列车转向架传感器无线组网仿真研究

2023-11-06冯东，冯叶

控制与信息技术 2023年5期

冯东，冯叶

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲 412001）

0 引言

无线传感网络是一种自组织、分布式的无线网络，由大量无线传感器组成，用来感知、采集、处理其覆盖区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给应用层［1］。受益于无线通信技术、计算机技术和微电子技术的发展，无线传感器技术的发展也非常迅速，已经在农业、工业和医疗等领域进行了大量应用［2-4］。

在轨道交通领域，列车的转向架、制动系统、变流器和车钩等关键部件都需要大量的传感器进行状态实时监测。其中，转向架的状态监测是列车整车健康监测的重要环节［5］，每个转向架部署有轴温监测、失稳检测、平稳检测和振动冲击监测等大量监测点，导致传感器的布线复杂、维护困难。

采用无线传感网络则无需布线，减少安装部署的成本和时间，同时避免了线间串扰和接触不良等问题引起的通信故障，使部件运维检修更加方便。而网络系统方案的设计需要对通信性能、组网拓扑、网络容量等参数进行大量的测试验证，周期长、成本高。为了解决这个问题，可利用网络仿真工具来辅助方案设计。网络仿真工具可以针对不同的通信技术、网络拓扑、节点数量进行快速建模，对网络的功能、性能等指标进行验证［6］，从而评估出满足需求的最佳网络系统方案及参数，大大提升方案设计与验证的效率。

本文对列车转向架传感器类型、数量、部署位置和传输速率等需求进行分析，利用网络仿真工具NS2（Network Simulator2）构建了基于IEEE 802.15.4 标准及改进后自组织按需距离向量（Ad Hoc on-demand distance vector，AODV）路由协议的列车转向架无线传感器网络模型，并对其通信中断后重新连接的时间、传输速率、丢包率、通信延时等重要指标进行了仿真验证，为列车转向架传感器无线组网方案的设计提供了依据。

1 列车转向架状态监测系统

1.1 功能需求

列车转向架的状态监测是列车在途健康监测的重要环节。以动车组的动力车厢为例，一个车厢有2个转向架，每个转向架部署有轴温监测、失稳检测、平稳检测、振动冲击监测等多达20个监测点，如图1所示，图1的左下角为列车转向架与传感器实物图。列车转向架状态监测传感器的种类和数据采集需求如表1所示。

表1 列车转向架传感器数量、类型与传输周期Tab.1 Number， type and transmission cycle of train bogie sensors

图1 列车转向架状态监测传感器分布Fig.1 Distribution of status monitoring sensors for train bogie

1.2 系统拓扑

列车转向架状态监测系统拓扑见图2。转向架的所有状态监测传感器通过线束、管状端子、连接器接入列车车厢内的监测主机上，将监测数据周期性地发送给监测主机。由于转向架的状态监测传感器较多，又有连接器，所以单节车厢转向架传感器的线束数量多达200多根，最长线束可达20 m。

图2 列车转向架传感器有线组网Fig.2 Wired networking of train bogie sensors

由于转向架位于车底，线束、连接器的安装部署难度较大、耗时较长，导致部署成本高。同时，转向架位置的电磁干扰也会对线束中传输的模拟信号产生影响，导致信号畸变，引起通信故障。

1.3 列车转向架传感器无线组网

1.3.1 无线技术

可用于无线传感网的无线通信技术很多，本文对常见的几种技术进行了对比，如表2所示。

表2 无线通信技术对比Tab.2 Comparison of wireless communication technologies

通过对常见无线通信技术的对比分析，结合列车转向架传感器的实际工程需求，本文选择ZigBee作为列车转向架无线传感网的无线通信技术，其具备可靠性高、成熟度高、功耗低、成本低和抗干扰强等特点。

1.3.2 无线组网拓扑

列车转向架状态监测传感器的无线组网拓扑如图3所示。其中，每个转向架系统构成一个无线传感网，采用簇状组网的方式，1个网络内有1个汇聚节点、多个路由节点和多个终端节点。

图3 列车转向架传感器无线组网拓扑Fig.3 Topology of wireless networking for train bogie sensors

路由节点、终端节点和汇聚节点之间采用ZigBee进行无线组网和通信，路由节点和终端节点都是传感器节点，将采集的数据通过路由节点传输至汇聚节点，再由汇聚节点通过以太网线传输至监测主机。每个无线传感器配有振动能量收集器和可充电电池，可为无线传感器供电。

对比图2 与图3，无线组网方案下，传感器与监测主机之间的线束及连接器都被省去，只需保留汇聚节点与监测主机之间的2 条线缆，大大降低了布线难度和部署成本。

2 无线网络仿真设计

2.1 仿真环境

本文采用网络仿真工具NS2对列车转向架传感器无线网络进行仿真。NS2 是一个代码开源、可扩展、可编程的网络仿真引擎，可使用的无线网络模型较多，可以模拟网络各层的相关算法和报文处理逻辑，仿真效果更接近实际场景，且具备完善的可视化结果统计功能，可用于有线及无线网络的仿真［7-8］。

2.2 仿真模型

基于所设计的列车转向架状态监测传感器无线组网方案，利用NS2进行仿真建模。由于单节车厢的2个转向架的无线传感网络功能和结构一样，所以本文只对1个转向架的无线传感网络进行仿真。

网络仿真的拓扑如图4 所示，由1 个汇聚节点、4个路由节点、20 个终端节点组成，其中0 为汇聚节点，1、7、13、19为路由节点，其余为终端节点。汇聚节点与路由节点之间相距10 m，路由节点与相邻终端节点之间相距10 m，节点之间的有效通信距离设置为14 m。通信过程主要是终端节点通过路由节点，将采集到的数据发送到汇聚节点。

图4 列车转向架无线传感网络仿真拓扑Fig.4 Simulation topology of the wireless sensor network for train bogie

无线传感网络的协议栈如图5所示，包含物理层、数据链路层、网络层和应用层。仿真模型的物理信道采用无线信道模型，物理层和数据链路层均符合IEEE 802.15.4标准的要求，网络层选择AODV协议，应用层选择基于UDP协议的CBR应用报文进行通信。

图5 列车转向架无线传感网络协议栈Fig.5 Wireless sensor network protocol stack for train bogie

2.3 路由协议

2.3.1 路由协议选择

路由协议工作在网络层，主要作用是将数据以最佳路径送到目的节点，传统的基于IEEE 802.15.4标准的路由协议可分为表驱动路由协议、按需路由协议和混合式路由协议3种［9-11］，特点如下：

（1）表驱动路由协议。不管是否有数据需要传输，每个节点需周期性广播和接收路由信息来维护路由表。优点是有数据发送时随时可获得路由，时延较小；缺点是节点在无需通信时也要发送大量路由报文来维护路由表，开销较大。代表协议包括OLSR、DSDV等。

（2）按需路由协议。不需要周期性发送路由维护报文，有数据通信需求时，才建立对应的路由表。优点是节省网络资源及电量消耗；缺点是初次发送或路由变化时，需要重新建立路由表，时延较大。代表协议包括AODV、DSR等。

（3）混合式路由协议。由表驱动路由协议和按需路由协议组合而成，小范围局部使用表驱动路由协议，区域间使用按需路由协议。该类协议实现了上述两种协议的优势互补，但协议比较复杂，适合大型网络。代表协议包括HWMP、ZRP等。

由于列车转向架状态监测传感器的无线网络结构相对简单，网络节点数量相对较少，对实时性要求不是很高，对功耗非常敏感，且传感器算力有限，所以计算复杂的混合式路由协议并不适用。同时，列车转向架无线传感器节点的数量及位置固定，传输路径也不会变化，所以不需要频繁更新路由表，可以采用按需路由协议，在节点需要发送数据时，才建立路由表，该路由表只包含传输路径所在的节点，而不是所有可达节点，建立或更新路由表所需发送的报文较少，效率更高，功耗更低。在网络结构相对简单、拓扑不变的情况下，传输路径固定不变，节点的路由表可以复用，不需要每次发送数据前都重新建立。基于以上分析，本文采用按需路由协议中较为经典的AODV 协议进行研究与仿真。

2.3.2 AODV协议介绍

AODV 协议是按需路由协议，只在需要时才建立路由，通过维护每个节点到目的节点的距离向量来选择最佳的路由，其路由建立过程分路由发现和路由维护两个阶段［12-13］。

相较于其他按需路由协议，AODV 协议只需要建立一条到目的节点的有效路径并进行维护，路由维护开销较小。同时AODV协议也存在一些问题，首先，在路由发现过程中，会无差别广播RREQ 请求给所有邻居节点，显著增加网络负荷，也增加了能量消耗。其次，RREQ 报文的生存周期较长，在已到达目的节点情况下，也会被其他无关节点转发，造成资源浪费。最后，一旦心跳报文超时，即使路由表中的信息还未失效，也将被删除［14-15］。

针对AODV 的特点及存在的问题，结合实际应用，本文对AODV协议进行了一些优化与改进。

2.3.3 AODV协议改进

本文通过以下3 个方法对AODV 协议进行优化，旨在降低数据传输的丢包率和端到端时延。

（1）基于路由超时机制的优化方法。AODV 协议采用路由超时删除机制，一旦超过有效时限，路由信息将被删除。结合考虑本文的应用场景，所有节点均安装在固定位置，不会移动，因此可以考虑通过优化路由超时机制来减小处理路由失效产生的开销。将超过时效的路由信息存起来，而不是直接删掉，当某个节点需要发送应用数据时，先查路由表，如果路由表中存在到达目的节点的有效路径，则直接发送；如果路由表中存在到达目的节点的路径，但已经过期，则可以利用此过期路由给中间节点发送RREQ 报文，中间节点若有可用路由直接回复RREP，若中间节点没有可用路由则将RREP 逐跳转发至目的节点，由目的节点回复RREP。该方法不删除过期路由，而是将其存放起来方便迅速发现到目的节点的路由，可以减少RREQ 报文的发送量，加快路由发现速度。

（2）基于RREQ生存周期的优化方法。RREQ的生存周期的初始值为固定值，如果初始值设置不合理，RREQ会在网络中反复多次传输，造成网络负担，并且针对不同的网络规模需要人工设置合理的初始值。结合本文应用场景，可以考虑优化RREQ的生存周期，自动满足不同规模的网络。组网后第一次发送RREQ时，将生存周期设置成一个较小的初始值，网络基于该值进行路由发现。如果一段时间后没有收到RREP，则逐步增大RREQ 的生存周期，再次发送，直到收到RREP后，将当前值作为RREQ 的生存周期值，减少无效RREQ在网络中的反复多次传输，从而降低网络负荷。

（3）基于RREQ 传播方向的优化方法。AODV 协议进行路由发现时，会无差别广播RREQ 包给所有相邻节点，相邻节点继续广播给其他节点，即便RREQ已经传输到目的节点，也会被其他节点接收和广播，造成网络资源浪费。本文设计的无线传感网采用簇状组网的方式，每个终端节点将采集的数据发送给簇头（路由节点），路由节点再发送给自己的簇头（汇聚节点）。因此，在识别各自簇头节点的基础上，可以让终端节点先只给路由节点发RREQ 分组，路由节点再将RREQ 转发至汇聚节点，从而快速发现一条较优的传输路径，减少非关联节点对RREQ 的传播，加快路由发现，降低传输时延。当原路由失效时，终端节点再重新广播RREQ，发现其他可代替的路由，防止通信中断。

3 仿真结果

基于本文设计的网络模型，对原AODV协议以及改进后AODV 协议的通信性能指标进行仿真验证与对比分析。性能指标主要包括通信中断重新建立时间、丢包率和端到端时延。

3.1 通信中断重新建立时间

通信中断重新建立时间指的是网络因节点故障或其他各种因素导致原有通信中断到重新成功建立通信的时间间隔长度，是衡量网络健壮性的重要参数。

由于NS2 工具无法模拟节点异常重启这类故障，所以本文通过将节点快速移动到有效通信距离外再移动回原位置的方式，模拟节点异常重启导致的通信中断。为了避免移动过程中通过其他节点重新建立到汇聚节点的通信路由，仿真时根据图4 的网络拓扑和配置参数简化了网络模型。

仿真总时长为100 s，各终端节点作为源节点，汇聚节点为目的节点，在20 s 时，源节点以50 包/s 的速率向目的节点发送大小为80字节的CBR应用数据包，在40 s时，移动路由节点到信号覆盖范围之外，使得终端节点通信中断；等待5 s（模拟节点硬件重启和软件重启所需的时间）后，再将路由节点移回到原始位置，让对应的终端节点重新建立起到汇聚节点的通信路由。将4个路由节点都移动一次，分别记录对应的终端节点的通信中断重新建立时间，其中路由节点1 移动过程如图6所示。

图6 通信中断重新建立过程中，路由节点1 移动过程Fig.6 Movement process of routing node No.1 during communication interruption and reestablishment

原AODV 协议和改进后AODV 协议的通信中断重新建立时间仿真结果如表3所示。

表3 各节点通信中断重新建立时间Tab.3 Communication interruption and reestablishment time of each node

根据仿真结果，采用AODV 协议时，各个终端节点的通信中断重新建立时间平均值为7.8 s；而采用改进后AODV协议，各个终端节点的通信中断重新建立时间平均值为5.3 s，缩短了约32%，增强了网络在节点异常时的快速恢复能力。

3.2 丢包率

丢包率指的是数据包在传输时丢失的个数与实际发送的个数的比值，是衡量网络传输可靠性的重要参数。

仿真总时长为100 s，随机选择若干终端节点作为源节点，汇聚节点为目的节点。从第20 s 开始，源节点分别以50 包/s、20 包/s、10 包/s的速率向目的节点发送大小为80 字节的CBR 应用数据包。不同速率下，原AODV 协议和改进后AODV 协议的丢包率仿真结果如表4所示。

表4 各节点在不同发包速率下的丢包率Tab.4 The packet loss rate of each node at different sending rate

从仿真结果看，采用改进后AODV 协议后，丢包率总体优于原AODV 协议。在50 包/s 速率下，平均丢包率从1.76%降低到0.23%；在20 包/s速率下，平均丢包率从0.92%降低到0.18%；在10 包/s速率下，平均丢包率从0.30%降低到0.20%。可见，通过改进AODV协议，丢包率下降了50%以上，且发包速率越高，丢包率下降越明显。

正常工作时，每个节点除了发送监测数据外，还需要转发路由维护报文，相互间存在信号冲突，导致数据传输失败。信号冲突存在随机性，冲突严重的节点丢包率大，冲突少的节点丢包率小，节点间差距大。

路由协议优化后，减少了路由维护报文的开销，使得信号冲突概率大大降低，整体丢包率下降，节点间差距变小；但也可能存在部分节点，在原AODV 协议下受冲突影响小，几乎不丢包，而协议优化后丢包率反而略有上升，比如节点6 和节点24，丢包率从0.067%上升到了0.647%，这也进一步验证了NS2较为接近真实场景。

3.3 端到端时延

端到端时延指的是数据包从源节点发送到目的节点所需的时间，是衡量网络通信质量的重要参数。

仿真总时长100 s，随机选择若干终端节点作为源节点，汇聚节点作为目的节点。从第20 s 开始，源节点以50 包/s、20 包/s、10 包/s的速率向目的节点发送大小为80 字节的CBR 应用数据包。不同速率下，原AODV协议和改进后AODV 协议的端到端时延仿真结果如表5所示。

表5 各节点在不同发包速率下的端到端时延Tab.5 End-to-end latency of each node at different sending rate

从仿真结果看，采用改进后AODV 协议后，在50 包/s 速率下，平均端到端时延从20.18 ms 降低到13.63 ms；在20 包/s 速率下，平均端到端时延从30.83 ms 降低到15.19 ms；在10 包/s 速率下，平均端到端时延从44.78 ms 降低到13.71 ms，平均降低了50%以上。

从ZigBee网络的原理分析可知，通信延时主要受3个因素的影响。第一个因素是路由选择，路由发现越快、路径越短，延时越短；第二个因素是信号冲突，ZigBee 采用载波监听、冲突避免的机制，在发送数据前，需要先监听信道是否空闲，如果信道空闲，则继续发送；如果信道不空闲，则等待一段随机的时间，导致延时增大。第三个因素是缓冲时间，待发送的报文会先放到发送缓冲区，再一个个发出去，在缓冲区等待时间越长，延时越长。路由协议优化后，加快了路由发现的速度，降低了信号冲突的概率，所以整体的通信延时减小，节点间的差距也变小。

分析不同发包速率下的传输时延，发包速率越快，信号冲突的概率越高，原AODV 协议下，信号冲突的情况比较多，发包速率对因素二的影响并不明显，反而对因素三的影响较为明显，即发包速率越快，缓冲等待时间越短，通信延时也越短。而对于优化后的AODV协议，网络中的发包冲突减少，发包速率对因素二和因素三均有明显影响，即发包速率越快，缓冲等待时间越短，同时信号冲突导致退避等待的时间越长。两个因素综合影响下，不同发包速率下的通信延时差不多，且部分节点（节点6 和节点24）存在10 包/s 和50 包/s 发包速率下的平均时延（15 ms）比20 包/s发包速率下的平均时延（22 ms）小的情况。