WSN在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用框架研究

史天運(yùn),端嘉盈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081)

WSN在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用框架研究

史天運(yùn),端嘉盈

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用尚處于起步階段,介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用,從統(tǒng)籌規(guī)劃的角度構(gòu)建應(yīng)用框架以及不同場(chǎng)景的應(yīng)用模型。通過(guò)研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用現(xiàn)狀,分析列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求,搭建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架,并分別建立地面、車載、車地以及車站無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。提出研究基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題,為進(jìn)一步研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用起到指導(dǎo)性的作用。

高速列車；運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；總體框架；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1](Wireless Sensor Network， WSN)由具有傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、交換路由模塊和無(wú)線通信模塊等大量傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)交換傳輸組成多跳的自組織、自學(xué)習(xí)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把感知對(duì)象的信息發(fā)送給控制者，WSN已成為下一代互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的重要組成部分。

高速列車的安全運(yùn)營(yíng)關(guān)系到旅客生命財(cái)產(chǎn)安全，高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)控是鐵路安全運(yùn)營(yíng)的重要保障，對(duì)影響列車運(yùn)營(yíng)安全的狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、處理和預(yù)警，及時(shí)采取有效措施，避免安全問(wèn)題的發(fā)生，保障高速鐵路行車安全。

目前，我國(guó)高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中傳感器使用較為廣泛，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)也有部分應(yīng)用，但基本上都采用有線網(wǎng)絡(luò)，基于WSN的研究和應(yīng)用尚處于起步階段。WSN具有冗余性、無(wú)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(guān)鍵區(qū)域和偏遠(yuǎn)地區(qū)的大范圍部署和長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)，其應(yīng)用將促進(jìn)列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)變革。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者很早就開(kāi)始WSN在鐵路的應(yīng)用研究，提出利用分簇WSN構(gòu)建鐵路安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)模型[2]，開(kāi)展基于WSN的高鐵安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]和列車運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。雖然目前國(guó)內(nèi)外已有不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)利用WSN進(jìn)行鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，然而大多數(shù)是針對(duì)于單項(xiàng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)開(kāi)展的研究，單項(xiàng)研究的深度和廣度及應(yīng)用都有較大差距，鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)研究和應(yīng)用尚未展開(kāi)，特別是高速鐵路車地聯(lián)合組網(wǎng)等關(guān)鍵問(wèn)題研究更少。

1 基于WSN的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)種類繁多，例如監(jiān)測(cè)對(duì)象有：線路、車站、牽引供電、自然環(huán)境、列車等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)有：線路監(jiān)測(cè)包括軌道、路基、橋梁、隧道的監(jiān)測(cè)；車站監(jiān)測(cè)包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備、火災(zāi)的安全監(jiān)測(cè)；牽引供電監(jiān)測(cè)包括接觸網(wǎng)、受電弓異常監(jiān)測(cè)；自然環(huán)境監(jiān)測(cè)包括風(fēng)、雨、雪、異物侵線、滑坡、地震等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)；列車監(jiān)測(cè)包括車載設(shè)備、火災(zāi)、車載視頻監(jiān)測(cè)等。

圖1 基于WSN的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

基于WSN的高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。車站監(jiān)控信息通過(guò)車站W(wǎng)SN進(jìn)入車站信息處理中心供車站監(jiān)控應(yīng)用，車載監(jiān)控信息通過(guò)車載WSN進(jìn)入車載信息處理中心供車載監(jiān)控應(yīng)用，地面監(jiān)控信息通過(guò)地面WSN進(jìn)入地面信息處理中心供地面監(jiān)控應(yīng)用，若車載監(jiān)控需要地面監(jiān)控信息或地面監(jiān)控需要車載監(jiān)控信息，可通過(guò)車地WSN來(lái)實(shí)現(xiàn)。WSN在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在兩點(diǎn)：一是信息采集到現(xiàn)場(chǎng)匯聚之間的無(wú)線傳輸，另一方面是車地信息無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)地面采集信息的實(shí)時(shí)傳輸?shù)杰嚿匣蛘哕囕d信息實(shí)時(shí)落地。核心是構(gòu)建地面WSN、車載WSN、車地WSN和車站W(wǎng)SN。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

地面WSN采集的信息內(nèi)容包括三部分：周邊環(huán)境(風(fēng)、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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為5個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采集層：信息的收集與簡(jiǎn)單處理，采集節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信模塊組成。這些傳感器根據(jù)鐵路環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)地需求，部署在特定的位置處。

采集傳輸網(wǎng)絡(luò)層：傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息的可靠傳輸，連接采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)。采用無(wú)線方式組網(wǎng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境和傳輸數(shù)據(jù)類型的不同，無(wú)線傳輸可采用Zigbee、RFID、6LowPAN、WiFi等幾種技術(shù)進(jìn)行選擇和綜合應(yīng)用。

匯聚處理層：部署在鐵路沿線GSM-R機(jī)房?jī)?nèi)，負(fù)責(zé)匯聚機(jī)房周邊所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，以及各種信息的處理、融合、存儲(chǔ)等功能，是WSN之間，以及WSN與其他網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，不受能耗限制，有足夠的發(fā)射功率、接收功率以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力，是現(xiàn)場(chǎng)WSN的指揮中心。根據(jù)匯聚信息分為三類：周邊環(huán)境、線路以及地對(duì)車監(jiān)測(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)，具體部署匯聚節(jié)點(diǎn)種類根據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的情況決定。

匯聚傳輸網(wǎng)絡(luò)層：一方面負(fù)責(zé)匯聚節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)將地面WSN和車載WSN的重要信息發(fā)送給路局監(jiān)控中心?？刹捎描F路有線專網(wǎng)通信，也可搭建WSN作為鐵路專網(wǎng)的輔助手段。

路局監(jiān)控中心：部署在路局，負(fù)責(zé)該局所有車站、線路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及監(jiān)測(cè)任務(wù)和控制信息的下發(fā)，并負(fù)責(zé)與路局其他信息系統(tǒng)的聯(lián)系，并將監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給調(diào)度中心、工務(wù)處、工務(wù)段，以供行車調(diào)度指揮和線路維護(hù)維修使用。

2.2 車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車載WSN的監(jiān)測(cè)目標(biāo)分為兩部分：高速列車自身狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和列車對(duì)地面環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為4層，如圖3所示。

圖3 車載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采集層：負(fù)責(zé)基礎(chǔ)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(jī)側(cè)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(zhuǎn)向架有加速度傳感器；車內(nèi)空調(diào)用的溫度傳感器和壓力波傳感器，火警探測(cè)器等。這些傳感器上增加無(wú)線發(fā)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(jiān)測(cè)設(shè)備組成。

信息接入層：是對(duì)采集層采集的信息進(jìn)行匯聚、協(xié)議轉(zhuǎn)化等，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，信息接入層起網(wǎng)管節(jié)點(diǎn)(匯聚節(jié)點(diǎn))的作用，對(duì)于有線設(shè)備的接入，該層起數(shù)據(jù)接口的作用。

處理層：將采集的信息進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，主要包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及通信服務(wù)器等。

應(yīng)用層：主要包括兩種終端設(shè)備，一種是安裝在駕駛艙的固定終端通過(guò)有線通信，為司機(jī)提供前方道路情況、列車運(yùn)行狀況及報(bào)警信息等；另一種是移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)無(wú)線通信，為乘務(wù)人員和隨車機(jī)械師等提供列車運(yùn)行狀況及報(bào)警信息等。

2.3 車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車地WSN主要作用是將地面WSN采集的信息和路局監(jiān)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?zé)o線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸以外，也有必要研究基于WSN技術(shù)的車地通信。車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 車地?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(wù)器相連，包括車載無(wú)線發(fā)射網(wǎng)關(guān)、車載無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)、發(fā)射天線、接收天線、信息預(yù)處理模塊等。地面通信單元與地面WSN的地面匯聚節(jié)點(diǎn)的通信服務(wù)器相連，包括地面無(wú)線發(fā)射網(wǎng)關(guān)、地面無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)、發(fā)射天線、接收天線、信息預(yù)處理模塊等。

將車載通信單元看成移動(dòng)的交互終端，將地面通信單元看作交互服務(wù)源，由上行鏈路和下行鏈路組成整體系統(tǒng)。使用上行鏈路和下行鏈路組成整體系統(tǒng)。使用上行鏈路時(shí)，能上傳列車運(yùn)行狀態(tài)信息，使用下行鏈路時(shí)，能將地面監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給列車。上行鏈路由車載無(wú)線發(fā)射網(wǎng)關(guān)、地面無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)等組成，而下行鏈路則是由車載無(wú)線接收網(wǎng)關(guān)、地面無(wú)線發(fā)射網(wǎng)關(guān)等設(shè)備組成，如圖5所示。

圖5 車地?zé)o線通信系統(tǒng)功能框圖

2.4 車站無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當(dāng)前，高鐵車站內(nèi)缺少針對(duì)站內(nèi)環(huán)境、人員定位、節(jié)能減排等相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備，站內(nèi)已有系統(tǒng)設(shè)計(jì)以有線組網(wǎng)為主，有線組網(wǎng)技術(shù)具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；但其必須保持物理連接，布線成本較高，給產(chǎn)品的升級(jí)和改造帶來(lái)了極大的困難[4]，具有系統(tǒng)初期建設(shè)復(fù)雜，中期不便于更改，后期無(wú)法拓展和移植等缺點(diǎn)。將WSN技術(shù)應(yīng)用在高鐵車站內(nèi)，是現(xiàn)代化車站發(fā)展的必然結(jié)果。車站W(wǎng)SN主要針對(duì)站內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能耗管理監(jiān)測(cè)、人員異常監(jiān)測(cè)以及綜合安全監(jiān)測(cè)。車站無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 客運(yùn)站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

信息采集層：負(fù)責(zé)初始數(shù)據(jù)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(cè)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(jiān)測(cè)車站信息，還需攝像頭的視頻信息，水泵、電梯扶梯、空調(diào)風(fēng)機(jī)等設(shè)備信息，作為WSN的補(bǔ)充。

基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)信息采集層與處理平臺(tái)層之間的信息交互，可采用WIFI、Zigbee、LTE等技術(shù)搭建。對(duì)于無(wú)法用無(wú)線傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的設(shè)備信息(水泵、電梯扶梯、空調(diào)風(fēng)機(jī)等)和采集信息數(shù)據(jù)量大的視頻信息，采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集。

處理平臺(tái)層：主要實(shí)現(xiàn)與信息采集層的融合適配，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的傳感器信息結(jié)合視頻信息和設(shè)備狀態(tài)信息等進(jìn)行綜合分析，對(duì)從信息采集層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，跨系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，對(duì)各子系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)封裝，給上層應(yīng)用提供外部接口。處理平臺(tái)層利用設(shè)備信息的互通性，將底層設(shè)備與上層具體應(yīng)用解耦，各個(gè)子系統(tǒng)不再孤立運(yùn)行，方便了不同子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)和管理。隨著云技術(shù)的發(fā)展，可以將處理平臺(tái)層放入鐵路局云端甚至總公司云端，對(duì)不同車站、不同鐵路局進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和橫向?qū)Ρ龋贫ǜ痈咝У墓芾聿呗訹4]。

應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)處理平臺(tái)層與應(yīng)用終端層之間的信息交互。若終端為無(wú)線終端，可使用WIFI、Zigbee、LTE等網(wǎng)絡(luò)，若終端為有線終端就選擇有線網(wǎng)絡(luò)。

應(yīng)用終端層：利用處理平臺(tái)層的接口，開(kāi)發(fā)車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)所需要的具體應(yīng)用，如空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、能耗管理監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、人員異常監(jiān)測(cè)及綜合安全監(jiān)測(cè)等，并依托下層平臺(tái)提供的跨子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行跨子系統(tǒng)的管理和運(yùn)維。

3 基于WSN的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵問(wèn)題

研究基于WSN的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，有眾多技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決，主要有以下幾個(gè)方面。

(1)WSN的能量問(wèn)題

鐵路沿線不易挖溝布線供電且維護(hù)困難，搭建地面WSN時(shí)必須考慮節(jié)點(diǎn)的功耗和通信要求，采用低功耗的無(wú)線通信模塊和無(wú)線通信協(xié)議、高效的太陽(yáng)能供電方式，采用休眠機(jī)制來(lái)節(jié)約能量，盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，從而保證網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性。室內(nèi)WSN和車載WSN除了一些特殊節(jié)點(diǎn)需要配備電池供電外，其他節(jié)點(diǎn)有穩(wěn)定的能量來(lái)源，系統(tǒng)壽命不再受制于網(wǎng)絡(luò)能量問(wèn)題，也無(wú)需過(guò)多考慮能量均衡問(wèn)題。

(2)鐵路沿線WSN節(jié)點(diǎn)部署策略及路由協(xié)議

地面WSN沿著鐵路線性部署是典型的線性網(wǎng)絡(luò)，而目前主流的WSN技術(shù)研究大多數(shù)針對(duì)的是面狀網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)線性的WSN研究較少。另外，WSN必須具有很強(qiáng)的魯棒性。因此，有必要研究針對(duì)鐵路沿線線性WSN的節(jié)點(diǎn)部署和路由策略，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量均衡消耗，充分利用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)性。

(3)電磁干擾問(wèn)題

鐵路接觸網(wǎng)提供的是2.5 kV的高壓電，以及鐵路長(zhǎng)大隧道等復(fù)雜環(huán)境，高速列車以300 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，高鐵車站內(nèi)和列車上的其他通信電纜、輸電線路也有可能對(duì)WSN產(chǎn)生電磁干擾，因此，在搭建WSN時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電磁干擾進(jìn)行分析。

(4)多徑效應(yīng)問(wèn)題

當(dāng)傳輸信號(hào)在車體及其他室內(nèi)物體上進(jìn)行反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)，最終接收到的信號(hào)實(shí)際上是經(jīng)過(guò)多次迭加而產(chǎn)生的信號(hào)，每個(gè)迭加信號(hào)都在不同時(shí)刻到達(dá)接收器，每個(gè)迭加信號(hào)的強(qiáng)度均不相同，這樣接受到的信號(hào)就產(chǎn)生了畸變[5]。當(dāng)WSN部署在隧道中時(shí)，隧道相當(dāng)于一個(gè)封閉的室內(nèi)環(huán)境，并且由于隧道材料的因素，其發(fā)射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多徑問(wèn)題。當(dāng)列車高速移動(dòng)時(shí)，列車上的無(wú)線發(fā)射網(wǎng)關(guān)向地面發(fā)射信息時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多徑問(wèn)題。由于不同車站的建筑結(jié)構(gòu)不同，采用的建筑材料不同，也會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)。

(5)多普勒效應(yīng)問(wèn)題

列車的高速移動(dòng)使得多普勒效應(yīng)明顯。當(dāng)終端處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，從基站發(fā)向終端的信號(hào)和從終端發(fā)向基站的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，其頻偏的大小與載波頻率及運(yùn)動(dòng)速度成正比，因此速度越快所造成的頻偏也就越大，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率也就越高，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)增多，加重了無(wú)線通信信道的負(fù)荷[6]。

(6)同頻干擾問(wèn)題

一方面，當(dāng)兩列列車會(huì)車時(shí)連接在同一個(gè)地面無(wú)線通信模塊，系統(tǒng)會(huì)短時(shí)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(yùn)行，從根本上解決無(wú)線干擾問(wèn)題，建議向無(wú)線電管理委員會(huì)申請(qǐng)專用頻點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線電管理行政手段接受行政保護(hù)，以使信號(hào)車-地?zé)o線通信能工作在受相關(guān)部門管理及保護(hù)的頻段，最大程度上減少外界對(duì)信號(hào)車-地通信的影響，將公用頻段引起的風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)未批準(zhǔn)下來(lái)，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(wèn)題

由于常用的WSN如Zigbee、RFID技術(shù)帶寬小，在進(jìn)行車地?zé)o線通信時(shí)，僅能傳輸少量的字節(jié)信息，隨著WSN規(guī)模的不斷擴(kuò)大，車地之間需要通信的數(shù)據(jù)量也不斷增加，亟待研究基于WLAN、LTE等技術(shù)車地?zé)o線通信。

在研究基于WSN的高速鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，除了以上關(guān)鍵問(wèn)題之外，還需結(jié)合高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，研究WSN的協(xié)議選擇、WSN的QoS指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法、大規(guī)模傳感器節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡理論、智能路由控制算法，建立高鐵復(fù)雜環(huán)境下WSN的信道模型，并制訂高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)WSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用規(guī)范。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了基于WSN的高速列車運(yùn)營(yíng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架，并分別建立了地面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車載傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車地傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及車站傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最后詳細(xì)分析了系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問(wèn)題，為該領(lǐng)域技術(shù)研究和深化應(yīng)用提供了重要指導(dǎo)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金(U1334210)

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

U283.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703020002