基于ZigBee傳感器網絡的渝高速鐵路外部環境安全監測系統研究

劉韻

【摘 要】在高鐵經濟快速發展的過程中，運行安全是極為重要的前提，沒有良好的安全保障，高鐵建設將無從談起。本文根據重慶地區的復雜地形及氣候特征，從線路基礎設施、自然環境與災害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手，結合嵌入式技術和4G通信技術，對基于ZigBee無線傳感器網絡的重慶高鐵外部環境安全監測系統的建設進行了研究與探索，以彌補現有環境監測系統靈活性差、布線復雜、監測范圍受限、建設成本高等缺陷，對于降低重慶高鐵運行風險指數、提高安全運行能力有著重要的現實意義。

【關鍵詞】高速鐵路；安全監測；ZigBee；傳感器網絡

中圖分類號： TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 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

黨中央、國務院把握國內外大勢作出實施絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路戰略（即“一帶一路”戰略）的重大戰略決策。在貫徹落實“一帶一路”戰略中，重慶地方戰略的重點之一就是通過提升對外大通道能力和完善內部綜合交通網絡，著力構建以鐵路、水運為骨干，公路為基礎的綜合立體交通網絡。其中，“一樞紐十四干線”的鐵路網，總里程將達到3000公里，在成都、西安、昆明、長沙、鄭州等主要對外通道方向上都將建設高速鐵路[1]。隨著重慶高速鐵路（簡稱“高鐵”）的快速發展，列車時速大幅提升，如成渝高鐵主力車型CRH380D型高速動車組的最高時速已達380公里/小時。在高鐵經濟快速發展的過程中，運行安全是極為重要的前提，沒有良好的安全保障，高鐵建設將無從談起。如何最大限度地預防和減少各類自然災害對高鐵安全的影響，是鐵路技術創新必須長期關注的一項重大課題[2]。

而重慶地區復雜的地形與氣候特征所引發的自然災害和突發事故對高速運行列車的危害極大，暴雨、強風、洪澇等因素都有可能導致鐵路運行出現危險，甚至車毀人亡，后果不堪設想。因此，從線路基礎設施、自然環境與災害等可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手進行高鐵外部環境安全監測系統的研究，對有效地提升重慶高鐵運行安全指數有著重要的理論意義和實用價值。

1 高鐵外部環境安全監測系統監測內容

（1）線路基礎設施監測內容

1）軌溫監測

重慶大部分地區夏季氣溫極高、日照強度大，鋼軌受氣溫影響軌溫變化較大。而軌溫的變化將改變無縫鋼軌溫度應力的大小與分布，對無縫軌道的強度和穩定性的產生重要影響。若鋼軌溫度應力過大，輕則影響軌道的幾何平順性，重則引發脹軌跑道等嚴重事故。因此，利用軌道溫度傳感器模塊對軌溫變化進行實時監測是保證高鐵行車安全的重要保障之一。

氣溫是影響軌溫變化的主要因素，一般認為70km范圍內的氣溫幾乎相同[3]，因此應在高鐵沿線以70km為間隔設置軌溫監測裝置，沿途如山坡、橋梁、隧道等特殊路段可根據實際情況增設監測點，以此保證管理中心對軌溫實時變化情況的掌握。

2）橋梁沉降監測

重慶地區江河資源豐富，高鐵沿線有較多大跨度的軌道橋梁。盡管在高鐵鐵路的設計中已經對不均勻沉降進行了考慮[4]，然而由于過量開采地下水等人為因素和氣候環境變化等自然因素均，都有可能導致軌道橋梁產生超過預期的不均勻沉降量，尤其是橋墩及路橋過渡區等特殊地段。一旦出現過度的沉降，即會改變路基承載力，影響軌道的結構及平順性，從而引發行車的安全隱患。

（2）自然環境參數監測內容

1）雨量及洪水監測

重慶地勢多山坡、丘陵，有長江干流自西向東橫貫全境，支流縱橫交錯，降雨豐沛。因此容易因汛期暴雨而發生洪澇災害。而暴雨和洪水對沿線路堤的侵蝕、對軌道橋梁的沖擊，以及暴雨引發的山體崩坍和滑坡等災害，都將威脅到高鐵的行車安全。因此，必須利用雨量計、水位儀、洪水監測儀、撞擊監測器等設備構成數據采集模塊，實時監測雨量及洪水情況。

2）風向風速監測

重慶地處四川盆地，四周高山環繞，因此不易出現極端狂風。但渝東部的部分地區，如巫溪和永川等地，因其地勢處于風口位置，則極易出現強風，如2010年5月墊江、梁平所出現的強風暴極端天氣。此外，強風不僅對高鐵沿線的輸電線路、接觸網等基礎設施安全存在威脅，高鐵沿途所經過的軌道橋梁也會受強風影響而產生強烈振動（即“風振”）。橋梁風振時，側風環境下運行的高鐵列車容易出現脫軌甚至翻車的危險。

3）滑坡坍塌監測

重慶是我國滑坡災害極為嚴重的地區之一，易觸發巨型、大中型滑坡地質的高度危險區，如涪陵以下的長江沿岸地區、合川—北碚—重慶主城區等嘉陵江沿岸地區以及江津四面山、綦江南面的中山地區等，占全市總面積的22%以上；具備觸發中大型滑坡地質條件的較高危險區，如城口、巫溪開縣、云陽南部、武隆中東部地區等，占全市總面積的37%以上[6]。其他中、輕度危險區范圍也較大。

而滑坡造成的坍塌、落物對高鐵的行車安全存在極大的威脅，因此，除在高鐵沿線設置建筑物、防護網等具有攔截落物功能的防護裝置外，還應在易滑坡和塌方地段的防護裝置上安裝監測報警裝置。

2 高鐵外部環境安全監測系統的總體結構

本系統是一種對高鐵沿線外部環境實現智能監測及報警的防災安全監測系統，根據重慶地區的復雜地形及氣候特征，從可能引起高速鐵路安全隱患的外部因素入手，以基于ZigBee協議的無線傳感器網絡為通訊架構，將傳感器節點采集的信號通過嵌入式模塊處理后上傳至向匯聚節點，隨后通過4G無線網絡實現“匯聚節點-安全監控中心”之間的遠程通訊。

3 基于ZIGBEE技術的無線傳感器網絡

ZigBee技術作為信息科學技術領域的前沿性技術，已受到學術界和工業界的廣泛關注。國內ZigBee已經發展10余年，從早期的上海順舟、上海物聯傳感、南京物聯等公司，到現在以飛利浦為核心的新成立的ZigBee中國推廣組對ZigBee技術的開發及應用推廣，ZigBee傳感器網絡技術已逐漸滲入到國防安全、能源管理、智能家居、醫療監測等眾多領域中。例如在北京地鐵9號線隧道工程中應用的ZigBee人員考勤定位系統，其方向判斷準確、定位軌跡準確、無漏讀以及可查詢等優點極大地提高了隧道安全施工的管理水平[7]。

（1）ZigBee無線通信模塊

本系統中的ZigBee無線傳感器網絡采用星形拓撲網絡結構，在傳感器節點處理器內部的程序存儲器中集成星形拓撲通信的完整協議棧，再通過外部電路連接ZigBee無線通信模塊[8]，即可實現串口轉ZigBee無線數據透明傳輸，將采集到的信息上傳至匯聚節點。

（2）太陽能供電單元

針對野外工作環境中的系統不適合長距有線供電及頻繁更換電池等客觀條件，系統采用太陽能供電單元解決系統供電問題。太陽能供電單元有太陽能電池組件、控制器和蓄電池三個部分組成，通過太陽能電池組件將太陽的輻射能量轉換為電能，并直接用于負載工作或存儲于蓄電池中，同時利用太陽能控制器對蓄電池進行過充電保護、過放電保護。

（3）傳感器數據A/D轉換及存儲單元

系統中大多數傳感器的輸出均為電流信號，因此首先要將傳感器將現場采集的數據進行電流-電壓信號轉換，如果信號過于微弱，還需增加前置放大環節，然后再送入A/D轉換單元。由于系統覆蓋面積廣，采集的數據量極大，因此可選擇IS61WV102416BLL等SRAM（即靜態隨機存取存儲器）進行內存外擴。

4 遠程通信網絡

匯聚節點與管理中心之間的遠程無線通信采用4G網絡實現，使用TCP/IP協議或UDP協議接入物聯網，即可由匯聚節點向管理中心傳送傳感器采集的數據信息，亦可接收由管理中心發出的遠端指令。

5 結語

本文所研究的高速鐵路外部環境安全監測系統，彌補了現有環境監測系統靈活性差、布線復雜、監測范圍受限、建設成本高等缺陷，對于降低重慶高鐵運行風險指數、提高安全運行能力有著重要的現實意義。

【參考文獻】

[1]鄧婷.六大看點讀懂重慶落實“一帶一路”戰略和長江經濟帶建設[N].新華網重慶頻道，2014-12-8.

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[6]李月臣，楊華，陳晉，趙純勇.重慶市滑坡災害危險性區域評價研究[J].應用基礎與工程科學學報，2004：199-200.

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