CN103647684A - 一种城轨列车安全检测传感网络测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于面向轨道交通安全在途监测技术领域的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统及测试方法。系统包括基础网络（BN）和测试网络（TN）。基础网络是本系统搭建的测试对象。测试网络通过建立的网络对基础网络进行测试。所述基础网络包括数据中心、复合节点、接入节点和各类型的传感器；所述测试网络包括中心主控服务器(CenterPC)、客户端服务器(SimPC)、测试网络交换机(TN Switch)及磁盘阵列设备；测试方法分为整体网络性能测试、局部网络性能测试、节点性能测试方法。本发明有助于形成符合我国国情的城轨列车网络化在途故障监测与预警技术及装备体系，升级我国城市轨道交通安全保障水平，为我国城市轨道交通的可持续发展提供基础性和全局性技术与装备支撑。

Description

一种城轨列车安全检测传感网络测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及一种城轨列车安全检测传感网络测试系统及测试方法，尤其涉及城轨列车安全检测传感网络测试系统的网络层次结构建立、基础网络和测试网络的结构层次和实验室环境下的搭建、测试环境的模拟和测试方法的设计，属于面向轨道交通安全在途监测技术领域。

背景技术

随着我国城市化进程的不断发展和对低碳节能减排要求的不断提高，公共交通已成为人们出行方式的首选。轨道交通以其运量大、速度快、安全可靠、准点、舒适以及相对环保的技术优势，成为了城市大容量公共交通的主要运输载体之一，保障其安全、高效、可靠地运行对整个公共交通网络具有极端的重要性和关键性，基于轨道交通的安全监测目前已成为学术界的研究热点。轨道交通列车由牵引系统、制动系统、空调系统、乘客信息系统、辅助电源系统、网络控制系统等多个系统组成。轨道交通安全监测传感器网络在轨道交通列车和车站的运营、管理、维护及安全保障中起着至关重要的作用，是轨道交通安全的重要保障措施。其中，城轨列车安全检测传感网络是轨道交通安全监测网的主导系统，对列车的在途监测与安全预警起到了至关重要的作用，直接关系着列车的正常运行和乘客的安全。它能够实现快速化、集成化及智能化的城市轨道列车在途监测与安全预警，这也是国内外城市轨道交通的发展方向。

我国城轨列车安全保障和维护目前主要以定期检修及事后故障修为主，由于缺乏城轨列车运行安全状态的实时全面获取和在途预警技术与装备，这已成为我国城轨交通安全水平和运行维护效率提升的重大制约。而且，目前部分城市轨道列车已经安装的安全监测传感器，比如：轴温监测传感器、振动监测传感器、烟雾报警传感络器等，是由各设备提供商自行实现的，采用的通信模式、接口规范均不一致，各传感器节点之间具有独立性，并且分属于不同的子系统，没有有效整合，因此不能形成统一的传感器网络。城轨列车安全网络系统中事件记录数据、大容量故障诊断数据等数据分别存储在不同的设备上，没有有效处理，车辆级和列车级的故障诊断难以实现。因此，在现有车载列车通信网络和传感网技术的基础上，搭建一套新型大容量全息化的轨道交通车载安全监测传感器网络具有很大的现实意义。

发明内容

为了解决现有轨道交通安全监测技术方法的缺陷性，本发明构建了一种系统完善的、功能丰富的城轨列车安全检测传感网络测试系统构建方法。本发明中，在实验室条件下1:1的模拟在城轨列车的各个子系统的关键部位部署传感器，监测列车牵引系、走行系、制动系、辅助系等各车厢环境信息以及车载设备状态，同时将环境监测的传感器和设备状态利用网络传输技术进行组网，构建了城轨列车运行状态安全监测传感器网络，这一网络与既有的现场车载网络平行，能够对全列车运行状态进行实时全面的获取，为城轨列车安全监测提供了网络化系统。

本发明中，城轨列车安全检测传感网络测试系统构建方法具有以下特性：

(1)可扩展性

在设计过程中充分考虑系统的可扩展性。包括两个方面的内容：一方面传感监测网综合测试系统应根据待测试网络的规模，易于网络节点的加入和撤出，容易扩充网络的规模；同时对新加入的网络节点，还要易于对其进行快捷的管理和统一的配置。另一方面，应该能够根据实验和测试的需要，添加新的测试工具和测试功能。

(2)灵活性

针对无线传感器网络无线及移动环境的要求，网络的应用场景多而复杂，要想完备而精确把握不同应用场景的网络特性，这就要求传感监测网综合测试系统需要很强的灵活性，具备迅速构建各种应用场景的能力。即传感监测网综合测试系统可以根据待测试网络的拓扑结构和规模，方便地构造其典型的网络环境。

(3)正确性

传感监测网综合测试系统搭建的实验环境必须与真实环境高度吻合；测试结果必须正确可靠，实验结论必须有现实指导意义。

(4)稳定性

传感监测网综合测试系统的运行工作状况的稳定性对测试结果的正确性及适用性有至关重要的影响，因此在系统设计及实施过程中，应尽可能采用可靠性高的硬件和软件系统，以保证系统的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，该系统包括基础网络（BN:Basic Network）和测试网络（TN：Test Network）；

所述基础网络即轨道交通列车车载安全监测传感器网络，是本系统搭建的测试对象；

测试网络是本测试系统的根本，通过自建的完整网络对基础网络进行测试，这样避免了在基础网络中对测试过程、测试结果的数据传递，降低测试过程对被测对象的影响，提高了测试精度。

所述基础网络包括数据中心、复合节点、接入节点和各类型的传感器；

数据中心连接若干个复合节点，每个复合节点连接若干个接入节点，每个接入节点又连接着各种类型的传感器；

所述各种类型的传感器采集信息依次经过接入节点、复合节点、数据中心，最后数据中心将整车网络信息进行管理与控制。

所述数据中心(DC:Data Centre)为通过列车网络进行数据的传输，由复合节点传输的数据最终在数据中心被接收，然后按不同系统、不同类型进行数据流向控制、数据包分解与存储，同时作安全评估以及确定优先级，进行故障诊断和预警，并支持诊断服务和诊断结果显示，防止网络风暴。

所述复合节点(FP:Fusion Point)连接接入节点和数据中心，由各个接入节点采集来的数据及车辆网络经过复合节点进行管理；数据由接入节点传输到复合节点，复合节点对数据进行运算，提取特征并进行数据融合，最后再将其通过以太网进行传输与转发。实现列车级网络管理VLAN划分、优先级控制、网络管理及控制功能、动态组网功能。

所述接入节点(AP:Access Point)负责连接复合节点和各系传感器，各种具有不同协议格式的信号由接入节点转换为复合节点可以识别的格式，然后通过统一的通信协议发送至复合节点，最后实现数据采集和传输。

所述测试网络包括中心主控服务器(CenterPC)、客户端服务器(SimPC)、测试网络交换机(TN Switch)及磁盘阵列设备；每个复合节点都与一台客户端服务器相连，中心主控服务器和磁盘阵列设备分别与测试网络交换机相连，测试网络交换机与其中的一个复合节点相连。

所述中心主控服务器(CenterPC)负责网络的全局监测，网络拓扑结构存储，检测数据处理、网络节点模型存储及处理。

所述客户端服务器(SimPC)分为：位于软件模拟子系统内的客户端服务器(SimPC)，模拟其所在网络环境的所有设备工作状态，能够模拟发送数据包；位于硬件测试子系统内的客户端服务器(SimPC)，监控其所处物理范围内的网络运行状态，测试网络相关参数。

所述测试网络交换机(TN Switch)用于测试网络的数据交互，把测试网络的信息流传输至测试网络数据中心。

所述系统还含有模拟系统。

所述模拟系统为噪声及干扰模拟系统、网络攻击模拟系统、传感器数据的模拟系统、无线传感器网络运行状态模拟系统等等。

根据所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统的测试方法该方法：

如果被测网络是一套完整的车载安全监测传感器网络，其组成设备包括传感器、接入节点、复合节点及数据中心，则采用整体网络性能测试方案进行测试；将测试系统中的基础网络全部替换成被测网络，保留原系统中的测试网络用于监控与测试。首先将被测网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构等相关参数。然后通过客户端服务器模拟大容量并发数据，测试网络在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响。如果被测网络中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性等相关参数。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。

如果被测网络只是车载安全监测传感器网络的某一子网，并不是包含所有功能的传感器网络，则采用局部网络性能测试方案进行测试。测试步骤：以被测网络是一个包含一个复合节点，两个接入节点的安全监测传感器网络子网介绍测试过程。将基础网络中对应的复合节点与接入节点去掉，替换成被测子网，如有需要，在不改变待测子网性能的前提下，添加相应接口转换设备，原系统中的测试网络用于监控与测试不做改变。首先将待测网络与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构等相关参数。然后通过连接进待测子网的客户端服务器模拟大容量并发数据，测试该子网在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响。如果待测子网中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性等相关参数。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告

如果被测网络只是车载安全监测传感器网络组成部分中的某个节点，如接入节点或者复合节点，也可能是传感器网络中的某个传感器，则可采用节点性能测试方案进行测试。测试步骤：以待测节点是接入节点为例说明。将基础网络中任意一个接入节点去掉，替换成被测子网，如有需要，在不改变被测节点性能的提下，添加相应接口转换设备，原系统中的测试网络用于监控与测试不做改变。首先将待测节点与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器测试该接入节点运行状态，测试并记录该节点在当前状态下的时延、丢包率等相关参数。然后通过连接进待测接入节点的用于模拟传感器数据的信号源发送大容量并发数据，测试该节点在满负载情况下的时延、吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对节点传输的影响。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。

本发明：

①通过对轨道交通安全监测传感器网络进行分析，对本发明系统的架构进行设计；

②通过对本发明的架构进行设计，对基础网络进行层次结构设计；

③通过对本发明的架构进行设计，对测试网络进行层次结构设计；

④在设计基础网络和测试网络的结构层次的基础上，对本发明中设备进行选择；

⑤通过选择本发明中的设备，对系统进行搭建；

⑥在本发明系统搭建完成的基础上，测试网络用于基础网络测试——对系统进行了测试。

本发明的有益效果：

本发明关于城轨列车安全检测传感网络测试系统构建方法的研究，将有助于实现从被动安全向主动安全、故障修向状态修的技术转型，这将形成符合我国国情的、先进的、经济与适用的城轨列车网络化在线监测故障与预警技术及装备体系，同时大大提升我国城轨列车安全保障水平，从而提升城轨交通能力，为我国城市轨道交通的可持续发展提供理论基础和技术与装备支撑。

附图说明

图1为车载安全监测传感器网络的层次结构示意图。

图2为各节点的功能及数据流示意图。

图3为基础网络与测试网络的连接方式示意图。

图4为本发明系统设备布设方式示意图。

图5为本发明系统设备布设位置示意图。

图6为整体网络性能测试示意图。

图7为局部网络性能测试示意图。

图8为网络节点性能测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

实施例1：

一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，

（1）通过对轨道交通安全监测传感器网络进行分析，对本发明系统的架构进行设计；

本发明系统应具有如下功能：测试设备的数据能够通过专用网络传输至数据中心，不会占用被测网络带宽；基础网络的各项指标均能达到世界一流水平；在端口不变的情况下，基础网络能够支持网络形态的任意变化，如网络中节点数的增加和减少，网络拓扑结构的改变等；通过一定手段，基础网络需要具备降低自身参数的能力，如增大网络时延，降低带宽，无线传感器网络中节点能够强行改变基准时钟等。

为满足以上要求，本发明将系统分为两个部分，基础网络（BN:BasicNetwork）和测试网络（TN：Test Network）。基础网络即轨道交通列车车载安全监测传感器网络，是本系统搭建的测试对象。测试网络是本测试系统的根本，通过自建的完整网络对基础网络进行测试，这样避免了在基础网络中对测试过程、测试结果的数据传递，降低测试过程对被测对象的影响，提高了测试精度。

（2）通过对本发明系统的架构进行设计，对基础网络进行层次结构设计；

基础网络包括数据中心、复合节点、接入节点和各类型的传感器。其连接方式为数据中心连接若干个复合节点，每个复合节点连接若干个接入节点，每个接入节点又连接着各种类型的传感器，其层次结构如图1所示。图1为车载安全监测传感器网络的层次结构示意图。

车载安全监测传感器网络由安装于底层的各传感器进行信息采集，随后经过接入节点将信息送达复合节点，然后再传输至数据中心，最后数据中心负责整车网络信息的控制与管理。

●所述数据中心(DC:Data Centre)

数据中心接收由复合节点传输的数据信息，这些数据是通过列车网络进行传输的，同时按照不同层次将数据包进行分解、流向控制与存储，同时确定优先级及安全评估，进行故障诊断和预警，为诊断服务和结果显示提供支持。

●所述复合节点(FP:Fusion Point)

通过研究车辆传感网复合节点实现技术，研制复合节点FP。复合节点是贯穿全套系统的网络的核心节点。复合节点在逻辑上负责管理车辆网络及各接入节点的数据，物理上负责将接入节点连接到数据中心。接入节点将数据送到复合节点，复合节点对数据进行运算，提取数据特征并进行数据融合，然后通过以太网再将数据进行传输与转发。最后实现列车级网络优先级控制、管理VLAN划分、动态组网、网络控制及管理功能等功能。

●所述接入节点(AP:Access Point)

通过研究面向车辆牵引系、走行系、制动系、辅助系等子系统感知信号接入技术，接入节点的车辆传感网构成技术，车辆传感网的多类型接入节点实现技术，研制接入节点AP。接入节点负责连接各系传感器和复合节点，将接收的各种信号转换格式，使这些信号最终能被复合节点可以识别的格式，然后以统一的通信协议发送给复合节点，实现数据的采集和传输。通过接入节点接入列车上数字量，并通过以太网将传输给复合节点。

数据中心、复合节点、接入节点和传感器的功能及数据流程如图2所示。（图2为各节点的功能及数据流示意图。）

（3）通过对本发明系统的架构进行设计，对测试网络进行层次结构设计；

测试网络包括中心主控服务器(CenterPC)、客户端服务器(SimPC)、测试网络交换机(TN Switch)及磁盘阵列设备。每个复合节点都与一台客户端服务器相连，中心主控服务器和磁盘阵列设备分别与测试网络交换机相连，测试网络交换机与其中的一个复合节点相连。基础网络与测试网络的连接方式示意图如图3所示。图3为基础网络与测试网络的连接方式示意图。

●所述中心主控服务器(CenterPC)

中心主控服务器(CenterPC)主要负责网络的全局监测，网络拓扑结构存储，检测数据处理、网络节点模型存储及处理等功能。

●所述客户端服务器(SimPC)

客户端服务器(SimPC)主要实现两个功能，第一、位于软件模拟子系统内，SimPC需要能够模拟其所在网络环境的所有设备工作状态，能够模拟发送数据包。第二、位于硬件测试子系统内，SimPC能够监控其所处物理范围内的网络运行状态，测试网络相关参数。

●所述测试网络交换机(TN Switch)

测试网络交换机(TN Switch)用于测试网络的数据交互，把测试网络的信息流传输至测试网络数据中心。

●所述磁盘阵列设备

磁盘阵列设备用于轨道交通列车安全检测传感器网络检测数据的存储，便于检测测试系统历史数据的查询。

（4）在设计基础网络和测试网络的结构层次的基础上，对本发明系统中设备进行选择；

本发明建立了1:1模拟现场的标准化的轨道交通列车安全监测传感器网络，本网络能够直接针对现场应用移植。其中，搭建的N个机柜分别用于模拟现实轨道列车的各节车厢。

①基础网络中设备的选择

●数据中心

数据中心对应的物理设备是一台功能强大的服务器。数据中心需完成运行各类测试软件、算法、评估，以及网络管理、网络监视、各设备的初始化配置工作等任务。基础网络的数据中心分为主机和从机，它位于每列车两端车头位置，同时进行双备份冗余。在无故障正常运行情况下只有主机工作，从机休眠，而当主机故障情况下，从机被唤醒工作。数据中心用于存储短期内地面设施的监测数据或整个列车系统数据，并对数据进行处理、分析、故障预警等。系统的人机交互和显示是通过两台数据中心设备与各自机柜中的显示器连接实现的。

●复合节点

复合节点对应的物理设备为交换机。复合节点设备用于连接整个列车，实现各节列车的数据通信，把每节列车接入节点信息统一传输至车头数据中心（主机或从机）。复合节点具有对数据进行接收和传输的功能，并通过RJ45电口和RC光口方式将数据传送至数据中心。

●接入节点

接入节点对应的物理设备为WiFi设备、CAN转以太网设备、ZigBee转以太网设备、RS485转以太网设备等多功能协议转换器。接入节点用于接入走行系、辅助系、制动系、牵引系相关传感器数据。每台接入节点能够实现RS485、RJ45两种通信方式的接入，并能够以RJ45两种通信方式传输至复合节点。

●传感器和无线模块

在所有的传感器中，包括对牵引系、走行系、制动系、辅助系运行状态监测所需的各类传感器，这些传感器主要测量振动、加速度、温度、声音、红外等，传感器的数量和种类可根据系统需要进行选购。而传感器板卡共有4块，用于对各种传感器采集的数据进行处理和协议转换，分别对应走行系、辅助系、制动系、牵引系4个系统，转换后为RJ45（网口）或RS485（串口）输出。每个机柜中放置6个无线模块，这6个无线模块选用Zigbee进行无线发送与接收，每个无线模块为RS485输入，可直接接入各板卡。此外对于无线传感器网络实验，需要进行定位和跟踪，这也需要视频监控的支持。

②测试网络中设备的选择

●中心主控服务器

中心主控服务器由一台高性能机架式服务器构成。中心主控服务器外接两个显示终端，一个用于显示操作信息，该显示终端能够同时在中心主控服务器及客户端服务器间任意切换；另一个用于显示状态信息，直观表示目前所测网络的相关参数。

●客户端服务器

客户端服务器对应的物理设备为与实际列车传感网中所用型号一致的工控机。工控机为开放式，竖插卡式，可以插于各种扩展功能性板卡，并完全可以实现工控机在传感网络中的功能。客户端服务器用于本机柜设备或测试系统所有设备的信号转换、数据计算处理。

（5）通过选择本发明系统中的设备，对系统进行了搭建：

本发明以六节车厢的轨道交通列车为实例，搭建六个机柜以分别对应六节车厢，机柜的布置示意图如图4所示，图4为本发明系统设备布设方式示意图，六个机柜分别编号为1#至6#，它们被分别放置六节车箱的相关安全监测设备中，主要用于列车传感器网络测试。

每个机柜位置说明如图5所示，图5为本发明系统设备布设位置示意图，其中A、B、C车所对应的机柜分布为1#、2#、3#机柜及6#、5#、4#，A车为列车车头（两方向均为车头）。1-7号机柜分别代表客户端服务器、数据中心、传感器区域、接入节点、复合节点、显示器、Wifi模块。同时各机柜设备对应的实物分别为工控机（2u）、服务器（4u）、传感器、板卡与接线端子（2u）、多功能协议转换器（其中包括WiFi设备、CAN转以太网设备、ZigBee转以太网设备、RS485转以太网设备（4u））、8口交换机与16口交换机（4u）、显示器（19寸）、Wifi模块。

除在每个机柜的相应层放置客户端主机、接入节点、复合节点、数据中心、显示器、传感器及无线模块，在1#和6#机柜的第0层安装磁盘阵列，3#机柜的第0层安装测评交换机。六个机柜组成基础网络和测试网络两条独立的网络。

本发明硬件系统搭建完成。

实施例2：

在城轨列车安全检测传感网络测试系统搭建完成的基础上，测试网络用于基础网络测试的步骤：

①模拟外部环境

城轨列车安全检测传感网络测试系统能够模拟多种交通运行环境，其中包括对交通环境下的多种噪声和干扰的模拟，对传感器数据的模拟，对传感器网络各层的攻击模拟，无线传感器位置情况模拟。系统能够将所有环境下网络的运行状况与环境特征进行记录。为实现上述模拟，需要构建以下系统：

●噪声及干扰模拟系统

此系统按通信方式分为两个部分，无线信道干扰模拟及有线信道占用模拟。无线信道噪声及干扰模拟设备又分为射频噪声及干扰的录制及射频噪声及干扰的回放两个部分，射频噪声及干扰的录制通过频谱分析仪，将待观察的射频信号变频并完成采样，转换为大容量可存储的数字信号，然后将数字信号传送至外挂的大容量磁盘储存整列。射频噪声及干扰的回放通过IQ基带信号发生器，转换至模拟信号，通过矢量信号发生器，上变频至测试信号频率。有线信道占用模拟主要通过多个服务器接入被测网络，在不同服务器间用各种通信方式传输大容量长时间的数据，模拟信道占用的过程，分析有线网络时延及丢包率。

●网络攻击模拟系统

该系统分为硬件攻击及软件攻击两个部分。硬件攻击主要指对网络本身进行物理破坏，包括对链路的破坏及对接口的破坏，通过对破坏程度的记录，判断网络的自动愈合能力。软件攻击指通过软件方式，破解无线及有线通信内容，通过记录破解方法及破解时间，判断网络安全性。

●传感器数据的模拟系统

该系统主要功能是模拟传感器传输的数据，由服务器生成复合传感器传输特征的数据，从服务器的以太网口或串口将数据向外发送，经过相应的协议转换模块，接入待测网络的不同部分。

●无线传感器网络运行状态模拟系统

该系统通过对无线传感器网络采取不同的组合方案，来模拟无线传感器网络在不同环境下的运行状态。整体运行过程分为对传感器节点数目的改变，对传感器拓扑结构的改变，移动节点对传感器网络的影响等几个方面。通过图像记录传感器节点的物理形态，数据记录传感器网络的运行状态，评价传感器网络的运行情况。

②测试方案的设计

六个机柜组成基础网络和测试网络两条独立的网络。对轨道交通安全监测传感器网络的测试，可分为整体网络性能测试，局部网络性能测试及节点性能测试三种类型。

●整体网络性能测试

如果被测网络是一套完整的车载安全监测传感器网络，其组成设备包括传感器、接入节点、复合节点及数据中心，则采用整体网络性能测试方案进行测试，图6为整体网络性能测试示意图，测试步骤如下：

如图6所示，将测试系统中的基础网络全部替换成被测网络，保留原系统中的测试网络用于监控与测试。

首先将被测网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构等相关参数。然后通过客户端服务器模拟大容量并发数据，测试网络在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响。如果被测网络中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性等相关参数。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。

●局部网络性能测试

如果被测网络只是车载安全监测传感器网络的某一子网，并不是包含所有功能的传感器网络，则采用局部网络性能测试方案进行测试。测试步骤如下：

以被测网络是一个包含一个复合节点，两个接入节点的安全监测传感器网络子网介绍测试过程。将基础网络中对应的复合节点与接入节点去掉，替换成被测子网，如有需要，在不改变待测子网性能的前提下，添加相应接口转换设备，原系统中的测试网络用于监控与测试不做改变。替换完成后如图7所示（图7为局部网络性能测试示意图，图中虚线框部分是待测网络）。

首先将待测网络与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构等相关参数。然后通过连接进待测子网的客户端服务器模拟大容量并发数据，测试该子网在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响。如果待测子网中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性等相关参数。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。

●网络节点性能测试

图8为网络节点性能测试示意图。如果被测网络只是车载安全监测传感器网络组成部分中的某个节点，如接入节点或者复合节点，也可能是传感器网络中的某个传感器，则可采用节点性能测试方案进行测试。测试步骤如下：

以待测节点是接入节点为例说明，将基础网络中任意一个接入节点去掉，替换成被测子网，如有需要，在不改变被测节点性能的提下，添加相应接口转换设备，原系统中的测试网络用于监控与测试不做改变。替换完成后如图8所示，图中虚线框部分是待测接入节点。

首先将待测节点与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器测试该接入节点运行状态，测试并记录该节点在当前状态下的时延、丢包率等相关参数。然后通过连接进待测接入节点的用于模拟传感器数据的信号源发送大容量并发数据，测试该节点在满负载情况下的时延、吞吐量及丢包率。改变数据的发送情况，判断突发数据对节点传输的影响。最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。

本发明对城轨列车安全检测传感网络测试系统进行了设计、设备选择以及搭建；并在搭建完系统的基础上对系统进行了测试。本发明关于城轨列车安全检测传感网络测试系统构建的研究，将有助于实现从被动安全向主动安全、“故障修向状态修”的技术转型；本发明将有助于形成符合我国国情的、先进的、经济与适用的城轨列车网络化在线监测故障与预警技术及装备体系，大大提升我国城轨列车安全保障水平，从而提升城轨交通能力，为我国城市轨道交通的可持续发展提供理论基础和技术与装备支撑。

Claims (22)

1.一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，该系统包括基础网络和测试网络；所述基础网络即轨道交通列车车载安全监测传感器网络，是本系统搭建的测试对象；测试网络是本系统的根本；所述基础网络包括数据中心、复合节点、接入节点和传感器；数据中心连接复合节点，每个复合节点连接接入节点，每个接入节点又连接着传感器；所述测试网络包括中心主控服务器、客户端服务器、测试网络交换机及磁盘阵列设备；复合节点与客户端服务器相连，中心主控服务器和磁盘阵列设备分别与测试网络交换机相连，测试网络交换机与所述复合节点相连。 

2.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述数据中心通过列车网络进行数据传输，接收由复合节点传输的数据，对数据流向进行控制，数据包分解与存储，数据安全评估及确定优先级，进行故障诊断和预警，并支持诊断服务和诊断结果显示，防止网络风暴。 

3.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述复合节点连接接入节点和数据中心，负责将接收的数据及车辆网络进行管理；接入节点将数据发送到复合节点，复合节点提取数据特征，对数据进行运算和融合，然后再通过以太网进行传输与转发；实现列车级网络管理优先级控制、VLAN划分、网络管理及动态组网和控制功能。 

4.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述接入节点负责连接各系传感器和复合节点，将接收的信号转换格式，使这些信号成为最终能被复合节点可以识别的格式，并发送复合节点，实现数据的采集和传输。 

5.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特 征在于，所述传感器包括振动传感器、加速度传感器、温度传感器、声音传感器、红外线传感器；传感器板卡共4块，用于对各传感器数据进行处理和协议转换，这4块板卡分别对应走行系、辅助系、制动系、牵引系4个系，转换后通过RS485串口或RJ45网口输出；所述传感器连接有无线模块，所述无线模块选用Zigbee模块进行无线发送与接收，在机柜中分别放置Zigbee模块，用于进行无线组网实验，每个无线模块为RS485输入，可直接接入各板卡。 

6.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述中心主控服务器负责网络的全局监测、网络拓扑结构存储、检测数据处理、网络节点模型存储及处理。 

7.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述客户端服务器，分为位于软件模拟子系统内的客户端服务器和位于硬件测试子系统内的客户端服务器；位于软件模拟子系统内的客户端服务器模拟其所在网络环境设备的工作状态，能够模拟发送数据包；位于硬件测试子系统内的客户端服务器，用于监控其所处物理范围内的网络运行状态，测试网络有关参数。 

8.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述测试网络交换机用于测试网络的数据交互，把测试网络的信息流传输至测试网络数据中心。 

9.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述磁盘阵列设备用于轨道交通列车安全检测传感器网络检测数据的存储，便于检测测试系统历史数据的查询。 

10.根据权利要求2所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述数据中心为服务器；所述服务器需完成运行各类测试软件以及 网络管理、网络监视、各设备的初始化配置工作任务；所述数据中心分为主机和从机，分别位于每列车两端车头位置，进行双备份冗余；在正常情况下从机休眠，只有主机工作，当主机发生故障时，从机才会被唤醒。 

11.根据权利要求3所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述复合节点为交换机； 

所述复合节点能接收和传输数据，将接入节点信息传输至数据中心； 

所述复合节点用于连接整个列车，能使各节列车的数据进行通信。 

12.根据权利要求4所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述接入节点为WiFi设备、CAN转以太网设备、ZigBee转以太网设备、RS485转以太网设备中的一个或几个；接入节点用于接入各系统的有关传感器数据；每个接入节点能够实现RJ45、RS485两种通信方式的接入，并能够通过两种通信方式传输到复合节点。 

13.根据权利要求6所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述中心主控服务器为机架式服务器；中心主控服务器外接两个显示终端，一个用于显示操作信息，该显示终端能够同时在中心主控服务器及客户端服务器间任意切换；另一个显示终端用于显示状态信息，直观表示目前所测网络的相关参数。 

14.根据权利要求7所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述客户端服务器为开放式、竖插卡式工控机；所述工控机可以插各种扩展功能性的板卡。 

15.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述系统还含有模拟系统。 

16.根据权利要求15所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其 特征在于，所述模拟系统为噪声及干扰模拟系统； 

所述噪声及干扰模拟系统按通信方式分为无线信道干扰模拟设备及有线信道占用模拟设备；无线信道干扰模拟设备又分为射频噪声及干扰的录制及射频噪声及干扰的回放两个部分，射频噪声及干扰的录制部分通过频谱分析仪，将待观察的射频信号变频并完成采样，转换为大容量可存储的数字信号，然后将数字信号传送至外挂的大容量磁盘储存整列；射频噪声及干扰的回放部分通过IQ基带信号发生器，转换至模拟信号，通过矢量信号发生器，上变频至测试信号频率；所述有线信道占用模拟设备通过多个服务器接入被测网络，在不同服务器间用各种通信方式传输大容量长时间的数据，模拟信道占用的过程，分析有线网络时延及丢包率。 

17.根据权利要求15所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述模拟系统为网络攻击模拟系统；所述网络攻击模拟系统分为硬件攻击部分及软件攻击；硬件攻击部分指对网络本身进行物理破坏，包括对链路的破坏及对接口的破坏，通过对破坏程度的记录，判断网络的自动愈合能力；软件攻击部分指通过软件方式，破解无线及有线通信内容，通过记录破解方法及破解时间，判断网络安全性。 

18.根据权利要求15所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其特征在于，所述模拟系统为传感器数据的模拟系统；所述传感器数据的模拟系统模拟传感器传输的数据，由服务器生成复合传感器传输特征的数据，从服务器的以太网口或串口将数据向外发送，经过协议转换模块，接入待测网络的不同部分。 

19.根据权利要求15所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统，其 特征在于，所述模拟系统为无线传感器网络运行状态模拟系统；所述无线传感器网络运行状态模拟系统通过对无线传感器网络采取组合方案，来模拟无线传感器网络在不同环境下的运行状态；无线传感器网络采取组合方案分为对传感器节点数目的改变，对传感器拓扑结构的改变，移动节点对传感器网络的影响几个方面；通过图像记录传感器节点的物理形态，数据记录传感器网络的运行状态，评价传感器网络的运行情况。 

20.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统的测试方法，其特征在于，该方法对整体网络性能测试，步骤为： 

将测试系统中的基础网络全部替换成被测网络，保留原系统中的测试网络用于监控与测试； 

将被测网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构相关参数；然后通过客户端服务器模拟大容量并发数据，测试网络在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率；改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响；如果被测网络中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性相关参数；最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。 

21.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统的测试方法，其特征在于，该方法对局部网络性能测试步骤为： 

如果被测网络只是车载安全监测传感器网络的某一子网，并不是包含所有功能的传感器网络，则采用局部网络性能测试方案进行测试，包括如下步骤： 

将基础网络中对应的复合节点与接入节点去掉，替换成被测子网； 

首先将待测网络与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器分别测试接入节点，复合节点的运行状态，测试并记录网络在该状态下的时延、丢包率、网络占有率及带宽、拓扑结构相关参数；然后连接待测子网的客户端服务器模拟大容量并发数据，测试该子网在满负载情况下的时延、各节点吞吐量及丢包率；改变数据的发送情况，判断突发数据对网络传输的影响；如果待测子网中有无线传感器网络，那么测试无线传感器网络在不同结构，不同拓扑状态下，网络的实时性，系统时钟准确性相关参数；最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。 

22.根据权利要求1所述的一种城轨列车安全检测传感网络测试系统的测试方法，其特征在于，该方法对网络节点性能测试步骤为： 

将基础网络中任意一个接入节点去掉，替换成被测子网； 

将待测节点与剩余基础网络正常运行，通过客户端服务器及中心主控服务器测试该接入节点运行状态，测试并记录该节点在当前状态下的时延、丢包率相关参数；然后连接待测接入节点的用于模拟传感器数据的信号源发送大容量并发数据，测试该节点在满负载情况下的时延、吞吐量及丢包率；改变数据的发送情况，判断突发数据对节点传输的影响；最后，根据测试情况及网络特征，给出测试报告。 

Images