浅谈基于物联网技术的铁路环境监测体系

王娜

(郑州铁路局计划统计处，河南 郑州 450052)

1 铁路环境监测的现状与难点

国家对环境保护与节能减排工作高度重视，但整个铁路系统的环境管理与监测工作仍显滞后。环境监测是一个系统工程，涉及到环境信息的采集、整理、处理，环境指标的统计、汇总、评价等各个方面，其中的系列因素和指标具有多维性、复杂性，而且是动态变化的，同时所涉环境越复杂，产生的数据量就越大。铁路各个部门虽有大量的数据资源，但它们都是孤零零的存在，没有与信息技术相结合，不能得到集中统一调用，数据的利用率极低，环境因素的多学科特点和大量纷繁的零散数据与环境管理应具有的现代科学水平形成了鲜明的差距。所有这些众多、繁杂的数据都需要进行高速、高效地采集，并在不同部门、人员之间快速地流转，才能促进环境管理工作顺利进行。因此，铁路环境管理与监测信息化，构建基于物联网的铁路环境监测体系，有助于高效率地实现对环境数据的采集、流转、汇总和计算。

2 信息技术的重要性与物联网的适用性

信息技术的充分利用，使得各类信息在社会生活中实现高速流动和方便的共享，从而使得我们可以对社会生产资源进行精细的管理和高效的运用，推动传统产业不断升级，提高社会劳动生产率和社会运行效率。

物联网，The Internet of things，是新一代信息技术的重要组成部分，它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，是当今最热门、最前沿的产业［1］。“物联网”的实现无须人为操作各类传感器。这样的特点尤其适合于基于信息采集的系统，原因主要有五个方面:(1)无需人为干预:不再需要特定人员进行手工采集和计算机录入;(2)无需环境要求:可以自由选择适合各类特殊环境(如高热、高寒、高湿等)条件下的传感器，减少人为活动的风险与开支;(3)丰富的信息采集终端:不论是空气质量数据，还是水文、光照、温度、湿度数据，或是音、视频数据，都有成熟的产品可供选择;(4)广泛的地域覆盖:目前，我国的信息通信网络建设水平已有相当规模，这为我们推行物联网的建设提供了有利客观条件;(5)基于标准化，可扩展:物联网是全球公认的未来“万特互联”的网络，其相关标准均由国内、国际组织参与制订，有效保证了适用性、标准化和扩展性［2］。

3 铁路环境监测物联网构想

3．1 总体应用架构

整个系统主要由应用层、平台层、传输层及感知层四部分组成。见图1。

图1 总体应用构架

3．1．1 感知层

由各类物联网终端设备组成，主要有:①空气质量传感器，用于实时采集大气质量数据信息;②温、湿度传感器，用于实时采集温、湿度数据信息;③光照传感器，用于实时采集光照数据信息;④音、视频采集设备，用于实时采集音、视频媒体流。

3．1．2 传输层

本设计中物联网的传输层实际上包含两个层面:传感器互联与网间通信。

物联网传感器均支持ZigBee协议，此协议是传感器互联的基础协议，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，特别适合环境数据采集应用“单次传输数据量小、采集频度高”的特点。见表1。

由表3可知，用F-value值作分类器的评价标准时，LLRKNN算法比KNN算法提高8.7%～32%，说明LLRKNN算法对不平衡数据分类的性能要优于KNN。各个数据集的标准差值LLRKNN算法比KNN算法小，说明LLRKNN算法有更好的鲁棒性。从图2可以看出各数据集五次实验的F-value值分布，也可看出LLRKNN算法更稳定。

表1 各类无线传输技术对比

感知层的传感器以ZigBee协议组网，再通过传输层的ZigBee网关接入到传统的IP通信网，以有线网络(LAN、WAN等)或无线网络(WIFI、3G、4G等)为承载网，将感知层的数据传送到平台层。

3．1．3 平台层

平台层包含数据存储平台和数据加工平台，前者提供数据的安全存储，后者则对存储的数据进行加工处理，以备业务系统提取。

在数据的存放和访问方式上，一般建议采用SAN(Storage Area Network，存储区域网络)架构的数据存储与访问方式。一方面，SAN架构提供了非常成熟的产品和非常高的性能;另一方面，采用SAN技术可实现数据远距离的共享和存储系统的平滑升级。SAN具有以下两个显著特点:一是SAN的扩展能力非常强［3］。SAN采用网络结构搭建，不受地域和空间限制，允许任何一个服务器访问存储网络上的任何一个存储设备，用户可以按自身需求自由增加磁盘阵列、带库和服务器等设备，增大整个系统的存储空间和处理能力。二是SAN的连接速度和处理能力非常高［3］。见图2。

图2 数据存储平台逻辑结构

数据加工平台则是由计算机、服务器设备组成。为了满足大分布、高扩展性的要求，数据处理系统一般分为三个层次:访问层、应用层和数据层。见图3。

访问层即是由各工作站组成，为数据访问的发起点。

数据层为数据抽取及写入层，负责为应用层提供请求的数据，并将应用层的写入指令执行到具体的数据操作层面。

图3 数据处理与调用逻辑结构

3．1．4 应用层

应用层面为具体的业务操作及展现层，负责为各级使用人员提供访问入口，以及模块化业务操作空间，同时还应提供权限的审核与管理。

业务应用软件将按照具体的业务要求进行设计，未来所有的环境监测、管理、考核、评价工作将在此业务框架内执行。

3．2 工作流程

整个基于物联网的铁路环境监管体系框架见图4所示，下面将按照自下而上的数据流转流程进行说明。

3．2．1 信息采集

通过各类物联网终端传感器、网络图像采集设备，对环境资料数据实时采集。传感器把模拟信号转换成数字信号，以便进行后续的网络传输和计算机加工、处理。

图4 基于物联网的铁路环境监管体系框架

3．2．2 信息传输

通过各类传输线路，如 LAN、3G/4G、WIFI、WAN等网络，将前端采集到的数据传输到后端的数据处理平台。也可以先在采集端对数据格式化后再传输到后端的数据处理平台。

3．2．3 信息归档、加工与处理

后端的数据中心将前端传送过来的数据分类、归档、储存，提供给数据加工服务器加工处理。按照业务软件处理模块及分工，对数据汇总、加工和处理，以备业务软件提取。

3．2．4 信息展现与管理

根据业务系统的分析数据、处理结果等信息，形成环境管理工作中“实时监测模块”、“环境评估模块”、“绩效考评模块”等具体功能模块所需的计算结果，并按照业务软件中设定的工作流程流转至相应的部门及个人。所有展现出来的业务数据或报告，将构成铁路环境管理工作成效考核的参照体系。

4 结语

在铁路环境管理工作各个层面、各个部门引入信息化支持，将极大地提高环境管理工作效率，极大地缩小地理、天气、时间等不利因素给环境管理工作带来的困扰，使得环境管理工作真正插上信息化的翅膀，实现高速、高效、优质地完成，从而提升我国铁路环境保护与节能减排工作水平，在为人民群众出行服务的同时，创造无可估量的社会效益。

［1］ 工业和信息化部电信研究院．物联网白皮书(2011年)［R］．北京:工业和信息化部电信研究 院，2011．

［2］ 工业和信息化部电信研究院．物联网白皮书(2014年)［R］．北京:工业和信息化部电信研究院，2014．

［3］ 戴园生，周丽萍．钢铁企业MES系统中的数据存储技术及其应用［J］．江西冶金，2008，28(5):35-39．