传感器网络在铁路中应用研究

1、北 京 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY无线传感网络课程作业 学院：交通运输学院专业：智能运输工程成员：陈 实 11255002 何 健 11255008 王晓全 11255024传感器网络在铁路中应用研究陈实 何健 王晓全(北京交通大学交通运输学院)摘 要: 列车作为一种交通工具，其安全性是人们最为关心的问题。随着我国铁路干线的全面提速，这个问题更受人关注。对于列车运行安全性的监测，包括诸多方面。运营旅客列车走行部状态监测是安全监测的一个重要方面，是我国现阶段铁路发展的需要，也是未来高速铁路发展的趋势。另一方面高速铁路列车运行

2、速度有了极大提高，在线路设计时大量运用了高架桥梁、无碴轨道、无缝线路等新技术以保证铁路的平顺性。钢轨桥梁等铁路基础设施的技术状态对高速铁路列车安全运行有着重要的影响，对其服役状态和环境等信息的长期监测在确保高速铁路行车安全中起到关键作用。无线传感器网络是由大量的微小传感器节点，以多跳无线通信方式构成的自组织分布式网络系统，对目标信息进行采集和处理，并将其发送给网络所有者。本文将对传感网络在铁路运行监测和对铁路基础设施的检测两个方面进行介绍。关键词：射频；传感网络；安全监测；铁路基础设施中图分类号：U2 文献标志码：AStudy on the application of sensor netw

3、ork in Railway ShiChen JianHe Xiaoquan Wang （Traffic and Transportation School Beijing JiaoTong University）Abstract: Train as a traffic tool, its safety is the most concerned problems for people. With the acceleration of China's railway comprehensive, this problem more attention. For monitoring

4、the safety of train operation, including many aspects. For condition monitoring and operation of passenger trains go is an important aspect of safety monitoring, is required at the present stage of development of China Railway, but also the future development trend of high speed railway. On the othe

5、r hand, the high speed railway train running speed has been greatly improved, in circuit design uses a large number of new technology of elevated bridge, ballastless track, seamless line to ensure the smoothness of railway. The state of technology infrastructure such as railway rail bridge has an im

6、portant impact on high-speed railway train operation safety, long-term monitoring status of service and environment information to play a key role in ensuring the running safety of high speed railway. Wireless sensor network is composed of a large number of small sensor nodes, self-organized distrib

7、uted network system constructed by the multi hop wireless communication mode, acquisition and processing of target information, and sends it to the network owner. This paper will be on the sensor network are introduced in two aspects of railway operation monitoring and detection of railway infrastru

8、cture.Key words: RFID; sensor network; safety monitoring; railway infrastructure1.传感网在铁路中的应用背景随着铁路交通的不断发展，中国铁路也将跨入以“高速客运、重载货运”为特征的新时代。因而传统的运输系统不断面临许多新的难题；行车速度的提升使列车的安全问题越显突出。如何很好的做到列车的安全监测，保证铁路交通的顺畅与安全，保障旅客的安全也就成为了当今铁路运输中研究的一个重要课题。运营旅客列车走行部状态监测是安全监测的一个重要方面，是我国现阶段铁路发展的需要，也是未来高速铁路发展的趋势白铁路提速以来，全路运营的提速客

9、车遇到了各种各样的问题。从管理方面而言，大量的“夕发朝至”客车的运营在为全路创造了经济效益的同时，也对原来的运营维修体系带来了新的问题。大量的客车白天同时进入车辆基地，而又要求晚上较快的投入运营，列车在开行的过程中速度快、停靠车站少、连续快速运行的时间长车辆各种部件的使用寿命都受到很大的影响，经常出现各种故障。较常遇到的故障就有“车辆运行中的轮对故障”、“制动和空气弹簧系统故障”、“转向架构架以及中央悬挂装置的故障”等。这些故障均会影响到车辆的状态。而车辆状态的恶化危及列车运行安全，并会产生一系列的后果，如会使车上的电气设备配件造成过流能力降低，大负载时过热、烧损电力干线，引发火灾。这一切都迫

10、切需要采用先进技术手段提高列车运行安全保障水平以达到减员增效，节能降耗，缩短在修时间，降低维修成本，提高运营安全性和车辆运用率，优化运行管理、提高铁路运输的竞争力的目的。研究采用具有国际先进水平的新型传感器网络技术，开发适合我国铁路实际的列车安全监测网络系统已成为目前急需研究解决的课题。现行运营旅客列车的管理体系是车辆乘务员随车监控车辆状态。而这种监控实际上大多是凭人的感觉与少数定量的监测系统如轴温报警系统等。车辆实际运营的状态如转向架的工作状态、制动系统的工作状态、车电的工作状态只有当发生重大事故的时候方能察觉出来，而这时的损失已经很大。如运行中发现的车电引起的火灾事故、制动系统工作不正常引

11、起的闸瓦过热、踏面擦伤、空气弹簧漏气、减振器失效、转向架晃动加剧等等，对这些事故有些乘务员根本无从知道。如何构建一个系统的网络，来监测这些敌障保证旅客列车运输安全的同时提高检修效率、减少损耗，这一系列的问题都是各个功能单元需要着力解决的。另一方面高速铁路列车运行速度较普通列车有很大提高，高速运行的列车对钢轨桥梁等基础设施的性能要求也与普通列车有了本质的区别。高速铁路设计参数限制严格，曲线半径大、坡度小，并需要全封闭行车，因而桥梁建筑物大大多于普通铁路，高架长桥的数量也很多。同时无碴轨道、无缝线路等新技术被广泛应用新建高铁中。为适应高速铁路高速度、高密度、安全、平稳运行的要求，高速铁路基础设施必

12、须时刻保持良好的技术状态。由于高速铁路设施需要长期服务于社会，人们越来越重视铁路基础设施在服役期间的状态和使用寿命之内的安全性。定期监测铁路基础设施在长期运转下的安全性以及在重大自然灾害发生后立即评估他们的安全状况已经成为铁路运营部门和公众关心的重要事情。随着技术的进步，通过恰当的监测手段可以及时了解铁路基础设施的服役状态，特别是有可能在早期就发现危及安全的隐患，对确保高速铁路的安全运行起到至关重要的作用，同时也为铁路基础设施的维护保养提供必要的依据， 节约维修的费用。无线传感器网络技术的出现和迅猛发展为铁路基础设施状态的在线监测提供了强有力的技术支持。微电子技术的发展使得无线通信模块可以与具

13、有一定计算能力的微控制器集成在一起，与微传感器组成一个无线传感器节点。众多的无线传感器节点构成一个无线传感器网络，使这一网络具有数据采集范围广、采集点众多、布线容易、便于维护等优点。无线传感器网络具有成本低廉、监测精度高、系统容错性高、可远程监控、便于诊断与维护等众多优点，它的产生使得铁路基础设施在线监测系统的实现成为可能。2. 无线传感器网络的理论基础21无线传感器网络的定义、特点无线传感器网络是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、振动、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声

14、、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上，可以采用无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称作无线传感器网络在无线传感器网络中。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是无线传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动，无线传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化节点问以adhoe方式进行通信，在无线传感器网络工作过程中，远地中心节点可以主动地查询或收集无线传感器网络的感知信息，也可以被动地接收无线传感器网络发布的信息其不同于一般网络的特点如下：1 无线

15、传感器网络中的节点数量和分布密度非常大由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内所以传感器网络的节点数量和密度都要比ad hoe网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。2传感器节点出现故障的可能性较大由于无线传感器网络中的节点数目庞大，分布密度超过如adhoe网络之类的普通网络，而且分布的环境可能会十分恶劣，所以其出现故障的可能性会很大有些节点可能是一次性使用，可能会无法修复，所以要求其有一定的容错率。3传感器节点主要采用广播方式通信由于无线传感器网络中节点数目庞大，使得其在组网和通信时不可能如ad

16、hoe网络那样采用点对点的通信，而要采用广播方式，以加快信息传播的范围和速度，并可以节省电力。4以数据为中心在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。5由于数目极大，传感器节点不一定具有全球唯一的标识由于无线传感器网络中的节点数目极大，而且在某些环境下，有些传感器节点不能被回收，所以我们不可能为每个节点分配一个像m地址那样的全球

17、唯一的标识。22无线传感器网络的体系结构在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据预处理、数据传输和电源这4部分组成被监测物理信号的特性决定了传感器的类型处理器通常选用嵌入式CPU，如Motorola的68HCl6，ARM公司的ARM7和Intel的8051等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，比如Motorola公司的MCRl3192等。无线传感器网络是通过一个一个的传感器节点结合相应的通信协议而组成的传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线传感器网络的基础支持平台，从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进

18、行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务在无线传感器网络中，散布在监测环境中的传感器节点通过多跳中继方式将数据传回网关节点，最后借助链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式的传感器节点、基站、上位机和用户界面等，如图21所示。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，通过无线传输发回给基站，再通过基站将数据传给电脑进行分析处理。图2-l无线传感器网络的体系结构自组织无线传感器网络通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层和传输层，无线传感器网络自身的特点决定

19、了它不能使用目前已经存在的一些标准协议，例如IEEE 80211。所以国外的研究工作者为无线传感器网络的各个层次都提出了一些解决方案，但是总的来说，到目前为止并没有形成被广泛认可的标准。23无线传感器网络的应用无线传感器网络在工业控制，交通监控，仓储物流，环境和建筑物监测、抢险救灾以及军事等多个方面有着广泛的应用前景。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用无线传感网络：1设备成本低，传输的数据量小。2设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。3没有充足的电力支持，只能使用一次性电池。4频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难。5需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅

20、仅用于监测或控制。3. 传感网在列车运行监测中的应用列车的安全监测是一个复杂而多方面的内容，在这里，引入无线传感器网络，主要完成对列车运行中转向架和车体的实时监测，监测其压力振动，从而为分析列车部件故障和运行异常，是否存在安全隐患，旅客是否舒适等提供参考。其中涉及到信号的采集、初步处理、传输等。关于数据的后续分析计算这方面，前人已做了很多工作，不是本论文研究的重点本论文旨在着力解决一直以来困扰铁路研究人员的信号传输问题，力图通过组建有效的无线传感器网络来解决走线传输带来的信号衰减、成本上升、布线困难等难题，因此，无线传感器网络的设计和实现是本论文研究的重点。3.1无线传感器网络在列车安全监测中

21、的实施由于无线传感器网络的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，结合目前列车安全监测的状态，我们要对列车的车体和转向架的振动信息进行采集获得并实时传输，当前的无线传输技术和传感器技术是否能满足我们真正的应用，这都需要进一步的比较分析。3.2 无线传感器网络在列车安全监测中的实施方案结合列车安全监测中走行部动态加速度和车体振动的监测特点、无线传感器网络的体系结构、应用和通信协议，在构建一个用于列车安全监测的无线传感器网络之前应充分设计好实施的总体方案。具体从器件的选型，网络的层次、通信协议考虑。3.3传感器节点设计传感器节点完成对周围环境中对象的感知并进行适当的处理后，将测量值无线传送

22、给监控中心因此，列车安全监测中传感器节点的基本功能是：准确地采集转向架和车体的加速度的值，并进行预处理；接收监控中心即车厢内数据接收节点的数据请求命令，将采集的数据发往监控中心，也就是监控计算机等。无线传感器网络的每一个节点都是一个微系统，它包括微处理器，存储单元，传感器，无线收发模块和电源等。所以如何要把这些器件有效地集成到一个很小的设备上是组建传感器网络的关键。3.4无线传感器网络的组建无线传感器网络主要由无线传感器节点以及相互的通信协议搭建而成，前面一章介绍了节点的设计，本章主要结合列车车体的实际情况进行网络的组建和引入。在这里，我们所要做的重点工作包括传感器节点之间基于通信协议的节点与

23、节点、节点与终端之问的通信、传感器节点的识别、信息与上位监测机的通信。具体到设计中，又分为硬件和软件两个部分。传感器节点的通讯和识别主要是基于软件来进行实现。将无线传感器引入列车的安全监测，构建整个监测系统，重点包括两大部分，传感器节点构成传感器网络；上位机对信息的接收处理。整个监测系统的结构框图如图3-1所示。图3-1监测系统结构框图无线传感器网络应用于列车的安全监测可实现多种指标的测量，本次设计是针对列车的平稳性和转向架振动特性测量所设计的，主要测量列车转向架构架和车体的加速度信息。列车安全监测涉及多个方面，走行部状态监测是个重要方面，所以此次设计只是针对其中的转向架和车体进行监测，对于一

24、列行驶的列车，有多节的车厢，每节车厢又涉及2个转向架，我们要有效的对其进行监测，需要在每个转向架相应位置和车体上安装传感器节点进行信息的获取。所以本次监测涉及到众多的传感器节点，如何对多个传感器节点进行有效的识别和信息的传输，是组建无线传感器网络过程中研究的重点。3.5传感器节点的安装与通信对于本次组建传感器网络，我们的设计是将传感器节点分别安装在列车的车体下面的转换架和车体上，以一节车厢为例，在实际的应用中，将已经调试成功可以用来采集数据和实现无线传输的多个传感器节点固定于转向架和车体相应位置，这些传感器节点主要用来采集转向架和车体的振动加速度并实现无线数据发送。数据的接收模块置于车厢工作室

25、内，并与计算机相连。以下是其示意图。 图3-2传感器节点安装示意图在列车的运行过程中，分布于各个车体底部转向架的传感器节点通过相应传感器获得振动加速度信息，通过AD转换将数据进行预处理，存储后交由无线收发器MCl3192发送出来，作为基站的汇集节点主要承担该节车厢的无线数据接收工作，其接收相应信息并通过串口将数据传给计算机。如何将传感器节点固定于高速运行的列车底部的转向架附近，既要保证其固定结实稳妥，又要考虑其便于拆卸充电与维修。结合两种实际要求，我们想到了给单个传感器接点和单个传感器分别用基座和螺丝固定，再将其固定于转向架附近，固定板是不易拆卸的，可通过调整螺丝的松紧来拆装我们的工作传感器接

26、点模块，既保证了固定的牢固，又利于拆装且不损坏我们的工作传感器节点模块对于一个有效的列车安全监测网络来讲，其所针对的不是一节车厢，是整个列车的多节车厢，若采用同一基站进行信息的无线接收，势必从接收的距离和效果上无法达到预定要求另一方面，从列车车体的现状来讲，对于当今的旅客列车，其在车厢与车厢之间已经构建了或具备了构建有线网络的条件。所以我们选了在每节车厢设置一个基站的方法，同一车厢的无线传输使用同一个基站作为对传感器节点获取数据进行接收处理，再将每节车厢作为一个工作站利用现有条件组建列车网络。这样既能保证良好的传输效果，又能保证在列车运行时，添加或减少一节车厢只是增加或减少一个车厢工作站，而不

27、会影响内部的无线传输。当然，各节车厢都在进行同步的无线传输，那么，是否会出现1号车厢基站接收2号车厢传感器节点发出的信息相互串扰呢?我们选用MCl3192收发器的分信道传输给我们提供了解决方案。MCl3192在进行无线数据的传输时，具有24GHZ的带宽，在进行无线发送或接收时，无线收发频率从2405MHZ到2480MHZ，每5MHZ一个信道，共16个信道。可通过写其L01一Num寄存器lO设置无线传输频率，通常，同一网络采取同一信道模式即同一频率进行数据传输。根据MCl3192这一特点，我们对不同车厢的无线传输采取不同信道，设置不同的传输频率，这样就避免了车厢之间信息的串扰。当然，在超过16节

28、车厢后，第16节车厢与第1车厢的距离已经远大于该无线传输的同一信道网络的传输距离，可再次对传输信道进行重复使用，且不会出现第16节车厢与第1节车厢的信息的串扰。3.6传感器节点的识别对于同一节车厢来讲，也是众多的传感器节点同时将数据发送给同一汇集节点(即基站)，从列车的安全监测角度考虑，保证接收信息的正确有序和对信息的区分就显得尤为重要，比如，当基站接收到一个异常信号，通知监测系统有个转向架信号(加速度)异常，此时，工作人员需立刻对该异常转向架信号进行分析检测，可该信号究竟为何处传感器节点发送，为哪个位置转向架产生的就成为我们要解决问题。排除列车隐患的关键。所以，传感器节点的识别在组建列车安全

29、监测网络中非常重要。竞争方式是指传感器节点在进行数据的传输时是争夺发送数据，基本办法是按照“先来先服务”的原则进行数据的传输。一个传感器节点请求发送数据时，如果基站空闲，就立即传输数据，否则不能传输。利用该方式进行数据传输和节点识别时，通常是在每次要发送的数据前端添加相应的传感器节点标志，不同传感器节点使用不同的标志当该数据发送成功，基站数据接收成功时，将数据送至处理器进行判断，根据接收标志而识别传感器节点该方法是在数据接收后才能识别传感器节点4. 铁路基础设施监测对于无线传感器网络来说，网络中的节点必须能够很容易地加入和离开网络，以保证由电池供电的节点的使用寿命。此外节点的移动性和无线通信的

30、特性，使得无线传感器网络的拓扑结构和路由算法远比有线TCPIP网络复杂。到目前为止，ZigBee协议是唯一一份公开并且得到广泛应用的多跳自组网无线通信协议，也是最适合于无线传感器网络应用的无线通信协议。ZigBee适用于短距离无线通信，而对于长距离通信，GPRS网络覆盖广、接入时间短、按流量计费、直接与互联网相连等特点使得GPRS技术可以与ZigBee很好的结合，取长补短，组成适用于远程监控的无线传感器网络。4.1系统总体架构铁路基础设施安全监测系统的主要目的是实时监控高速铁路钢轨、轨道板和桥梁梁体的振动加速度，并将各个测点的采集到的加速度信息发送到机房，供后台计算机进行接受处理。铁路基础设施

31、监测无线传感网络由两层网络组成，分别是ZigBee无线传感器网络和GPRS远程通信网络，系统的总体架构如图41所示。图4-1系统架构 ZigBee无线传感器网络由布设在固定外接电源的协调器节点和布置在铁路沿线的各监测点的路由器节点组成，通过自组网和多跳通信的方式实现小范围内传感器数据的汇集。路由器节点负责周期性的采集和发送传感数据，拥有子节点的路由器同时负责数据的路由；协调器节点负责整个ZigBee网络的建立、数据的汇集和网络维护等功能，同时协调器节点也是ZigBee网络和GPRS网络之间的网关，负责两个网络之间的数据通信。GPRS远程通信网络主要负责ZigBee无线传感器网络与监控计算机之间

32、的传感器数据和控制指令的通信。在这里采用了中国移动通信有限公司的GSM网络，采用GPRS模块作为GSM网络的终端，实现了ZigBee网络协调器节点与监控计算机的TCP通信。4.2节点硬件设计指标节点的硬件是整个无线传感器网络的基础，直接决定了传感器网络的性能。无线传感器网络具有低功耗、低成本、分布式和自组织特点，电池电量、计算能力和存储能力都有限制，因此硬件设计的首先需要了解各个方面的设计指标，综合起来权衡利弊提出一个最合适的解决方案。1、 通信性能无线通信能力是无线传感器网络节点的重要指标，一般意义上的通信性能指标主要是通信的有效性和可靠性，即通信的速率和通信质量，在这里我们主要关注通信覆盖

33、范围。提高的发射功率可以有效增加通信覆盖范围，效降低节点的部署密度，简化网络结构，减少通信跳数，提高通信的可靠性。但相应也带来了通信能耗的增加，而无线通信是传感器节点最主要的能耗来源。这就需要设置合适的发射功率，既能使得网络节点的通信性能既符合要求，同时又降低网络功耗，提高网络寿命。2、 工作条件所有电子元器件都有分级，以区别元器件的耐温、耐振、稳定性抗干扰性能等，而各种元器件的分级都遵循国标、行标或企业内部的分级表尊。不同元器件之间的分级方法没有对照性，不过通常人们将元器件分为军用级、工业级和商业级三个级别，可靠性依次下降。铁路沿线的环境通常十分恶劣，而传感器节点需要沿铁路布设，为了使节点能

34、够在复杂环境下正常工作，节点中所使用的元件全部要达到工业级以上标准。3、 处理器性能无线传感器网络在应用时，节点上运行的传感器数据采集和处理程序对节点的计算能力提出了一定要求。在本项目中，钢轨加速度传感器的采样频率需要达到lOkhz，这对处理器的主频提出较高要求。此外处理器还需要运行无线通信的协议栈，其中包含的一些算法需要占用大量内存。因此在硬件设计时必须选用符合性能要求的低功耗处理器。4、 低功耗为了方便无线传感器网络节点的布置，减少维护费用，网络中的大部分节点通常采用电池供电。为了减少电池更换频率，节点的低功耗是硬件设计的重中之重。这需要在器件选型时尽量选用低功耗器件，电路设计时尽量减少不

35、必要的元件以减少能耗。无线传感器节点通常采用周期性的休眠和唤醒的方式减少能耗，硬件设计要注重降低节点的休眠能耗。5、 低成本由于无线传感器节点需要大规模布设，低成本是硬件设计的基本要求，也是无线传感器网络的主要特点之一。这就要求硬件设计在满足以上要求的同时选用低价优质的方案。在明确传感器节点硬件设计的指标后，我们需要根据ZigBee无线传感器网络和铁路基础设施监测的实际需要，选择合适的器件完成硬件电路的设计。5. 结论随着近几年来中国铁路事业的发展，铁路的现代化、智能化程度也在不断提高，针对铁路基础设施服役状态监测技术和对运行列车安全性监测的研究也越来越受到科研人员的关注。无线传感器网络是新兴的热门技术，随着研究的深入和技术的完善，无线传感器网络的被越来越多地应用到了各个领域。将无线传感器网络通信技术应用到铁路基础设施服役状态监测系统中。铁路基础设施安全监测无线传感器网络是一个结合了ZigBee无线自组网技术和GPRS远程通信技术的双层无线传感器网络。网络节点