传感器网络在铁路中应用研究

北京交通大学学报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY1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北京交通大学学报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY2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：AStudyontheapplicationofsensornetworkinRailwayShiChenJianHeXiaoquanWang（TrafficandTransportationSchoolBeijingJiaoTongUniversity）Abstract:Trainasatraffictool,itssafetyisthemostconcernedproblemsforpeople.WiththeaccelerationofChina'srailwaycomprehensive,thisproblemmoreattention.Formonitoringthesafetyoftrainoperation,includingmanyaspects.Forconditionmonitoringandoperationofpassengertrainsgoisanimportantaspectofsafetymonitoring,isrequiredatthepresentstageofdevelopmentofChinaRailway,butalsothefuturedevelopmenttrendofhighspeedrailway.Ontheotherhand,thehighspeedrailwaytrainrunningspeedhasbeengreatlyimproved,incircuitdesignusesalargenumberofnewtechnologyofelevatedbridge,ballastlesstrack,seamlesslinetoensurethesmoothnessofrailway.Thestateoftechnologyinfrastructuresuchasrailwayrailbridgehasanimportantimpactonhigh-speedrailwaytrainoperationsafety,long-termmonitoringstatusofserviceandenvironmentinformationtoplayakeyroleinensuringtherunningsafetyofhighspeedrailway.Wirelesssensornetworkiscomposedofalargenumberofsmallsensornodes,self-organizeddistributednetworksystemconstructedbythemultihopwirelesscommunicationmode,acquisitionandprocessingoftargetinformation,andsendsittothenetworkowner.Thispaperwillbeonthesensornetworkareintroducedintwoaspectsofrailwayoperationmonitoringanddetectionofrailwayinfrastructure.Keywords:RFID;sensornetwork;safetymonitoring;railwayinfrastructure北京交通大学学报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY31.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北京交通大学学报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY4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2．1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、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adhoe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adhoe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地址那样的全球唯一的标识。2．2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．处理器通常选北京交通大学学报JOURNALOFBEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY5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