溫度傳感器和壓力波傳感器，火警探測器等。這些傳感器上增加無線發射模塊組成車載WSN采集層。另一部分由列車上安裝的其他各種監測設備組成。

信息接入層：是對采集層采集的信息進行匯聚、協議轉化等，對于無線網絡，信息接入層起網管節點(匯聚節點)的作用，對于有線設備的接入，該層起數據接口的作用。

處理層：將采集的信息進行處理、存儲，主要包括應用服務器、數據庫服務器及通信服務器等。

應用層：主要包括兩種終端設備，一種是安裝在駕駛艙的固定終端通過有線通信，為司機提供前方道路情況、列車運行狀況及報警信息等；另一種是移動設備，通過無線通信，為乘務人員和隨車機械師等提供列車運行狀況及報警信息等。

2.3 車地無線傳感器網絡架構

車地WSN主要作用是將地面WSN采集的信息和路局監控中心的命令信息傳輸至列車上，并將車載WSN采集的信息傳輸至地面。除了可采用成熟的車地無線通信技術進行傳輸以外，也有必要研究基于WSN技術的車地通信。車地無線傳感器網絡架構見圖4。

圖4 車地無線傳感器網絡架構

車地WSN由車載通信單元及地面通信單元兩部分組成。車載通信單元與車載WSN的車載終端處理層的通信服務器相連，包括車載無線發射網關、車載無線接收網關、發射天線、接收天線、信息預處理模塊等。地面通信單元與地面WSN的地面匯聚節點的通信服務器相連，包括地面無線發射網關、地面無線接收網關、發射天線、接收天線、信息預處理模塊等。

將車載通信單元看成移動的交互終端，將地面通信單元看作交互服務源，由上行鏈路和下行鏈路組成整體系統。使用上行鏈路和下行鏈路組成整體系統。使用上行鏈路時，能上傳列車運行狀態信息，使用下行鏈路時，能將地面監測信息發送給列車。上行鏈路由車載無線發射網關、地面無線接收網關等組成，而下行鏈路則是由車載無線接收網關、地面無線發射網關等設備組成，如圖5所示。

圖5 車地無線通信系統功能框圖

2.4 車站無線傳感器網絡架構

當前，高鐵車站內缺少針對站內環境、人員定位、節能減排等相關監測設備，站內已有系統設計以有線組網為主，有線組網技術具有技術成熟、結構簡單、可靠性和穩定性好等特點；但其必須保持物理連接，布線成本較高，給產品的升級和改造帶來了極大的困難[4]，具有系統初期建設復雜，中期不便于更改，后期無法拓展和移植等缺點。將WSN技術應用在高鐵車站內，是現代化車站發展的必然結果。車站WSN主要針對站內空氣質量監測、設備狀態監測、能耗管理監測、人員異常監測以及綜合安全監測。車站無線傳感器網絡架構如圖6所示。

圖6 客運站運營環境監測網絡架構

信息采集層：負責初始數據采集，由溫濕度傳感器、照度傳感器、煙感傳感器、定位傳感器、二氧化碳濃度傳感器、電流傳感器、紅外傳感器、噪聲探測傳感器、智能電表等傳感器組成。單純依靠WSN不能充分全面的監測車站信息，還需攝像頭的視頻信息，水泵、電梯扶梯、空調風機等設備信息，作為WSN的補充。

基礎網絡層：負責信息采集層與處理平臺層之間的信息交互，可采用WIFI、Zigbee、LTE等技術搭建。對于無法用無線傳感器進行監測的設備信息(水泵、電梯扶梯、空調風機等)和采集信息數據量大的視頻信息，采用有線網絡進行采集。

處理平臺層：主要實現與信息采集層的融合適配，對傳感器網絡采集的傳感器信息結合視頻信息和設備狀態信息等進行綜合分析，對從信息采集層采集到的數據進行標準化處理，跨系統關聯，對各子系統提供的功能進行標準封裝，給上層應用提供外部接口。處理平臺層利用設備信息的互通性，將底層設備與上層具體應用解耦，各個子系統不再孤立運行，方便了不同子系統間的聯動和管理。隨著云技術的發展，可以將處理平臺層放入鐵路局云端甚至總公司云端，對不同車站、不同鐵路局進行統一管理，通過數據挖掘和橫向對比，制定更加高效的管理策略[4]。

應用網絡層：負責處理平臺層與應用終端層之間的信息交互。若終端為無線終端，可使用WIFI、Zigbee、LTE等網絡，若終端為有線終端就選擇有線網絡。

應用終端層：利用處理平臺層的接口，開發車站運營環境監測所需要的具體應用，如空氣質量監測、能耗管理監測、設備狀態監測、人員異常監測及綜合安全監測等，并依托下層平臺提供的跨子系統數據，可進行跨子系統的管理和運維。

3 基于WSN的高速鐵路運營環境監測系統關鍵問題

研究基于WSN的高速鐵路運營環境監測系統時，有眾多技術難點和關鍵問題亟待解決，主要有以下幾個方面。

(1)WSN的能量問題

鐵路沿線不易挖溝布線供電且維護困難，搭建地面WSN時必須考慮節點的功耗和通信要求，采用低功耗的無線通信模塊和無線通信協議、高效的太陽能供電方式，采用休眠機制來節約能量，盡可能延長網絡的生命周期，從而保證網絡實用性。室內WSN和車載WSN除了一些特殊節點需要配備電池供電外，其他節點有穩定的能量來源，系統壽命不再受制于網絡能量問題，也無需過多考慮能量均衡問題。

(2)鐵路沿線WSN節點部署策略及路由協議

地面WSN沿著鐵路線性部署是典型的線性網絡，而目前主流的WSN技術研究大多數針對的是面狀網絡，針對線性的WSN研究較少。另外，WSN必須具有很強的魯棒性。因此，有必要研究針對鐵路沿線線性WSN的節點部署和路由策略，使網絡中的節點能量均衡消耗，充分利用網絡能量，延長網絡的生命周期，提高系統可靠性和容錯性。

(3)電磁干擾問題

鐵路接觸網提供的是2.5 kV的高壓電，以及鐵路長大隧道等復雜環境，高速列車以300 km/h的速度運行時，會產生強大的電磁場，高鐵車站內和列車上的其他通信電纜、輸電線路也有可能對WSN產生電磁干擾，因此，在搭建WSN時，要根據實際情況對電磁干擾進行分析。

(4)多徑效應問題

當傳輸信號在車體及其他室內物體上進行反射時會產生多徑效應，最終接收到的信號實際上是經過多次迭加而產生的信號，每個迭加信號都在不同時刻到達接收器，每個迭加信號的強度均不相同，這樣接受到的信號就產生了畸變[5]。當WSN部署在隧道中時，隧道相當于一個封閉的室內環境，并且由于隧道材料的因素，其發射的信號會產生多徑問題。當列車高速移動時，列車上的無線發射網關向地面發射信息時，會產生多徑問題。由于不同車站的建筑結構不同，采用的建筑材料不同，也會產生多徑效應。

(5)多普勒效應問題

列車的高速移動使得多普勒效應明顯。當終端處于高速運動狀態下時，從基站發向終端的信號和從終端發向基站的信號都會產生多普勒頻移，其頻偏的大小與載波頻率及運動速度成正比，因此速度越快所造成的頻偏也就越大，傳輸數據的誤碼率也就越高，從而導致數據重傳的次數增多，加重了無線通信信道的負荷[6]。

(6)同頻干擾問題

一方面，當兩列列車會車時連接在同一個地面無線通信模塊，系統會短時間受到同頻干擾的情況影響。另一方面，為保證列車的安全運行，從根本上解決無線干擾問題，建議向無線電管理委員會申請專用頻點，通過無線電管理行政手段接受行政保護，以使信號車-地無線通信能工作在受相關部門管理及保護的頻段，最大程度上減少外界對信號車-地通信的影響，將公用頻段引起的風險降到最低。因此選用專用頻段是最佳解決方案。如果專用頻點未批準下來，車-地通信可采用2.4 GHz頻段，但須采取一定的抗干擾措施[7]。

(7)車地WSN的帶寬問題

由于常用的WSN如Zigbee、RFID技術帶寬小，在進行車地無線通信時，僅能傳輸少量的字節信息，隨著WSN規模的不斷擴大，車地之間需要通信的數據量也不斷增加，亟待研究基于WLAN、LTE等技術車地無線通信。

在研究基于WSN的高速鐵路運營環境監測系統時，除了以上關鍵問題之外，還需結合高速列車運營環境監測需求，研究WSN的協議選擇、WSN的QoS指標及評價方法、大規模傳感器節點的動態負載均衡理論、智能路由控制算法，建立高鐵復雜環境下WSN的信道模型，并制訂高速列車運營環境監測WSN技術標準與應用規范。

4 結語

本文詳細分析了無線傳感器網絡在高速列車運營環境監測中的研究及應用現狀，提出了基于WSN的高速列車運營環境監測系統總體框架，并分別建立了地面無線傳感器網絡架構、車載傳感器網絡架構、車地傳感器網絡架構以及車站傳感器網絡架構。最后詳細分析了系統研究的關鍵問題，為該領域技術研究和深化應用提供了重要指導。

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Application Framework for WSN-based High-speed Train Operating Environment Monitoring

SHI Tian-yun, DUAN Jia-ying

(Institute of Computing Technology, China Academy of Railways Sciences, Beijing 100081, China)

The application of wireless sensor network (WSN) in the environment monitoring of high-speed train operation is still in its infancy. In this paper, the application of wireless sensor networks in monitoring environment of high-speed train operation is introduced and the application framework and application models of different scenarios are built in perspective of overall planning. Based on the research on the theory and application status of wireless sensor network (WSN)-based high speed train operating environment monitoring, this paper analyzes the demand of train operation environment monitoring, and establishes the overall framework and network models of the Wayside WSN, the Onboard WSN, the Onboard-Wayside WSN and the Station WSN. This paper also puts forward some key problems involved in the research of WSN-based high-speed rail operations environment monitoring system, which plays a guiding role in further research of the WSN-based high-speed rail operation environment monitoring system.

High-speed train; Operating environment monitoring; Wireless sensor network (WSN); Overall frame; Network framework

1004-2954(2018)01-0154-05

2017-03-02

國家自然科學基金(U1334210)

史天運(1967—)，男，山西平陸人，研究員，博士，博士生導師，E-mail:shitianyun@sina.com。

U283.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703020002