基于物联网的区域轨道交通安全状态感知与传输方案研究

宋宗莹，刘结平

（1.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

区域轨道交通系统具有综合性、多维度、协同性等特点，其系统的安全运营将直接影响区域内轨道交通系统的运输能力，其中间环节发生故障将会导致连锁反应，或造成大面积的交通瘫痪。同时区域轨道交通线路长、站点多、易受自然和社会环境影响，所以其综合安全保障显得尤为重要。为保障系统安全性，系统的安全状态需要尽可能被准确、高效地采集和分析，使系统能够及时发现风险源并监控故障发展趋势。

安全状态感知源于态势感知的研究，Endsley（1988）[1]将态势感知定义为：在一定的时空条件下，对环境因素的获取、理解以及对未来状态的预测。态势感知技术可有效辅助决策者在动态复杂的环境中作出准确决策。决策者可借助态势感知的工具对当前环境的连续变化作出分析，了解环境变化态势，预知危险事故的发生或升级[2]。

目前，安全状态感知技术均是面向计算机网络的，利用传感器终端，通信网络等技术实现状态信息的采集和传输。轨道交通系统中，传感网络大量运用在安全监控领域,使得轨道交通安全状态感知与网络安全态势感知技术相结合，对轨道交通安全状态感知的研究具有重要意义。轨道交通安全态势感知是对影响轨道交通安全的诸多要素进行信息获取、数据分析、知识理解、状态评估以及趋势预测，是对轨道交通安全定量分析的一种方法，对预防安全事故、减少人民生命财产损失、保障运营安全具有重要意义，可以产生巨大的社会和经济效益。

1 需求分析

区域轨道交通的综合安全保障是系统性的，不同于单一的城市轨道交通系统或铁路系统的安全状态。在区域轨道交通的协同运输下，客流状态、列车运行状态等因素对多制式轨道交通造成的交叉影响是复杂的。

为完成区域轨道交通的安全运营保障工作，需尽量保证各环节的安全状态信息采集时效性，作为风险态势感知与风险评估的数据信息，因此需要通过建立专用的安全状态信息传输网络将状态信息传递给安全信息分析平台和应急处置管理平台，来保证安全状态信息及时采集。基于安全状态的信息采集与分析，决策层对故障风险进行预警诊断，并提供相应的协同处置措施，从而有效控制风险发展和故障事故的发生。综合安全保证系统逻辑如图1 所示。

图1 综合安全保障系统逻辑图Fig.1 Logic diagram of integrated safety assurance system

安全状态信息采集需针对不同的信息采集装备和所处环境条件，逐步建立和完善安全状态感知的基础设备和系统体系架构。安全状态信息采集需做到重点信息全覆盖、辅助信息可获取，装备不同环境、不同设施、不同专业、不同信息类型的采集设备，提高信息采集覆盖率，有效支撑风险评估和协同决策。目前物联网信息感知技术包括二维码标签和识读器、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M 终端、传感器网关等多种感知手段[3]，灵活布置，并可采集多种类状态信息。

2 安全状态信息采集方案

在区域轨道交通系统中，需要对关乎安全运营的各种信息进行感知和采集。主要采集列车状态信息、线路状态信息、设备设施信息、牵引供电信息、环境信息与客流信息，这些信息直接影响区域轨道的运营安全。

针对上述的安全感知需求，研究基于物联网的信息感知技术。由于部分轨道交通设备现已逐步实现IP 化，在设备中可将自身运行状态数据通过网络传输至管理信息系统或是综合监控系统[4]。针对这些信息感知已完成，研究将其通过传输通道传给信息综合平台进行存储和综合分析。

本研究将列车状态信息、线路状态信息、环境信息、客流状态信息通过基于物联网技术的感知层进行信息感知和采集。

研究将采集对象结合传感器、控制器、执行器形成感知单元[5]，利用标识机制（射频识别[RFID]）标识每一个感知单元，实现安全状态的实时感知。

2.1 列车信息

列车机械部分信息包括车体状态、走形部状态、制动系统状态及牵引动力系统状态[6]。车体均衡系需采集列车平衡状态信息，走形系需采集转向架及轴箱的相应状态信息，制动系需采集制动系统的温度及湿度信息，牵引动力系需采集电动机等牵引部件状态信息。

所部署的传感器主要有走形系的转向架传感器，对转向架的扭动方向及角度进行采集；轴箱复合传感器和轴温传感器，用于检测车辆轮轴速度及温度；车体均衡系的车体均衡性检测传感器，对车体倾斜角度进行采集，简称为车体传感器；振动监测传感器，对列车的震动幅度进行监测和采集；还有制动系的温度传感器，车厢内的烟雾报警传感器。

上述的传感器设备满足列车在途状态检测与安全预警需求，检测列车走行系、牵引系、辅助系、制动系等各车载设备状态和车厢环境信息，并利用网络传输技术将设备状态和环境监测的传感器组网，实现整车装备安全状态信息的釆集、处理和传输。

2.2 线路信息

区域轨道交通系统中，针对路基纵向、斜向裂缝、渗水、衬砌开裂、错台、钢轨变形和轨道下沉等病害，研究应用变形监控值和力学监控值进行控制，对线路的沉降、差异沉降、倾斜、裂缝、应力及应变等为目前工程建设的主要监测项目。

线路信息通过距离和应力传感器进行定期监测和信息采集，综合分析线路上的病害。

2.3 环境信息

列车运行环境信息主要包括：风力信息、雨量信息、雪深信息及地震信息。研究采用不同的传感器配合物联网控制器形成感知单元，每一处感知单元配置特定的RFID 标签，将信息标定通过读取标签信息，实现信息的收集。

1）风监测

区域轨道交通长期处于室外区间线路状态，列车的高速运行会对风力的感知变得敏感。大风可能使线路周围的异物侵入，会影响高大铁塔、综合监控摄像机、接触网等设备稳定性，从而影响行车。

针对轨道交通线路特点，可采用机械式风传感器、超声波式传感器及热场式风力传感器对区间环境的风力进行采集和感知。

风监测设备主要是机械室、超声波式以及热场式风速风向传感器。

2）雨量监测

环境雨量过大会造成轨道面湿滑，影响列车行驶稳定性，造成安全隐患。雨量监测设备主要有压电式、微波式雨量传感器。

3）雪深监测

雨雪对列车安全影响基本一致，大雪更易结冰，严重影响列车安全。本方案雪深采集设备均采用激光式雪深计。通过发射的红外激光，对探头至测量平面的传播时间进行计算，推算积雪深度。

4）地震监测

地震对轨道交通列车运行会造成极大安全隐患，地震预警设备与列车控制系统相连，作为影响行车的控制信息，方案采用力平衡式地震加速度计进行地震信息采集，将信息同时传递给中心分析安全状态。

2.4 客流信息

客流量监测技术主要是基于运动目标智能跟踪与识别核心技术为基础的数据处理技术，利用基于多传感器的数据融合技术和智能视频分析技术[7]，可进行客流监测数据网络化采集系统，智能化精确采集客流量、客流方向、客流速度、客流密度等客流信息。

在车站站厅、站台、换乘通道、出入口各主要人流密集区域部署视频摄像头和相应红外传感器，实现分区域客流数据采集功能，可实时准确检测和获取大客流冲击站点出入口客流状态、换乘通道客流量、站台乘客状态及密度等实时监测数据。

3 安全状态信息传输网络方案

针对区域轨道交通安全状态感知信息的采集问题，由于采集信息众多而繁杂，本方案利用窄带物联网（NB-IoT）技术采集不同专业的安全状态信息。

为满足在区域轨道交通不同站点、线路区间场景的信息采集和传感连接需求，方案考虑运用低功耗广域网络（Low Power Wide AreaNetwork，LPWAN）技术。在诸多LPWAN 技术标准中，基于授权频谱的NB-IoT 技术标准因其特有的低成本组网方式、低能耗、广覆盖深覆盖、超大连接能力、低带宽优势更加适应我国铁路行业的安全状态感知研究[8]。

3.1 传输组网方案

利用物联网技术，结合有线通信网络，搭建安全信息采集传输网，在车站和部分区间通过交换机和光缆方式进行组网，对部分区间采用NB-IoT 基站方式进行信息的采集。

区域轨道交通安全信息传输网是安全综合监控系统的网络数据传输通道。从物理角度看，网络系统由3 部分组成：现场层网、局域网和骨干网。其网络拓扑如图2 所示。

图2 网络拓扑图Fig.2 Network topology

在现场层面，车站内各个传感器或是关键设备采集接口，通过现场层网络连接起来，然后汇集到车站级局域网，各车站局域网络通过骨干网将车站设备连接起来传送到中心控制系统。区域轨道交通安全信息骨干传输网络由通信专业提供百兆带宽来构建。在监控中心与各车站通过双以太网通道传输安全状态信息，实现安全监控系统互联。

监控中心和各车站分别组建中心级和车站级局域网，组成安全信息骨干网，完成区间至车站，车站至中心的信息传输工作。

中心级局域网采用冗余配置千兆以太网交换机组网，车站级局域网采用冗余百兆以太网交换机组网。

1）中央级局域网

中央级局域网为冗余的工业级千兆交换机组网，符合国际通信数据网标准，采用通用的数据网TCP/IP 协议；可采用模块化千兆工业以太网交换机，分别配置千兆和百兆以太网接口；配置千兆以太网接口(RJ-45，10/100/1 000 M 自适应)连接系统分析服务器、历史数据服务器、存储服务器等；配置百兆以太网口(RJ-45，10/100 M 自适应)连接各骨干网络节点形成网络以太网通道、连接工作站、终端、网络安全等其他设备；监控中心互联的系统利用百兆以太网接口接入通信控制器。

2）车站级局域网

车站级局域网为冗余工业级百兆交换机组网。同样符合国际通信数据网标准，采用通用的数据网TCP/IP 协议；通过百兆以太网接口连接骨干网络，并同时组建车站层局域网；通过百兆以太网接口连接车站监控工作站、终端和其他设备。

在线路上，将部分传感器与应答器结合。安全状态信息通过传感器节点、应答器节点、车载设备（包括查询器、汇聚节点及其他应用接口）、车地无线通信系统到达车站安全监控中心或是中心控制系统。

线路状态感知系统将传感器节点根据节点预设程序和车载设备命令采集环境数据，如轨道应力、轴温、地质、气流等参数，并把信息发送至应答器节点。应答器节点收集通信范围内所有传感器节点发来的信息。当有列车经过时，车载设备发送查询信号，应答器节点将统一发送报文和传感信息，或者由车载查询器查询应答器报文，汇聚节点接收传感信息。无线传输网络示意如图3 所示。

在部分区间由于传感频点过多，不利于有线网络的敷设和延伸，方案采用搭建NB-IoT 基站方式对大量的传感器信息进行采集，减少有线网络的搭建成本。在基站接收信息后，通过互联网或安全信息的传输网上传至监控中心或终端进行数据处理和预警报警。

3.2 能耗优化

低功耗特性是物联网应用的关键指标之一，更适用于轨道交通上的线路区间等人员不易维护的地方信息采集。由于NB-IoT 通信的设备传输数量少、频次低、平时设备处于睡眠状态，同时调整控制器的工作频率，使NB-IoT 设备功耗可降低到极低，确保电池可以持续供电10 年以上，满足长期免维护需要。

传感器的耦合损耗是物联网前端的主要能耗主要由两部分组成：基站侧天线分别至终端和基站接收机的传输损耗，为传输过程通过自由空间及天馈系统造成的损耗。当增大终端到达基站侧的功率，耦合损耗减小，但通信范围扇区噪声变大，产生干扰。当减小终端到达基站侧的功率，耦合损耗变大，能耗提升。

当区域轨道交通系统运用物联网技术来采集安全状态信息时，维护周期应尽量延长，方便维护。考虑到区域轨道交通安全状态信息采集的物联网多数应用处于露天环境，即使在恶劣环境下，传感器终端的电池寿命可超过半年，当环境转好时，能耗将大幅减少。

3.3 带宽优化

由于区域轨道交通安全状态感知层采集的数据繁杂，并且数据类型、内容受到感知传感器的采集能力限制，感知层控制器需要对采集数据进行一定的预处理再传输给监控中心。这样可以一定程度上过滤部分无用数据，同时减少前端设备的上传数据频率，降低传输带宽要求。

物联网感知层采集的部分安全状态信息数据是可直观预测预警安全状态的，对于此类数据，方案在前端控制器设备预定数据限制，数据在到达该限制阙值时进行实时上传，监控状态变化；当数据未到达预警阙值时，可适当增大数据上传的时间间隔。

部分无须实时上传的数据信息，可在前端控制器进行简单统计，对固定时间内的最大值、最小值、平均值等特征值进行上传。在感知单元可将单控制器采集状态信息或多个采集信息进行简单的统计和整合。这样不仅可以减少数据上传流量，同时可减少单点传感故障、误报产生的错误信息。

由于基于物联网的安全状态信息覆盖范围广、频点多，在前端控制器进行简单的汇聚整合和处理将极大减少数据上传的流量需求，从而减少大面积覆盖下多连接引发的数据问题。

在数据预处理后，可控制上传数据流量在窄带物联网180 kHz 范围内，同时优化频点，使通信通道的传输更加高效。

4 结束语

本文根据区域轨道交通中列车状态信息、线路状态信息、自然环境信息、客流信息等状态信息的特点，研究采用不同的传感器、网络监控系统、视频分析和数据融合等技术采集相应的状态信息。并搭建基于物联网的安全信息传输网络，利用有线网络和NB-IoT 基站，对车站内和区间线路上的信息采集数据进行上传，形成了安全状态信息感知与传输方案。该方案采用在控制端对采集数据进行设定阙值、简单算术统计、多点数据整合等方法，能够减少上传数据量和传输频次，降低信息采集耦合损耗，优化网络传输带宽，延长感知层前端设备的电池续航时间。

此外，该方案利用不同类型的传感器采集轨道交通安全信息，可减少信息数据收集的人力工作和误采集率，并可做到实时采集，提高信息采集效率。