軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計

王德銘+田愛軍+張國鵬

摘 要： 傳統(tǒng)軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)無法均衡自身的硬件承載性能，常常丟失軌道交通運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，評估準(zhǔn)確度較低。因此，對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。該系統(tǒng)由傳感器模塊、ZigBee技術(shù)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和計算機組成，傳感器模塊用于收集軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行節(jié)點數(shù)據(jù)，并交由ZigBee技術(shù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ZigBee技術(shù)模塊通過其中的路由器采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器解析路由器中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建持續(xù)工作體系，并將體系中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)模塊。網(wǎng)關(guān)模塊依據(jù)電平的變化將ZigBee技術(shù)模塊處理過的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谟嬎銠C解析的串口數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)交由通用分組無線業(yè)務(wù)進(jìn)行協(xié)議更新后，傳輸?shù)接嬎銠C中進(jìn)行可靠性評估分析。評估軟件中設(shè)計了對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信可靠性進(jìn)行評估的流程圖和關(guān)鍵代碼。結(jié)果表明，所設(shè)計的可靠性評估系統(tǒng)擁有較高的評估準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞： 軌道交通； 無線網(wǎng)絡(luò)通信； 可靠性評估； ZigBee

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0019?05

Design improvement of reliability evaluation system for wireless network

communication in rail transit

WANG Deming1，2， TIAN Aijun2， ZHANG Guopeng1

（1. School of Computer Science and Technology， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China；

2. School of Rail Transport， Xuzhou Technician Branch of Jiangsu Union Technical Institute， Xuzhou 221151， China）

Abstract： As the traditional communication network reliability evaluation system for rail transit cannot balance the hardware performance， often loses the data produced in the operation of rail transit， and its assessment accuracy is low， the reliability evaluation system for wireless network communication in rail transit is improved. The system consists of sensor module， ZigBee technology module， gateway module and computer. The sensor module is used to collect operation node data of communication network system for rail transit， and send the data to the ZigBee technology module for data processing. The router in ZigBee technology module is used to collect data. The data in the routers is resolved by ZigBee network coordinator. Based on this， the continuous working system is build， and the data in the system is sent to the gateway module. The data processed by ZigBee technology module is converted by the gateway module into the serial data easy to parse according to the level change. The protocol update for the processed data is conducted with the general packet radio service， and then is transmitted to the computer for the reliability evaluation and analysis. The flow chart and key code for assessment of the rail transit wireless network communication reliability are designed in the evaluation software. The experimental result shows that the designed reliability evaluation system has high evaluation accuracy.

Keywords： rail transit； wireless network communication； reliability evaluation； ZigBee

0 引 言

當(dāng)今社會，人們漸漸意識到解決交通擁堵問題的根本出發(fā)點，即為優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為基礎(chǔ)的交通通信系統(tǒng)[1?4]。軌道交通有著速度快、運輸量大且能效低的特點，而傳統(tǒng)軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)，無法均衡自身的硬件承載性能，常常丟失軌道交通運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，評估準(zhǔn)確度較低[5?6]。因此，尋求有效的軌道交通網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可靠性評估方法，在交通運輸領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

以往研究出的軌道交通網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的可靠性評估方法均存在一定的缺陷。如文獻(xiàn)[7]提出基于軌道交通有線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性評估方法，利用有線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但處于高強度數(shù)據(jù)傳輸下的有線網(wǎng)絡(luò)線路經(jīng)常發(fā)生損壞，影響了軌道交通網(wǎng)絡(luò)的整體效率，評估效果較差。文獻(xiàn)[8]提出基于CBTC的軌道交通通信的可靠性評估方法，通過改善列車的自動控制能力提高軌道交通網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，但這種方法的計算復(fù)雜，列車運行中的突發(fā)狀況無法估計，因此在實際應(yīng)用中效果并不可觀。文獻(xiàn)[9]提出遠(yuǎn)程控制軌道交通可靠性評估方法，利用遠(yuǎn)程控制手段傳達(dá)數(shù)據(jù)處理指令，以確保接口數(shù)據(jù)的完整性，但這種方法效率極低，無法進(jìn)行大規(guī)模復(fù)雜性的網(wǎng)絡(luò)可靠性監(jiān)控。

為了解決以上問題，對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，該系統(tǒng)由傳感器模塊、ZigBee技術(shù)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和計算機組成。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的可靠性評估系統(tǒng)擁有較高的評估準(zhǔn)確度。

1 軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)

軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)，由傳感器模塊、ZigBee技術(shù)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和計算機四部分組成，如圖1所示。傳感器模塊用于獲取軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行節(jié)點數(shù)據(jù)，ZigBee技術(shù)模塊將傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后構(gòu)建持續(xù)工作體系，再將體系中的數(shù)據(jù)反饋給網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進(jìn)行儲存、可靠性評估和顯示。該系統(tǒng)可以對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行實時監(jiān)管和調(diào)用。

1.1 傳感器模塊設(shè)計

軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行節(jié)點數(shù)據(jù)由傳感器模塊進(jìn)行收集并傳遞給ZigBee技術(shù)模塊。在軌道特定處放置電壓感應(yīng)器和電流傳感器進(jìn)行節(jié)點數(shù)據(jù)的收集，應(yīng)選擇量程較大且對列車運行無影響的通信感應(yīng)器。

城市軌道的列車運行直流電壓在0～3 000 V之間，故選用某公司生產(chǎn)的HV0?4000電壓感應(yīng)器，該電壓感應(yīng)器可接受的最高直流電壓值為3 000 V，且可以將收集到的信號輸出成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。HV0?4000電壓感應(yīng)器的材質(zhì)與軌道材質(zhì)互相絕緣，可用于測量直流、交流和脈沖電壓。列車運行電流在-2 000～2 000 A之間，選用某公司生產(chǎn)的HKA?Y1可拆卸電流傳感器，該電流傳感器具有精度高、響應(yīng)快、過載能力強和不損失被測電路能量等優(yōu)點，可進(jìn)行大電流的精確檢測，擁有良好的控制性，保障了檢測工作的安全性。

通信感應(yīng)器的接入采取沿線安裝方式，平均每300 m接入一套通信感應(yīng)器，軌道線路中的天線塔、隧道類型決定了其實際安裝路徑。每套通信感應(yīng)器均配備兩臺感應(yīng)天線，其作用是確定列車的行駛方向，以方便通信感應(yīng)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類傳輸。

為保證軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)的工作效率，應(yīng)限定傳感器模塊的收集數(shù)據(jù)的效率。因此在電壓感應(yīng)器與電流傳感器電路中接入D12S計時器，以保證系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作。D12S計時器能耗低、使用壽命長，且擁有持續(xù)電流充電能力，是傳感器模塊中必不可少的元件。在計時器進(jìn)行控制工作時，計時器中晶體偏振頻率的偏差以及天氣、溫度、電磁波輻射等影響無法避免，導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)有可能無法達(dá)到既定效率要求，這會對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性會產(chǎn)生一定影響，因此需要通過計算機軟件進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。圖2是D12S計時器電路圖。

1.2 ZigBee模塊設(shè)計

ZigBee模塊由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器組成，路由器將對傳感器模塊中傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的控制調(diào)整，包括信息控制、中斷控制、內(nèi)存控制和電源控制等，再交由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是ZigBee技術(shù)模塊的核心，用于構(gòu)建可靠性評估系統(tǒng)持續(xù)工作體系，并將體系中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)模塊。將ZigBee模塊電路和傳感器電路分開設(shè)計，有利于增強ZigBee技術(shù)模塊的可理解性。ZigBee模塊電路如圖3所示。

由圖3可知，路由器直接與傳感器模塊相連，供電電壓為5 V。路由器除了可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行制調(diào)整，也能夠?qū)㈦娐坟?fù)載合理化分配，使軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)的壽命得以延長，并有效降低電路中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的丟失率，提高軌評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在選擇路由器前要充分了解軌道交通實際運行狀態(tài)的負(fù)載值，不適合軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由器會造成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的癱瘓。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器電路中有兩個電源為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器直接供電，這使評估系統(tǒng)的持續(xù)工作得到了保證，且大大降低了電源在電路中的能耗損失，節(jié)約了成本，同時也令ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的后期維護工作更為便利。

1.3 網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

評估系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)模塊由電平變換和通用分組無線服務(wù)組成。ZigBee技術(shù)模塊直接與電平變換接口相連接，電平接口的類型為TTL。電平變換的主要功能是將由ZigBee技術(shù)模塊處理過的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谟嬎銠C解析的串口數(shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)交由通用分組無線業(yè)務(wù)。圖4為電平連接電路圖。

通用分組無線服務(wù)是全球移動通信系統(tǒng)（GSM）不斷發(fā)展的產(chǎn)物，其傳輸速率是GSM 的10倍，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時收發(fā)，為實現(xiàn)從全球移動通信系統(tǒng)向3G網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。這種技術(shù)同頻道持續(xù)傳輸不同，它利用封包方法傳輸數(shù)據(jù)，成本較低。如今，通用分組無線服務(wù)的傳輸速率可提升至114 Kb/s。

選用某公司生產(chǎn)的SIM800通信芯片，作為網(wǎng)關(guān)模塊通用分組無線服務(wù)的核心元件，該芯片性價比較高，有較好的低能耗性和防靜電能力。SIM800通信芯片有著雙串口，可進(jìn)行USB接口調(diào)試，支持中斷、射頻信號同步和藍(lán)牙功能，同時配置了TCP/IP協(xié)議，使用更為簡單。通用分組無線服務(wù)經(jīng)由該芯片完成對數(shù)據(jù)的協(xié)議更新，更新后的協(xié)議數(shù)據(jù)將傳輸?shù)接嬎銠C中進(jìn)行可靠性評估分析。

2 評估系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

為了建立軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性評估算法，應(yīng)從模擬干擾類型入手。首先配置評估軟件的初始化運行參數(shù)，網(wǎng)關(guān)模塊所提供的協(xié)議數(shù)據(jù)可對該算法進(jìn)行指導(dǎo)。軟件基于路徑散播協(xié)議、低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議和坡度協(xié)議，采取網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)存儲量、數(shù)據(jù)丟失率、數(shù)據(jù)利用率和響應(yīng)時間為算法的測量項目。

利用EW軟件進(jìn)行算法設(shè)計，該軟件能夠提供集成開發(fā)環(huán)境、實時監(jiān)控體系和狀態(tài)建模，做到了對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的信息控制、任務(wù)實時控制、效率控制、中斷控制、內(nèi)存控制、電源控制和信息丟失控制。圖5為軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性評估流程圖。

由圖5可知，軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性評估流程為：先進(jìn)行軟件參數(shù)的初始化，排除軟件舊數(shù)據(jù)對實際數(shù)據(jù)的干擾，確認(rèn)電源在正常電壓范圍內(nèi)工作后進(jìn)行信息的監(jiān)控。再對網(wǎng)關(guān)模塊傳輸來協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，經(jīng)篩選后的協(xié)議數(shù)據(jù)可確保軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信工作在要求的效率范圍中。軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)工作一段時間后，需要進(jìn)行中斷控制并調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)存，以保證評估工作的準(zhǔn)確性。內(nèi)存調(diào)整完后進(jìn)行不可靠性事件的查詢，算法將自動優(yōu)化不可靠事件。

軟件給出了不可靠事件處理的算法語言，先進(jìn)行通信感應(yīng)器節(jié)點和不可靠事件數(shù)據(jù)包的定義，確定通信感應(yīng)器節(jié)點收到的不可靠事件數(shù)量；再對不可靠事件進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化，該過程的關(guān)鍵代碼如下：

#define N_T_N

Class struct CCD_ N_T_N

{ulong_ id

CCD_ N_T_N preNode

CCD_ N_T_N nextNode}

CCD_ N_T_N；

CCD_ N_T_N base station；

CCD_ N_T_N CCD_ N_T_N；

class struct t

{CCD_t node_info；

Ulong1_t send_datagram_num；

Ulong2_t rev_datagram_num；

Ulongn_t datagram_time； }

Report；

Class struct_m

{ulong1_t addr；

ulong_2 class；

ulong_3 data；

ulong_4 long；

ulong_n crc；}m；

3 實驗分析

通過實驗驗證本文設(shè)計的軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，實驗對本文系統(tǒng)和基于CBTC的軌道交通通信的可靠性評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確度進(jìn)行對比。假設(shè)兩種評估系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有相同的功率和傳輸通道，實驗確保網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間連接通暢且距離相等。

圖6和圖7分別表示本文系統(tǒng)和基于CBTC的軌道交通可靠性評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確度對比。

分析圖6和圖7可知：在無干擾的情況下，相同狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可靠性并不是固定不變的，有可能受系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力限制。

CBTC評估系統(tǒng)在運行初期準(zhǔn)確度較高，約為90%，運行5 h后準(zhǔn)確度開始逐漸下降，7 h后開始大幅度下降；而本文評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確度始終在一定范圍內(nèi)波動，平均值約為80%，整體準(zhǔn)確度較高。

為了排除實驗的偶然性結(jié)果誤差，進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，加入了特定環(huán)境干擾因素，圖8和圖9分別為有環(huán)境因素干擾下，兩種評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確度對比情況。

由圖8、圖9可看出，在環(huán)境因素干擾的情況下，CBTC評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確度開始出現(xiàn)細(xì)微波動，系統(tǒng)運行一定時間后開始大幅度下降，整體準(zhǔn)確度依舊偏低；而本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確度幾乎無變化，平均值仍高達(dá)75%。經(jīng)對比可知，本文設(shè)計的軌道交通無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性評估系統(tǒng)具有較高的精度。

4 結(jié) 論

本文對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信中的可靠性評估系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，該系統(tǒng)由傳感器模塊、ZigBee技術(shù)模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和計算機組成，傳感器模塊用于收集軌道交通通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運行節(jié)點數(shù)據(jù)，并交由ZigBee技術(shù)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ZigBee技術(shù)模塊通過其中的路由器采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器解析路由器中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建持續(xù)工作體系，并將體系中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)模塊。網(wǎng)關(guān)模塊通過電平變化將ZigBee技術(shù)模塊處理過的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谟嬎銠C解析的串口數(shù)據(jù)，再將此數(shù)據(jù)交由通用分組無線業(yè)務(wù)進(jìn)行協(xié)議更新后傳輸?shù)接嬎銠C中進(jìn)行可靠性評估分析。評估軟件中設(shè)計了對軌道交通無線網(wǎng)絡(luò)通信可靠性進(jìn)行評估的流程圖和關(guān)鍵代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的可靠性評估系統(tǒng)擁有較高的評估準(zhǔn)確度。

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