WSN在高速列车运营环境监测中的应用框架研究

史天运,端嘉盈

(中国铁道科学研究院电子计算技术研究所,北京 100081)

WSN在高速列车运营环境监测中的应用框架研究

史天运,端嘉盈

(中国铁道科学研究院电子计算技术研究所,北京 100081)

无线传感器网络(WSN)在高速列车运营环境监测中的应用尚处于起步阶段,介绍无线传感器网络在高速列车运营环境监测的应用,从统筹规划的角度构建应用框架以及不同场景的应用模型。通过研究基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测理论与应用现状,分析列车运营环境监测的需求,搭建基于无线传感器网络的高速列车运营环境监测系统总体框架,并分别建立地面、车载、车地以及车站无线传感器网络架构。提出研究基于无线传感器网络的高速铁路运营环境监测系统关键问题,为进一步研究无线传感器网络在高速列车运营环境监测中的应用起到指导性的作用。

高速列车；运营环境监测；无线传感器网络；总体框架；网络架构

无线传感器网络[1](Wireless Sensor Network， WSN)由具有传感器模块、数据处理模块、交换路由模块和无线通信模块等大量传感器节点，通过交换传输组成多跳的自组织、自学习无线通信网络系统，把感知对象的信息发送给控制者，WSN已成为下一代互联网和通信网的重要组成部分。

高速列车的安全运营关系到旅客生命财产安全，高速列车运营环境监控是铁路安全运营的重要保障，对影响列车运营安全的状态信息进行监测、处理和预警，及时采取有效措施，避免安全问题的发生，保障高速铁路行车安全。

目前，我国高速列车运营环境监测中传感器使用较为广泛，智能传感器网络也有部分应用，但基本上都采用有线网络，基于WSN的研究和应用尚处于起步阶段。WSN具有冗余性、无需布线、自组织性、成本和能耗低等特性，适于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，其应用将促进列车运营环境监测技术变革。

国内外学者很早就开始WSN在铁路的应用研究，提出利用分簇WSN构建铁路安全监护系统模型[2]，开展基于WSN的高铁安全监测系统[3]和列车运行安全监测系统的研究。虽然目前国内外已有不少研究机构和企业利用WSN进行铁路运营环境的监测，然而大多数是针对于单项环境参数监测开展的研究，单项研究的深度和广度及应用都有较大差距，铁路运营环境综合监测研究和应用尚未展开，特别是高速铁路车地联合组网等关键问题研究更少。

1 基于WSN的高速铁路运营环境监测系统总体框架

高速列车运营环境监测对象和监测种类繁多，例如监测对象有：线路、车站、牵引供电、自然环境、列车等。监测点有：线路监测包括轨道、路基、桥梁、隧道的监测；车站监测包括结构、设备、火灾的安全监测；牵引供电监测包括接触网、受电弓异常监测；自然环境监测包括风、雨、雪、异物侵线、滑坡、地震等自然灾害监测；列车监测包括车载设备、火灾、车载视频监测等。

图1 基于WSN的高速铁路运营环境监测系统总体框架

基于WSN的高速列车运营环境监测系统总体框架如图1所示。车站监控信息通过车站WSN进入车站信息处理中心供车站监控应用，车载监控信息通过车载WSN进入车载信息处理中心供车载监控应用，地面监控信息通过地面WSN进入地面信息处理中心供地面监控应用，若车载监控需要地面监控信息或地面监控需要车载监控信息，可通过车地WSN来实现。WSN在高速列车运营环境监测系统的应用主要集中在两点：一是信息采集到现场汇聚之间的无线传输，另一方面是车地信息无线传输，实现地面采集信息的实时传输到车上或者车载信息实时落地。核心是构建地面WSN、车载WSN、车地WSN和车站WSN。

2 无线传感器网络架构

2.1 地面无线传感器网络架构

地面WSN采集的信息内容包括三部分：周边环境(风、雨、雪、地震、滑坡、异物侵限等)、线路(路基、桥梁、隧道、轨道)以及途径列车。地面无线传感器网络架构分为5个层次，如图2所示。

图2 地面无线传感器网络架构

采集层：信息的收集与简单处理，采集节点由部署在铁路沿线的各种传感器以及在传感器上安装的无线通信模块组成。这些传感器根据铁路环境监测的实地需求，部署在特定的位置处。

采集传输网络层：传感器节点采集信息的可靠传输，连接采集节点与汇聚节点。采用无线方式组网，根据监测区域环境和传输数据类型的不同，无线传输可采用Zigbee、RFID、6LowPAN、WiFi等几种技术进行选择和综合应用。

汇聚处理层：部署在铁路沿线GSM-R机房内，负责汇聚机房周边所有传感器节点采集的信息，以及各种信息的处理、融合、存储等功能，是WSN之间，以及WSN与其他网络之间的网关节点，不受能耗限制，有足够的发射功率、接收功率以及数据存储和处理能力，是现场WSN的指挥中心。根据汇聚信息分为三类：周边环境、线路以及地对车监测汇聚节点，具体部署汇聚节点种类根据采集节点的情况决定。

汇聚传输网络层：一方面负责汇聚节点与汇聚节点之间的信息交互，以保证列车有足够的刹车距离；另一方面，负责将地面WSN和车载WSN的重要信息发送给路局监控中心。可采用铁路有线专网通信，也可搭建WSN作为铁路专网的辅助手段。

路局监控中心：部署在路局，负责该局所有车站、线路的运营环境监测，以及监测任务和控制信息的下发，并负责与路局其他信息系统的联系，并将监测信息发送给调度中心、工务处、工务段，以供行车调度指挥和线路维护维修使用。

2.2 车载无线传感器网络架构

车载WSN的监测目标分为两部分：高速列车自身状态的监测和列车对地面环境信息的监测。车载无线传感器网络架构分为4层，如图3所示。

图3 车载无线传感器网络架构

采集层：负责基础信息采集，分为两部分：一部分是安装在列车上的各种传感器，比如：电机侧有电压、电流、温度、速度传感器；齿轮箱和车轴轴端有温度传感器；转向架有加速度传感器；车内空调用的温度传感器和压力波传感器，火警探测器等。这些传感器上增加无线发射模块组成车载WSN采集层。另一部分由列车上安装的其他各种监测设备组成。

信息接入层：是对采集层采集的信息进行汇聚、协议转化等，对于无线网络，信息接入层起网管节点(汇聚节点)的作用，对于有线设备的接入，该层起数据接口的作用。

处理层：将采集的信息进行处理、存储，主要包括应用服务器、数据库服务器及通信服务器等。

应用层：主要包括两种终端设备，一种是安装在驾驶舱的固定终端通过有线通信，为司机提供前方道路情况、列车运行状况及报警信息等；另一种是移动设备，通过无线通信，为乘务人员和随车机械师等提供列车运行状况及报警信息等。

2.3 车地无线传感器网络架构

车地WSN主要作用是将地面WSN采集的信息和路局监控中心的命令信息传输至列车上，并将车载WSN采集的信息传输至地面。除了可采用成熟的车地无线通信技术进行传输以外，也有必要研究基于WSN技术的车地通信。车地无线传感器网络架构见图4。

图4 车地无线传感器网络架构

车地WSN由车载通信单元及地面通信单元两部分组成。车载通信单元与车载WSN的车载终端处理层的通信服务器相连，包括车载无线发射网关、车载无线接收网关、发射天线、接收天线、信息预处理模块等。地面通信单元与地面WSN的地面汇聚节点的通信服务器相连，包括地面无线发射网关、地面无线接收网关、发射天线、接收天线、信息预处理模块等。

将车载通信单元看成移动的交互终端，将地面通信单元看作交互服务源，由上行链路和下行链路组成整体系统。使用上行链路和下行链路组成整体系统。使用上行链路时，能上传列车运行状态信息，使用下行链路时，能将地面监测信息发送给列车。上行链路由车载无线发射网关、地面无线接收网关等组成，而下行链路则是由车载无线接收网关、地面无线发射网关等设备组成，如图5所示。

图5 车地无线通信系统功能框图

2.4 车站无线传感器网络架构

当前，高铁车站内缺少针对站内环境、人员定位、节能减排等相关监测设备，站内已有系统设计以有线组网为主，有线组网技术具有技术成熟、结构简单、可靠性和稳定性好等特点；但其必须保持物理连接，布线成本较高，给产品的升级和改造带来了极大的困难[4]，具有系统初期建设复杂，中期不便于更改，后期无法拓展和移植等缺点。将WSN技术应用在高铁车站内，是现代化车站发展的必然结果。车站WSN主要针对站内空气质量监测、设备状态监测、能耗管理监测、人员异常监测以及综合安全监测。车站无线传感器网络架构如图6所示。

图6 客运站运营环境监测网络架构

信息采集层：负责初始数据采集，由温湿度传感器、照度传感器、烟感传感器、定位传感器、二氧化碳浓度传感器、电流传感器、红外传感器、噪声探测传感器、智能电表等传感器组成。单纯依靠WSN不能充分全面的监测车站信息，还需摄像头的视频信息，水泵、电梯扶梯、空调风机等设备信息，作为WSN的补充。

基础网络层：负责信息采集层与处理平台层之间的信息交互，可采用WIFI、Zigbee、LTE等技术搭建。对于无法用无线传感器进行监测的设备信息(水泵、电梯扶梯、空调风机等)和采集信息数据量大的视频信息，采用有线网络进行采集。

处理平台层：主要实现与信息采集层的融合适配，对传感器网络采集的传感器信息结合视频信息和设备状态信息等进行综合分析，对从信息采集层采集到的数据进行标准化处理，跨系统关联，对各子系统提供的功能进行标准封装，给上层应用提供外部接口。处理平台层利用设备信息的互通性，将底层设备与上层具体应用解耦，各个子系统不再孤立运行，方便了不同子系统间的联动和管理。随着云技术的发展，可以将处理平台层放入铁路局云端甚至总公司云端，对不同车站、不同铁路局进行统一管理，通过数据挖掘和横向对比，制定更加高效的管理策略[4]。

应用网络层：负责处理平台层与应用终端层之间的信息交互。若终端为无线终端，可使用WIFI、Zigbee、LTE等网络，若终端为有线终端就选择有线网络。

应用终端层：利用处理平台层的接口，开发车站运营环境监测所需要的具体应用，如空气质量监测、能耗管理监测、设备状态监测、人员异常监测及综合安全监测等，并依托下层平台提供的跨子系统数据，可进行跨子系统的管理和运维。

3 基于WSN的高速铁路运营环境监测系统关键问题

研究基于WSN的高速铁路运营环境监测系统时，有众多技术难点和关键问题亟待解决，主要有以下几个方面。

(1)WSN的能量问题

铁路沿线不易挖沟布线供电且维护困难，搭建地面WSN时必须考虑节点的功耗和通信要求，采用低功耗的无线通信模块和无线通信协议、高效的太阳能供电方式，采用休眠机制来节约能量，尽可能延长网络的生命周期，从而保证网络实用性。室内WSN和车载WSN除了一些特殊节点需要配备电池供电外，其他节点有稳定的能量来源，系统寿命不再受制于网络能量问题，也无需过多考虑能量均衡问题。

(2)铁路沿线WSN节点部署策略及路由协议

地面WSN沿着铁路线性部署是典型的线性网络，而目前主流的WSN技术研究大多数针对的是面状网络，针对线性的WSN研究较少。另外，WSN必须具有很强的鲁棒性。因此，有必要研究针对铁路沿线线性WSN的节点部署和路由策略，使网络中的节点能量均衡消耗，充分利用网络能量，延长网络的生命周期，提高系统可靠性和容错性。

(3)电磁干扰问题

铁路接触网提供的是2.5 kV的高压电，以及铁路长大隧道等复杂环境，高速列车以300 km/h的速度运行时，会产生强大的电磁场，高铁车站内和列车上的其他通信电缆、输电线路也有可能对WSN产生电磁干扰，因此，在搭建WSN时，要根据实际情况对电磁干扰进行分析。

(4)多径效应问题

当传输信号在车体及其他室内物体上进行反射时会产生多径效应，最终接收到的信号实际上是经过多次迭加而产生的信号，每个迭加信号都在不同时刻到达接收器，每个迭加信号的强度均不相同，这样接受到的信号就产生了畸变[5]。当WSN部署在隧道中时，隧道相当于一个封闭的室内环境，并且由于隧道材料的因素，其发射的信号会产生多径问题。当列车高速移动时，列车上的无线发射网关向地面发射信息时，会产生多径问题。由于不同车站的建筑结构不同，采用的建筑材料不同，也会产生多径效应。

(5)多普勒效应问题

列车的高速移动使得多普勒效应明显。当终端处于高速运动状态下时，从基站发向终端的信号和从终端发向基站的信号都会产生多普勒频移，其频偏的大小与载波频率及运动速度成正比，因此速度越快所造成的频偏也就越大，传输数据的误码率也就越高，从而导致数据重传的次数增多，加重了无线通信信道的负荷[6]。

(6)同频干扰问题

一方面，当两列列车会车时连接在同一个地面无线通信模块，系统会短时间受到同频干扰的情况影响。另一方面，为保证列车的安全运行，从根本上解决无线干扰问题，建议向无线电管理委员会申请专用频点，通过无线电管理行政手段接受行政保护，以使信号车-地无线通信能工作在受相关部门管理及保护的频段，最大程度上减少外界对信号车-地通信的影响，将公用频段引起的风险降到最低。因此选用专用频段是最佳解决方案。如果专用频点未批准下来，车-地通信可采用2.4 GHz频段，但须采取一定的抗干扰措施[7]。

(7)车地WSN的带宽问题

由于常用的WSN如Zigbee、RFID技术带宽小，在进行车地无线通信时，仅能传输少量的字节信息，随着WSN规模的不断扩大，车地之间需要通信的数据量也不断增加，亟待研究基于WLAN、LTE等技术车地无线通信。

在研究基于WSN的高速铁路运营环境监测系统时，除了以上关键问题之外，还需结合高速列车运营环境监测需求，研究WSN的协议选择、WSN的QoS指标及评价方法、大规模传感器节点的动态负载均衡理论、智能路由控制算法，建立高铁复杂环境下WSN的信道模型，并制订高速列车运营环境监测WSN技术标准与应用规范。

4 结语

本文详细分析了无线传感器网络在高速列车运营环境监测中的研究及应用现状，提出了基于WSN的高速列车运营环境监测系统总体框架，并分别建立了地面无线传感器网络架构、车载传感器网络架构、车地传感器网络架构以及车站传感器网络架构。最后详细分析了系统研究的关键问题，为该领域技术研究和深化应用提供了重要指导。

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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

国家自然科学基金(U1334210)

史天运(1967—)，男，山西平陆人，研究员，博士，博士生导师，E-mail:shitianyun@sina.com。

U283.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703020002