基于ZigBee传感器网络的渝高速铁路外部环境安全监测系统研究

刘韵

【摘 要】在高铁经济快速发展的过程中，运行安全是极为重要的前提，没有良好的安全保障，高铁建设将无从谈起。本文根据重庆地区的复杂地形及气候特征，从线路基础设施、自然环境与灾害等可能引起高速铁路安全隐患的外部因素入手，结合嵌入式技术和4G通信技术，对基于ZigBee无线传感器网络的重庆高铁外部环境安全监测系统的建设进行了研究与探索，以弥补现有环境监测系统灵活性差、布线复杂、监测范围受限、建设成本高等缺陷，对于降低重庆高铁运行风险指数、提高安全运行能力有着重要的现实意义。

【关键词】高速铁路；安全监测；ZigBee；传感器网络

中图分类号： TP274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0020-002

Research on the External Environment Safety Monitoring System of Handan High-speed Railway Based on ZigBee Sensor Network

LIU Yun

（Chongqing Industrial and Commercial College，Chongqing 401520，China）

【Abstract】In the rapid development of the high-speed rail economy，operational safety is an extremely important prerequisite.Without good safety and security，the construction of high-speed rail will be impossible.Based on the complex terrain and climatic characteristics of Chongqing area，this article starts with the external factors that may cause safety hazards in high-speed railways such as line infrastructure，natural environments and disasters，and combines embedded technology and 4G communication technologies with Chongqing High Speed Rail based on ZigBee wireless sensor networks.The research and exploration of the external environmental safety monitoring system has been carried out to compensate for the defects of poor flexibility，complicated wiring，limited monitoring range，and high construction cost of existing environmental monitoring systems.It is important for reducing the risk index of high-speed railways in Chongqing and improving the safe operation capability.The practical significance.

【Key words】High-speed railway；Safety monitoring；ZigBee；sensor network

党中央、国务院把握国内外大势作出实施丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路战略（即“一带一路”战略）的重大战略决策。在贯彻落实“一带一路”战略中，重庆地方战略的重点之一就是通过提升对外大通道能力和完善内部综合交通网络，着力构建以铁路、水运为骨干，公路为基础的综合立体交通网络。其中，“一枢纽十四干线”的铁路网，总里程将达到3000公里，在成都、西安、昆明、长沙、郑州等主要对外通道方向上都将建设高速铁路[1]。随着重庆高速铁路（简称“高铁”）的快速发展，列车时速大幅提升，如成渝高铁主力车型CRH380D型高速动车组的最高时速已达380公里/小时。在高铁经济快速发展的过程中，运行安全是极为重要的前提，没有良好的安全保障，高铁建设将无从谈起。如何最大限度地预防和减少各类自然灾害对高铁安全的影响，是铁路技术创新必须长期关注的一项重大课题[2]。

而重庆地区复杂的地形与气候特征所引发的自然灾害和突发事故对高速运行列车的危害极大，暴雨、强风、洪涝等因素都有可能导致铁路运行出现危险，甚至车毁人亡，后果不堪设想。因此，从线路基础设施、自然环境与灾害等可能引起高速铁路安全隐患的外部因素入手進行高铁外部环境安全监测系统的研究，对有效地提升重庆高铁运行安全指数有着重要的理论意义和实用价值。

1 高铁外部环境安全监测系统监测内容

（1）线路基础设施监测内容

1）轨温监测

重庆大部分地区夏季气温极高、日照强度大，钢轨受气温影响轨温变化较大。而轨温的变化将改变无缝钢轨温度应力的大小与分布，对无缝轨道的强度和稳定性的产生重要影响。若钢轨温度应力过大，轻则影响轨道的几何平顺性，重则引发胀轨跑道等严重事故。因此，利用轨道温度传感器模块对轨温变化进行实时监测是保证高铁行车安全的重要保障之一。

气温是影响轨温变化的主要因素，一般认为70km范围内的气温几乎相同[3]，因此应在高铁沿线以70km为间隔设置轨温监测装置，沿途如山坡、桥梁、隧道等特殊路段可根据实际情况增设监测点，以此保证管理中心对轨温实时变化情况的掌握。

2）桥梁沉降监测

重慶地区江河资源丰富，高铁沿线有较多大跨度的轨道桥梁。尽管在高铁铁路的设计中已经对不均匀沉降进行了考虑[4]，然而由于过量开采地下水等人为因素和气候环境变化等自然因素均，都有可能导致轨道桥梁产生超过预期的不均匀沉降量，尤其是桥墩及路桥过渡区等特殊地段。一旦出现过度的沉降，即会改变路基承载力，影响轨道的结构及平顺性，从而引发行车的安全隐患。

（2）自然环境参数监测内容

1）雨量及洪水监测

重庆地势多山坡、丘陵，有长江干流自西向东横贯全境，支流纵横交错，降雨丰沛。因此容易因汛期暴雨而发生洪涝灾害。而暴雨和洪水对沿线路堤的侵蚀、对轨道桥梁的冲击，以及暴雨引发的山体崩坍和滑坡等灾害，都将威胁到高铁的行车安全。因此，必须利用雨量计、水位仪、洪水监测仪、撞击监测器等设备构成数据采集模块，实时监测雨量及洪水情况。

2）风向风速监测

重庆地处四川盆地，四周高山环绕，因此不易出现极端狂风。但渝东部的部分地区，如巫溪和永川等地，因其地势处于风口位置，则极易出现强风，如2010年5月垫江、梁平所出现的强风暴极端天气。此外，强风不仅对高铁沿线的输电线路、接触网等基础设施安全存在威胁，高铁沿途所经过的轨道桥梁也会受强风影响而产生强烈振动（即“风振”）。桥梁风振时，侧风环境下运行的高铁列车容易出现脱轨甚至翻车的危险。

3）滑坡坍塌监测

重庆是我国滑坡灾害极为严重的地区之一，易触发巨型、大中型滑坡地质的高度危险区，如涪陵以下的长江沿岸地区、合川—北碚—重庆主城区等嘉陵江沿岸地区以及江津四面山、綦江南面的中山地区等，占全市总面积的22%以上；具备触发中大型滑坡地质条件的较高危险区，如城口、巫溪开县、云阳南部、武隆中东部地区等，占全市总面积的37%以上[6]。其他中、轻度危险区范围也较大。

而滑坡造成的坍塌、落物对高铁的行车安全存在极大的威胁，因此，除在高铁沿线设置建筑物、防护网等具有拦截落物功能的防护装置外，还应在易滑坡和塌方地段的防护装置上安装监测报警装置。

2 高铁外部环境安全监测系统的总体结构

本系统是一种对高铁沿线外部环境实现智能监测及报警的防灾安全监测系统，根据重庆地区的复杂地形及气候特征，从可能引起高速铁路安全隐患的外部因素入手，以基于ZigBee协议的无线传感器网络为通讯架构，将传感器节点采集的信号通过嵌入式模块处理后上传至向汇聚节点，随后通过4G无线网络实现“汇聚节点-安全监控中心”之间的远程通讯。

3 基于ZIGBEE技术的无线传感器网络

ZigBee技术作为信息科学技术领域的前沿性技术，已受到学术界和工业界的广泛关注。国内ZigBee已经发展10余年，从早期的上海顺舟、上海物联传感、南京物联等公司，到现在以飞利浦为核心的新成立的ZigBee中国推广组对ZigBee技术的开发及应用推广，ZigBee传感器网络技术已逐渐渗入到国防安全、能源管理、智能家居、医疗监测等众多领域中。例如在北京地铁9号线隧道工程中应用的ZigBee人员考勤定位系统，其方向判断准确、定位轨迹准确、无漏读以及可查询等优点极大地提高了隧道安全施工的管理水平[7]。

（1）ZigBee无线通信模块

本系统中的ZigBee无线传感器网络采用星形拓扑网络结构，在传感器节点处理器内部的程序存储器中集成星形拓扑通信的完整协议栈，再通过外部电路连接ZigBee无线通信模块[8]，即可实现串口转ZigBee无线数据透明传输，将采集到的信息上传至汇聚节点。

（2）太阳能供电单元

针对野外工作环境中的系统不适合长距有线供电及频繁更换电池等客观条件，系统采用太阳能供电单元解决系统供电问题。太阳能供电单元有太阳能电池组件、控制器和蓄电池三个部分组成，通过太阳能电池组件将太阳的辐射能量转换为电能，并直接用于负载工作或存储于蓄电池中，同时利用太阳能控制器对蓄电池进行过充电保护、过放电保护。

（3）传感器数据A/D转换及存储单元

系统中大多数传感器的输出均为电流信号，因此首先要将传感器将现场采集的数据进行电流-电压信号转换，如果信号过于微弱，还需增加前置放大环节，然后再送入A/D转换单元。由于系统覆盖面积广，采集的数据量极大，因此可选择IS61WV102416BLL等SRAM（即静态随机存取存储器）进行内存外扩。

4 远程通信网络

汇聚节点与管理中心之间的远程无线通信采用4G网络实现，使用TCP/IP协议或UDP协议接入物联网，即可由汇聚节点向管理中心传送传感器采集的数据信息，亦可接收由管理中心发出的远端指令。

5 结语

本文所研究的高速铁路外部环境安全监测系统，弥补了现有环境监测系统灵活性差、布线复杂、监测范围受限、建设成本高等缺陷，对于降低重庆高铁运行风险指数、提高安全运行能力有着重要的现实意义。

【参考文献】

[1]邓婷.六大看点读懂重庆落实“一带一路”战略和长江经济带建设[N].新华网重庆频道，2014-12-8.

[2]何华武.高速铁路运行安全检测监测与监控技术[J].中国铁路，2013.3.

[3]冯敬然.高速铁路安全监控系统[J].铁道通信信号，2001（5）：6-9.

[4]邹振华.不均匀沉降对大跨连续梁及轨道结构影响分析[J].铁道工程学报，2014，（3）：62.

[5]蒋智，况明生.重庆地区近57年降水量变化特征及其影响[J].亚热带水土保持，2009，21（2）：9-13.

[6]李月臣，杨华，陈晋，赵纯勇.重庆市滑坡灾害危险性区域评价研究[J].应用基础与工程科学学报，2004：199-200.

[7]张海龙.ZigBee借物联网异军突起[N].通信产业报，2013-6-10.

[8]那贺.基于无线传感器网络的高铁安全监测系统[D].大连：大连理工大学，2011：29-30.

[9]Effect of cross winds on high-sppeed trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2004，92：535-545.