基于物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域軌道交通安全狀態(tài)感知與傳輸方案研究

宋宗瑩，劉結(jié)平

（1.國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100011；2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

區(qū)域軌道交通系統(tǒng)具有綜合性、多維度、協(xié)同性等特點(diǎn)，其系統(tǒng)的安全運(yùn)營將直接影響區(qū)域內(nèi)軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，其中間環(huán)節(jié)發(fā)生故障將會導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，或造成大面積的交通癱瘓。同時(shí)區(qū)域軌道交通線路長、站點(diǎn)多、易受自然和社會環(huán)境影響，所以其綜合安全保障顯得尤為重要。為保障系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)的安全狀態(tài)需要盡可能被準(zhǔn)確、高效地采集和分析，使系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源并監(jiān)控故障發(fā)展趨勢。

安全狀態(tài)感知源于態(tài)勢感知的研究，Endsley（1988）[1]將態(tài)勢感知定義為：在一定的時(shí)空條件下，對環(huán)境因素的獲取、理解以及對未來狀態(tài)的預(yù)測。態(tài)勢感知技術(shù)可有效輔助決策者在動(dòng)態(tài)復(fù)雜的環(huán)境中作出準(zhǔn)確決策。決策者可借助態(tài)勢感知的工具對當(dāng)前環(huán)境的連續(xù)變化作出分析，了解環(huán)境變化態(tài)勢，預(yù)知危險(xiǎn)事故的發(fā)生或升級[2]。

目前，安全狀態(tài)感知技術(shù)均是面向計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的，利用傳感器終端，通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的采集和傳輸。軌道交通系統(tǒng)中，傳感網(wǎng)絡(luò)大量運(yùn)用在安全監(jiān)控領(lǐng)域,使得軌道交通安全狀態(tài)感知與網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知技術(shù)相結(jié)合，對軌道交通安全狀態(tài)感知的研究具有重要意義。軌道交通安全態(tài)勢感知是對影響軌道交通安全的諸多要素進(jìn)行信息獲取、數(shù)據(jù)分析、知識理解、狀態(tài)評估以及趨勢預(yù)測，是對軌道交通安全定量分析的一種方法，對預(yù)防安全事故、減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失、保障運(yùn)營安全具有重要意義，可以產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1 需求分析

區(qū)域軌道交通的綜合安全保障是系統(tǒng)性的，不同于單一的城市軌道交通系統(tǒng)或鐵路系統(tǒng)的安全狀態(tài)。在區(qū)域軌道交通的協(xié)同運(yùn)輸下，客流狀態(tài)、列車運(yùn)行狀態(tài)等因素對多制式軌道交通造成的交叉影響是復(fù)雜的。

為完成區(qū)域軌道交通的安全運(yùn)營保障工作，需盡量保證各環(huán)節(jié)的安全狀態(tài)信息采集時(shí)效性，作為風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢感知與風(fēng)險(xiǎn)評估的數(shù)據(jù)信息，因此需要通過建立專用的安全狀態(tài)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)信息傳遞給安全信息分析平臺和應(yīng)急處置管理平臺，來保證安全狀態(tài)信息及時(shí)采集?；诎踩珷顟B(tài)的信息采集與分析，決策層對故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警診斷，并提供相應(yīng)的協(xié)同處置措施，從而有效控制風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展和故障事故的發(fā)生。綜合安全保證系統(tǒng)邏輯如圖1 所示。

圖1 綜合安全保障系統(tǒng)邏輯圖Fig.1 Logic diagram of integrated safety assurance system

安全狀態(tài)信息采集需針對不同的信息采集裝備和所處環(huán)境條件，逐步建立和完善安全狀態(tài)感知的基礎(chǔ)設(shè)備和系統(tǒng)體系架構(gòu)。安全狀態(tài)信息采集需做到重點(diǎn)信息全覆蓋、輔助信息可獲取，裝備不同環(huán)境、不同設(shè)施、不同專業(yè)、不同信息類型的采集設(shè)備，提高信息采集覆蓋率，有效支撐風(fēng)險(xiǎn)評估和協(xié)同決策。目前物聯(lián)網(wǎng)信息感知技術(shù)包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID 標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M 終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等多種感知手段[3]，靈活布置，并可采集多種類狀態(tài)信息。

2 安全狀態(tài)信息采集方案

在區(qū)域軌道交通系統(tǒng)中，需要對關(guān)乎安全運(yùn)營的各種信息進(jìn)行感知和采集。主要采集列車狀態(tài)信息、線路狀態(tài)信息、設(shè)備設(shè)施信息、牽引供電信息、環(huán)境信息與客流信息，這些信息直接影響區(qū)域軌道的運(yùn)營安全。

針對上述的安全感知需求，研究基于物聯(lián)網(wǎng)的信息感知技術(shù)。由于部分軌道交通設(shè)備現(xiàn)已逐步實(shí)現(xiàn)IP 化，在設(shè)備中可將自身運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理信息系統(tǒng)或是綜合監(jiān)控系統(tǒng)[4]。針對這些信息感知已完成，研究將其通過傳輸通道傳給信息綜合平臺進(jìn)行存儲和綜合分析。

本研究將列車狀態(tài)信息、線路狀態(tài)信息、環(huán)境信息、客流狀態(tài)信息通過基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層進(jìn)行信息感知和采集。

研究將采集對象結(jié)合傳感器、控制器、執(zhí)行器形成感知單元[5]，利用標(biāo)識機(jī)制（射頻識別[RFID]）標(biāo)識每一個(gè)感知單元，實(shí)現(xiàn)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知。

2.1 列車信息

列車機(jī)械部分信息包括車體狀態(tài)、走形部狀態(tài)、制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)及牽引動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)[6]。車體均衡系需采集列車平衡狀態(tài)信息，走形系需采集轉(zhuǎn)向架及軸箱的相應(yīng)狀態(tài)信息，制動(dòng)系需采集制動(dòng)系統(tǒng)的溫度及濕度信息，牽引動(dòng)力系需采集電動(dòng)機(jī)等牽引部件狀態(tài)信息。

所部署的傳感器主要有走形系的轉(zhuǎn)向架傳感器，對轉(zhuǎn)向架的扭動(dòng)方向及角度進(jìn)行采集；軸箱復(fù)合傳感器和軸溫傳感器，用于檢測車輛輪軸速度及溫度；車體均衡系的車體均衡性檢測傳感器，對車體傾斜角度進(jìn)行采集，簡稱為車體傳感器；振動(dòng)監(jiān)測傳感器，對列車的震動(dòng)幅度進(jìn)行監(jiān)測和采集；還有制動(dòng)系的溫度傳感器，車廂內(nèi)的煙霧報(bào)警傳感器。

上述的傳感器設(shè)備滿足列車在途狀態(tài)檢測與安全預(yù)警需求，檢測列車走行系、牽引系、輔助系、制動(dòng)系等各車載設(shè)備狀態(tài)和車廂環(huán)境信息，并利用網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境監(jiān)測的傳感器組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整車裝備安全狀態(tài)信息的釆集、處理和傳輸。

2.2 線路信息

區(qū)域軌道交通系統(tǒng)中，針對路基縱向、斜向裂縫、滲水、襯砌開裂、錯(cuò)臺、鋼軌變形和軌道下沉等病害，研究應(yīng)用變形監(jiān)控值和力學(xué)監(jiān)控值進(jìn)行控制，對線路的沉降、差異沉降、傾斜、裂縫、應(yīng)力及應(yīng)變等為目前工程建設(shè)的主要監(jiān)測項(xiàng)目。

線路信息通過距離和應(yīng)力傳感器進(jìn)行定期監(jiān)測和信息采集，綜合分析線路上的病害。

2.3 環(huán)境信息

列車運(yùn)行環(huán)境信息主要包括：風(fēng)力信息、雨量信息、雪深信息及地震信息。研究采用不同的傳感器配合物聯(lián)網(wǎng)控制器形成感知單元，每一處感知單元配置特定的RFID 標(biāo)簽，將信息標(biāo)定通過讀取標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)信息的收集。

1）風(fēng)監(jiān)測

區(qū)域軌道交通長期處于室外區(qū)間線路狀態(tài)，列車的高速運(yùn)行會對風(fēng)力的感知變得敏感。大風(fēng)可能使線路周圍的異物侵入，會影響高大鐵塔、綜合監(jiān)控?cái)z像機(jī)、接觸網(wǎng)等設(shè)備穩(wěn)定性，從而影響行車。

針對軌道交通線路特點(diǎn)，可采用機(jī)械式風(fēng)傳感器、超聲波式傳感器及熱場式風(fēng)力傳感器對區(qū)間環(huán)境的風(fēng)力進(jìn)行采集和感知。

風(fēng)監(jiān)測設(shè)備主要是機(jī)械室、超聲波式以及熱場式風(fēng)速風(fēng)向傳感器。

2）雨量監(jiān)測

環(huán)境雨量過大會造成軌道面濕滑，影響列車行駛穩(wěn)定性，造成安全隱患。雨量監(jiān)測設(shè)備主要有壓電式、微波式雨量傳感器。

3）雪深監(jiān)測

雨雪對列車安全影響基本一致，大雪更易結(jié)冰，嚴(yán)重影響列車安全。本方案雪深采集設(shè)備均采用激光式雪深計(jì)。通過發(fā)射的紅外激光，對探頭至測量平面的傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，推算積雪深度。

4）地震監(jiān)測

地震對軌道交通列車運(yùn)行會造成極大安全隱患，地震預(yù)警設(shè)備與列車控制系統(tǒng)相連，作為影響行車的控制信息，方案采用力平衡式地震加速度計(jì)進(jìn)行地震信息采集，將信息同時(shí)傳遞給中心分析安全狀態(tài)。

2.4 客流信息

客流量監(jiān)測技術(shù)主要是基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)智能跟蹤與識別核心技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合技術(shù)和智能視頻分析技術(shù)[7]，可進(jìn)行客流監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化采集系統(tǒng)，智能化精確采集客流量、客流方向、客流速度、客流密度等客流信息。

在車站站廳、站臺、換乘通道、出入口各主要人流密集區(qū)域部署視頻攝像頭和相應(yīng)紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域客流數(shù)據(jù)采集功能，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測和獲取大客流沖擊站點(diǎn)出入口客流狀態(tài)、換乘通道客流量、站臺乘客狀態(tài)及密度等實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 安全狀態(tài)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)方案

針對區(qū)域軌道交通安全狀態(tài)感知信息的采集問題，由于采集信息眾多而繁雜，本方案利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)采集不同專業(yè)的安全狀態(tài)信息。

為滿足在區(qū)域軌道交通不同站點(diǎn)、線路區(qū)間場景的信息采集和傳感連接需求，方案考慮運(yùn)用低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（Low Power Wide AreaNetwork，LPWAN）技術(shù)。在諸多LPWAN 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，基于授權(quán)頻譜的NB-IoT 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)因其特有的低成本組網(wǎng)方式、低能耗、廣覆蓋深覆蓋、超大連接能力、低帶寬優(yōu)勢更加適應(yīng)我國鐵路行業(yè)的安全狀態(tài)感知研究[8]。

3.1 傳輸組網(wǎng)方案

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合有線通信網(wǎng)絡(luò)，搭建安全信息采集傳輸網(wǎng)，在車站和部分區(qū)間通過交換機(jī)和光纜方式進(jìn)行組網(wǎng)，對部分區(qū)間采用NB-IoT 基站方式進(jìn)行信息的采集。

區(qū)域軌道交通安全信息傳輸網(wǎng)是安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通道。從物理角度看，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由3 部分組成：現(xiàn)場層網(wǎng)、局域網(wǎng)和骨干網(wǎng)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2 所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.2 Network topology

在現(xiàn)場層面，車站內(nèi)各個(gè)傳感器或是關(guān)鍵設(shè)備采集接口，通過現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)連接起來，然后匯集到車站級局域網(wǎng)，各車站局域網(wǎng)絡(luò)通過骨干網(wǎng)將車站設(shè)備連接起來傳送到中心控制系統(tǒng)。區(qū)域軌道交通安全信息骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)由通信專業(yè)提供百兆帶寬來構(gòu)建。在監(jiān)控中心與各車站通過雙以太網(wǎng)通道傳輸安全狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)。

監(jiān)控中心和各車站分別組建中心級和車站級局域網(wǎng)，組成安全信息骨干網(wǎng)，完成區(qū)間至車站，車站至中心的信息傳輸工作。

中心級局域網(wǎng)采用冗余配置千兆以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)，車站級局域網(wǎng)采用冗余百兆以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)。

1）中央級局域網(wǎng)

中央級局域網(wǎng)為冗余的工業(yè)級千兆交換機(jī)組網(wǎng)，符合國際通信數(shù)據(jù)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用通用的數(shù)據(jù)網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議；可采用模塊化千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，分別配置千兆和百兆以太網(wǎng)接口；配置千兆以太網(wǎng)接口(RJ-45，10/100/1 000 M 自適應(yīng))連接系統(tǒng)分析服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、存儲服務(wù)器等；配置百兆以太網(wǎng)口(RJ-45，10/100 M 自適應(yīng))連接各骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)通道、連接工作站、終端、網(wǎng)絡(luò)安全等其他設(shè)備；監(jiān)控中心互聯(lián)的系統(tǒng)利用百兆以太網(wǎng)接口接入通信控制器。

2）車站級局域網(wǎng)

車站級局域網(wǎng)為冗余工業(yè)級百兆交換機(jī)組網(wǎng)。同樣符合國際通信數(shù)據(jù)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，采用通用的數(shù)據(jù)網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議；通過百兆以太網(wǎng)接口連接骨干網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)組建車站層局域網(wǎng)；通過百兆以太網(wǎng)接口連接車站監(jiān)控工作站、終端和其他設(shè)備。

在線路上，將部分傳感器與應(yīng)答器結(jié)合。安全狀態(tài)信息通過傳感器節(jié)點(diǎn)、應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)、車載設(shè)備（包括查詢器、匯聚節(jié)點(diǎn)及其他應(yīng)用接口）、車地?zé)o線通信系統(tǒng)到達(dá)車站安全監(jiān)控中心或是中心控制系統(tǒng)。

線路狀態(tài)感知系統(tǒng)將傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)程序和車載設(shè)備命令采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如軌道應(yīng)力、軸溫、地質(zhì)、氣流等參數(shù)，并把信息發(fā)送至應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)收集通信范圍內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息。當(dāng)有列車經(jīng)過時(shí)，車載設(shè)備發(fā)送查詢信號，應(yīng)答器節(jié)點(diǎn)將統(tǒng)一發(fā)送報(bào)文和傳感信息，或者由車載查詢器查詢應(yīng)答器報(bào)文，匯聚節(jié)點(diǎn)接收傳感信息。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)示意如圖3 所示。

在部分區(qū)間由于傳感頻點(diǎn)過多，不利于有線網(wǎng)絡(luò)的敷設(shè)和延伸，方案采用搭建NB-IoT 基站方式對大量的傳感器信息進(jìn)行采集，減少有線網(wǎng)絡(luò)的搭建成本。在基站接收信息后，通過互聯(lián)網(wǎng)或安全信息的傳輸網(wǎng)上傳至監(jiān)控中心或終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和預(yù)警報(bào)警。

3.2 能耗優(yōu)化

低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)之一，更適用于軌道交通上的線路區(qū)間等人員不易維護(hù)的地方信息采集。由于NB-IoT 通信的設(shè)備傳輸數(shù)量少、頻次低、平時(shí)設(shè)備處于睡眠狀態(tài)，同時(shí)調(diào)整控制器的工作頻率，使NB-IoT 設(shè)備功耗可降低到極低，確保電池可以持續(xù)供電10 年以上，滿足長期免維護(hù)需要。

傳感器的耦合損耗是物聯(lián)網(wǎng)前端的主要能耗主要由兩部分組成：基站側(cè)天線分別至終端和基站接收機(jī)的傳輸損耗，為傳輸過程通過自由空間及天饋系統(tǒng)造成的損耗。當(dāng)增大終端到達(dá)基站側(cè)的功率，耦合損耗減小，但通信范圍扇區(qū)噪聲變大，產(chǎn)生干擾。當(dāng)減小終端到達(dá)基站側(cè)的功率，耦合損耗變大，能耗提升。

當(dāng)區(qū)域軌道交通系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集安全狀態(tài)信息時(shí)，維護(hù)周期應(yīng)盡量延長，方便維護(hù)?？紤]到區(qū)域軌道交通安全狀態(tài)信息采集的物聯(lián)網(wǎng)多數(shù)應(yīng)用處于露天環(huán)境，即使在惡劣環(huán)境下，傳感器終端的電池壽命可超過半年，當(dāng)環(huán)境轉(zhuǎn)好時(shí)，能耗將大幅減少。

3.3 帶寬優(yōu)化

由于區(qū)域軌道交通安全狀態(tài)感知層采集的數(shù)據(jù)繁雜，并且數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容受到感知傳感器的采集能力限制，感知層控制器需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理再傳輸給監(jiān)控中心。這樣可以一定程度上過濾部分無用數(shù)據(jù)，同時(shí)減少前端設(shè)備的上傳數(shù)據(jù)頻率，降低傳輸帶寬要求。

物聯(lián)網(wǎng)感知層采集的部分安全狀態(tài)信息數(shù)據(jù)是可直觀預(yù)測預(yù)警安全狀態(tài)的，對于此類數(shù)據(jù)，方案在前端控制器設(shè)備預(yù)定數(shù)據(jù)限制，數(shù)據(jù)在到達(dá)該限制闕值時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳，監(jiān)控狀態(tài)變化；當(dāng)數(shù)據(jù)未到達(dá)預(yù)警闕值時(shí)，可適當(dāng)增大數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔。

部分無須實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)信息，可在前端控制器進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)，對固定時(shí)間內(nèi)的最大值、最小值、平均值等特征值進(jìn)行上傳。在感知單元可將單控制器采集狀態(tài)信息或多個(gè)采集信息進(jìn)行簡單的統(tǒng)計(jì)和整合。這樣不僅可以減少數(shù)據(jù)上傳流量，同時(shí)可減少單點(diǎn)傳感故障、誤報(bào)產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息。

由于基于物聯(lián)網(wǎng)的安全狀態(tài)信息覆蓋范圍廣、頻點(diǎn)多，在前端控制器進(jìn)行簡單的匯聚整合和處理將極大減少數(shù)據(jù)上傳的流量需求，從而減少大面積覆蓋下多連接引發(fā)的數(shù)據(jù)問題。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，可控制上傳數(shù)據(jù)流量在窄帶物聯(lián)網(wǎng)180 kHz 范圍內(nèi)，同時(shí)優(yōu)化頻點(diǎn)，使通信通道的傳輸更加高效。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)區(qū)域軌道交通中列車狀態(tài)信息、線路狀態(tài)信息、自然環(huán)境信息、客流信息等狀態(tài)信息的特點(diǎn)，研究采用不同的傳感器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻分析和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)采集相應(yīng)的狀態(tài)信息。并搭建基于物聯(lián)網(wǎng)的安全信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用有線網(wǎng)絡(luò)和NB-IoT 基站，對車站內(nèi)和區(qū)間線路上的信息采集數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，形成了安全狀態(tài)信息感知與傳輸方案。該方案采用在控制端對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定闕值、簡單算術(shù)統(tǒng)計(jì)、多點(diǎn)數(shù)據(jù)整合等方法，能夠減少上傳數(shù)據(jù)量和傳輸頻次，降低信息采集耦合損耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，延長感知層前端設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

此外，該方案利用不同類型的傳感器采集軌道交通安全信息，可減少信息數(shù)據(jù)收集的人力工作和誤采集率，并可做到實(shí)時(shí)采集，提高信息采集效率。