基于物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

王 寧 高 朋

西安航天自動化股份有限公司 陜西 西安 710065

引言

軌道交通系統(tǒng)作為一種快速安全的交通方式越來越被廣大都市居民認(rèn)可,在地鐵成為人們主要出行工具的同時,人們在地鐵車站內(nèi)逗留的時間也隨之增加,在運營高峰時段,地鐵站內(nèi)客流密度大,地鐵車站衛(wèi)生狀況對人體健康產(chǎn)生不良影響,這一問題已引起國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注.本研究針對上海地鐵站臺綜合環(huán)境進行了分析,設(shè)計了城市軌道交通站臺的環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng).

1 當(dāng)前城市軌道交通行車環(huán)境安全的主要問題

當(dāng)前我國城市軌道交通發(fā)展迅速,特別在新制式軌道交通全面發(fā)展的大背景下,地面和高架形式的線路不斷增加,如強風(fēng)、大霧、暴雨雪、地震等極端天氣條件及自然災(zāi)害等對軌道交通運行的影響逐漸顯著。一旦發(fā)生諸如橋梁、車輛在強風(fēng)等極端天氣下失穩(wěn)等狀況,將會危及乘客生命安全。隨著極端天氣發(fā)生的頻率越來越高、危害越來越大,對城軌高架線路在強風(fēng)(尤其是強側(cè)風(fēng))、強雨、地震條件下車-線-橋系統(tǒng)危險因素進行監(jiān)測,量化指標(biāo),分級響應(yīng),最大限度防范風(fēng)險、規(guī)避災(zāi)害、保障列車安全運行成為當(dāng)前亟需解決的問題。目前我國城市軌道交通地面高架線路目前尚無行車環(huán)境安全監(jiān)測方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;在極端氣象環(huán)境下缺乏統(tǒng)一、可行的行車管理規(guī)章制度;氣象部門提供的氣象數(shù)據(jù)對軌道交通地面高架線路行車安全的輔助作用缺乏針對性,且數(shù)據(jù)不能滿足確保行車安全的實時性要求。

2 物聯(lián)網(wǎng)的城市軌道交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 功能設(shè)計 本系統(tǒng)功能分為城軌環(huán)境數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理4部分。1)數(shù)據(jù)采集。部署在監(jiān)測區(qū)域中的傳感器節(jié)點完成各項城軌周邊環(huán)境信息的感知和采集,需要采集的環(huán)境信息包括:溫度、濕度、煙霧濃度、地表沉降和橋梁水平位移狀況等。2)數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點在采集到數(shù)據(jù)信息后,按照CTP協(xié)議的要求,位于基站監(jiān)控機的節(jié)點將自己設(shè)為根節(jié)點,其他節(jié)點通過估計其與鄰節(jié)點之間的鏈路質(zhì)量信息選擇下一跳節(jié)點,形成到根節(jié)點的樹狀集合。所有節(jié)點照此路由將采集到的環(huán)境監(jiān)測信息傳送到基站節(jié)點。3)數(shù)據(jù)存儲?；竟?jié)點首先將匯聚到的所有環(huán)境監(jiān)測信息上傳給基站監(jiān)控機,基站監(jiān)控機再將數(shù)據(jù)上傳給遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲了全部的系統(tǒng)監(jiān)測信息。4)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理又包含監(jiān)測信息可視化顯示和異常告警2部分。通過在基站監(jiān)控機或終端監(jiān)控中心上安裝的環(huán)境信息監(jiān)控平臺,可視化地顯示城軌交通環(huán)境監(jiān)測信息,并對采集到的異常數(shù)據(jù)及時告警。

2.2 采集節(jié)點設(shè)計 為了適用于不同的站臺,本系統(tǒng)采用無線多節(jié)點采集環(huán)境信息.可以根據(jù)不同的站臺不同的人流量來布置采集節(jié)點的位置,節(jié)點數(shù)目不限定,使采集的信息更準(zhǔn)確.節(jié)點主控采用STM32F103C8T6單片機控制,該單片機內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換用以采集一氧化碳(CO)傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器信息.用1根數(shù)據(jù)IO口讀取DHT11的溫濕度值.將采集到的數(shù)據(jù)用1個數(shù)組保存,ZigBee芯片采用德州儀器的CC2530芯片.

2.3 城軌環(huán)境監(jiān)測節(jié)點節(jié)能策略 城軌交通環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用k=2的節(jié)點覆蓋策略,網(wǎng)絡(luò)中一半數(shù)量的節(jié)點為冗余節(jié)點。由于節(jié)點能量的有限性,平時將冗余節(jié)點設(shè)置為休眠狀態(tài),不能將相鄰的2個節(jié)點同時休眠,以避免網(wǎng)絡(luò)中覆蓋盲區(qū)的出現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量耗盡或失效節(jié)點時,冗余節(jié)點將代替此節(jié)點進行相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集,并通知基站節(jié)點失效節(jié)點的位置,以及時補充新節(jié)點。

2.4 監(jiān)測單元功能設(shè)計 1)主控模塊主控模塊主要功能包括:時鐘控制;其它模塊進程控制;遠(yuǎn)程控制(包括遠(yuǎn)程重啟、電源關(guān)閉),報警發(fā)布。選擇嵌入式芯片,帶操作系統(tǒng)下的嵌入式開發(fā)。采購主控核心板:選型參考CPU:ARMCORTEX-A17。2)數(shù)據(jù)采集模塊完成對傳感器監(jiān)測信息的采集(表2),要求支持同時采集不少于3種傳感器、不同采樣頻率下的數(shù)據(jù)。3)數(shù)據(jù)處理模塊完成對采集數(shù)據(jù)的過濾、數(shù)據(jù)包封裝、報警算法及數(shù)據(jù)處理等。4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊將封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到數(shù)據(jù)通信模塊。5)數(shù)據(jù)本地存儲模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地存儲,容量滿足30天存儲要求,支持最大32G的SD卡,SD卡可熱插拔。6)數(shù)據(jù)通信模塊數(shù)據(jù)通信可采用有線、無線兩種方式。其中有線方式是模擬軌道交通中數(shù)據(jù)通信RJ-45接口直接連接或者遠(yuǎn)距離光纖傳輸。有線通信支持1個光口(1000M)、兩個電口(100M),光口支持SFP光模塊。無線通信方式是模擬軌道交通中2.4G無線通信方式。無線通信采用Wi-Fi模塊。(2.4G,至少支持802.11b/g)。

3 結(jié)語

利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起,形成人與物、物與物相聯(lián),實現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)是未來科技發(fā)展的必經(jīng)之路.物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸,物聯(lián)網(wǎng)中所有的元素(所有的設(shè)備、資源及通信等)都是個性化和私有化的,把傳感器和互聯(lián)網(wǎng)連接是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大方面,該項目希望通過把傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、環(huán)境監(jiān)控三者相互結(jié)合,將環(huán)境監(jiān)控問題網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化,使人們能夠更好的調(diào)控所生活的環(huán)境.