CN103795791A - 基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了铁路安全监控领域的一种基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统。所述系统采用分布式的结构，共分为三层，包括感知层、网络层和监控层；所述感知层包括若干传感器节点、若干mesh路由器节点、若干无线摄像头和数据服务中心；所述网络层包括第一消息中间件和第二消息中间件；所述监控层包括防灾安全监控主机和数据库服务器。本发明通过引入无线传感网络，所构建的铁路防灾安全监控系统能够应用至铁路沿线更广泛的范围，尤其是有线布置困难的山区等地区，无需人工干预，在保证了列车的安全运行的前提下，也保证了人员安全。

Description

基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统

技术领域

本发明属于铁路安全监控领域，尤其涉及一种基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统。

背景技术

安全是确保铁路顺利开通运营的核心问题。近年来全球气候异常，洪水、雪灾、水灾等自然灾害所引发的列车脱轨、停运、车毁人亡、线路桥梁遭到破坏性损毁等一系列重大事故时有发生。在高速、高密度、运行环境复杂的运营条件下，如何主动有效地保障铁路运营安全已成为中国高速铁路健康发展的瓶颈问题。

铁路防灾安全监控系统作为保证高速列车安全运行的重要基础装备之一，负责对危及行车安全的风、雨、雪、轨温等自然情况进行检测报警及防护，提供经智能分析后的灾害预警、限速、停运等信息，为列车调度员调整列车运行计划，发布行车限速命令、组织抢险救援等提供依据，保证列车安全正点，高效舒适。

目前的铁路防灾安全监控系统主要是采用有线网络传输方式：现场各类信息采集设备经有线方式接入监控单元，各监控单元通过以太网接入各车站的监控数据处理设备进行分析处理，并根据列车运行管制规则提供行车建议信息，同时将报警、预警信息上传至调度中心。

铁路运营里程较长，沿线的部分地区因地理条件复杂，线路架设困难，限制了基于有线方式的防灾安全监控方法的应用，导致必须依靠人工巡查来采集灾害数据，这种方式由于间歇性采集，因此获得的数据密度小，实时性差，且占用劳动力多，现场工作环境恶劣，不仅不能可靠及时地反映铁路沿线自然情况，而且增加了巡查人员自身的危险。另一方面，这种方式采集的数据还需要通过人工来录入计算机存储进而进行分析处理，也使得监测过程显得不够严谨，自动化程度较低。

在地理环境较好的地区，虽然能够采用有线方式的监测方法，但是由于需要大量布线，导致安装、维护和维修工作复杂，而且造价相对较高，同时也增大了故障发生的概率；在既有线上新建线路及车站时，基于有线方式的监测方法扩展能力也较差。

发明内容

针对背景技术中提到的现有的铁路防灾安全监控系在网络传输方式上的限制，导致监测过程自动化程度低、后期维护复杂和故障发生率高以及扩展能力差的问题，本发明提出了一种基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统。

一种基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统，其特征在于，所述系统采用分布式的结构，共分为三层，包括感知层、网络层和监控层；所述感知层包括若干传感器节点、若干mesh路由器节点、若干无线摄像头和数据服务中心；所述网络层包括第一消息中间件和第二消息中间件；所述监控层包括防灾安全监控主机和数据库服务器；

其中，若干传感器节点构成无线传感网络，用于将采集列车运行环境所涉及的各项数据信息发送给mesh路由器节点；所述无线摄像头采集特定监控区域的视频信息，经过视频压缩编码后发送给mesh路由器节点；所述若干mesh路由器节点构成无线mesh网络中的无线自组骨干网络；所述mesh路由器节点中的一个与所述数据服务中心连接，剩余的mesh路由器节点经单跳或多跳的形式通过该mesh路由器节点接入数据服务中心；

所述第一消息中间件、第二消息中间件和防灾安全监控主机顺次连接；所述第一消息中间件接收数据服务中心发送的数据，并将经第一消息中间件处理后将消息以Topic消息模式进行存储，然后通过第二消息中间件发送给防灾安全监控主机；所述防灾安全监控主机以订阅的方式接收到该消息的一个拷贝，并将接收到的消息进行解析与处理、实时显示、灾害报警，并将消息实时上传至调度中心和数据库服务器进行消息存储。

所述传感器节点通过射频无线通信方式将采集到的数据信息发送到mesh路由器节点。

所述第一消息中间件、第二消息中间件和防灾安全监控主机通过Internet进行消息传输。

所述第一消息中间件和第二消息中间件还包括消息适配器，用于对接收到的消息进行数据格式和通讯协议的转换。

本发明的有益效果是：

（1）通过引入无线传感网络，所构建的铁路防灾安全监控系统能够应用至铁路沿线更广泛的范围，尤其是有线布置困难的山区等地区，扩大了防灾安全监控的适用范围，更大程度上保证了列车的安全运行。

（2）在新建铁路时，通过适当地增加传感器节点及无线摄像头，可以很方便地完成监控范围的增大，扩展比较容易。

（3）传感网络满足了铁路沿线监控的全覆盖也提高了防灾监控系统的自动化程度，在条件恶劣的地区也无需人工干预，保证了人员安全。

附图说明

图1基于无线传感网络的防灾安全监控系统总体结构图；

图2无线传感网络网络体系结构；

图3消息中间件解决方案框架图；

图4防灾安全监控系统示意图；

图5防灾安全监控主机与消息中间件接口文档；

图6防灾安全监控系统数据流向；

其中，1-无线传感网络；2-无线摄像头；3-传感器节点；4-防灾安全监控系统；5-以太网；6-数据库服务器；7-防灾安全监控主机；8-调度中心；9-mesh路由器节点；10-消息中间件。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1基于无线传感网络的防灾安全监控系统总体结构图。图1中，基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统采用分布式的结构，共分为三层，即感知层、网络层、监控层。感知层通过建立无线传感网络1收集铁路沿线的自然环境信息；网络层采用消息中间件10，对现场采集的异构数据进行融合处理和上报；监控层是设置在各车站的防灾安全监控系统4，对上报数据存储分析等，并将灾害预警及限速等信息上报至调度中心8，由调度中心8发布限速、停运等运行管制命令，以保证列车的安全运行。

感知层是一个无线传感网络(Wireless sensor network,WSN)，采用mesh网络结构。网络由随机部署在铁路沿线监测区域内的各种节点组成，能很好地完成数据的采集、处理和可靠传输。传感器节点3构成无线感知网络；mesh路由器节点9构成无线mesh网络中的高速无线自组骨干网络，采用射频无线通信技术来传输数据。具体的网络体系结构如附图2所示。

无线传感网络1中的各个节点是一个多维度感知数据的传感器，传感器针对列车运行环境所涉及的各项参数开发，能够采集时间、经度、纬度、高度、温度、湿度、风速、风向、光强、气压等“十个维度”的数据信息；通过射频无线通信方式发送到mesh路由器节点9。此外，增加无线摄像头2采集特定监控区域的视频信息，经过视频压缩编码后也通过无线自组骨干网络经多跳实时传输至接入数据服务中心。

Mesh路由器节点9通过多跳传自组织传输构成高速无线自组织骨干网络。该骨干网络中的每个节点都可以接收和传输无线传感网络1和无线摄像头2采集的数据和图像信息，将数据实时传输到数据服务中心。

以一个mesh路由器节点9接入数据服务中心为基础，其他mesh路由器节点9经单跳或多跳的形式通过该节点接入数据服务中心，实现无线传感网络1与有线网络的连接。

作为无线传感网络1和防灾安全监控系统4之间的网关，消息中间件10的作用是能够传输和整合来自无线传感网络的异构数据。并且，由于感知层中各监测点的监测数据是实时变化的，消息中间件10也用来保证感知层与监控层通信的实时性。中间件技术的解决方案框架如附图3。

消息中间件10主要由消息适配器，连接层，消息队列，消息存储，持久化，平台控制管理六个模块构成。

消息适配器：由于传感器数据感知的内容包含不同的异构数据、视频等，具有不同的数据格式和通讯协议，因此添加了适配器层。每次开始新的传输任务时，传感器数据发送到消息中间件10，它的适配器将接收到的数据按照预先定义的规则进行处理，生成对应格式的数据，然后将数据传输到消息队列中。

连接层：上述适配器与消息队列的连接，支持两种主流的消息中间件通信协议，AMQP协议和JMS协议。适配器通过这两种协议将格式转换后的数据发送到消息队列中。而适配器则可以自由定义与客户端的连接协议，以适应各种不同协议的数据采集系统，例如本发明中采用的ZigBee/802.15.4协议。

消息队列和消息存储：Queue消息和Topic消息对应消息中间件10的两种不同消息模型。在防灾安全监控的背景下，本发明采用了发布订阅(Publish/Subscribe,P/S)的消息模型。即经传感器网络传输的数据，经消息中间件平台处理后将消息放置到Topic，消息被存储在对应名字的Topic中，该Topic的所有活动订阅者（管辖车站的防灾监控主机）将接收到该消息的一个拷贝。

持久化：一般的消息会发送给订阅了此消息的、并且当前与服务器（消息中间件10）保持连接的客户端（各车站的防灾安全监控主机7）。被处理的消息都有自己的生命周期，超过了生命周期的消息，消息中间件10会自动将其销毁。但是针对列车运行环境的监测数据，是与运营安全相关的非常重要的数据，当防灾安全监控主机7（客户端）与消息中间件10（服务器）连接断开时或服务器意外重启时，消息将会被存储到关系型数据库中，进行持久化。

平台控制管理：对消息中间件服务器运行参数的配置通过配置文件的形式来支持，服务端程序提供一系列可配置的运行参数，可以由程序在启动时读入与应用。并且提供监控模块查询系统运行情况，并以此向管理者报告可能的警告消息。

监控层由防灾安全监控主机7及数据库服务器6组成；如图4所示。防灾安全监控主机7主要负责实现灾害信息的解析与处理、信息实时显示、灾害报警以及信息的实时上传至调度中心8和历史数据的存储。

●当无线传感网络1采集到新的环境数据时，消息中间件10会对其进行融合与处理，并存储至Topic中，防灾安全监控主机7作为客户端，通过Internet与消息中间件10保持连接，采用订阅消息的模式，从消息中间件订阅相应管辖范围内的灾害信息，并按照相应接口文档对数据进行解析，并将各个监测点的信息实时显示在监控界面上；消息中间件10接口文档如图5所示。

●防灾安全监控主机7根据存在本地的安全报警门限数据库和行车管制门限数据库对数据进行分析，当各监测数据达到报警阈值时，将报警信息显示在监控界面上，提醒工作人员注意，并要求工作人员确认；当到达行车管制门限时，将相应的灾害详细信息及建议限速值上传至调度中心8，由调度中心8发布限速、停运等运行管制命令，以保证列车的安全运行。

图6防灾安全监控系统数据流向。首先，传感器/无线摄像头之间通过多跳的方式最终将数据传送给Mesh路由器节点9；其次，Mesh路由器节点9通过串口协议将数据传送给消息中间件10，消息中间件10之间通过网络连接；最后，防灾安全监控主机7调用中间件接口获得数据，并对数据处理并储存。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于无线传感网络的铁路防灾安全监控系统，其特征在于，所述系统采用分布式的结构，共分为三层，包括感知层、网络层和监控层；所述感知层包括若干传感器节点、若干mesh路由器节点、若干无线摄像头和数据服务中心；所述网络层包括第一消息中间件和第二消息中间件；所述监控层包括防灾安全监控主机和数据库服务器；

其中，若干传感器节点构成无线感知网络，用于将采集列车运行环境所涉及的各项数据信息发送给mesh路由器节点；所述无线摄像头采集特定监控区域的视频信息，经过视频压缩编码后发送给mesh路由器节点；所述若干mesh路由器节点构成无线mesh网络中的无线自组骨干网络；所述mesh路由器节点中的一个与所述数据服务中心连接，剩余的mesh路由器节点经单跳或多跳的形式通过该mesh路由器节点接入数据服务中心；

所述第一消息中间件、第二消息中间件和防灾安全监控主机顺次连接；所述第一消息中间件接收数据服务中心发送的数据，并将经第一消息中间件处理后将消息以Topic消息模式进行存储，然后通过第二消息中间件发送给防灾安全监控主机；所述防灾安全监控主机以订阅的方式接收到该消息的一个拷贝，并将接收到的消息进行解析与处理、实时显示、灾害报警，并将消息实时上传至调度中心和数据库服务器进行消息存储。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器节点通过射频无线通信方式将采集到的数据信息发送到mesh路由器节点。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一消息中间件、第二消息中间件和防灾安全监控主机通过Internet进行消息传输。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一消息中间件和第二消息中间件还包括消息适配器，用于对接收到的消息进行数据格式和通讯协议的转换。

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