CN114025362A - 基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，该方法将无线通信和分布式计算相结合，通过本地化无线传输降低了局部范围数据负载，结合两段独立的无线传输过程，解决了大规模数据传输所带来的传输阻塞问题，在本地数据处理过程中，优先对紧急任务数据进行区分和本地化处理，避免了紧急任务数据处理的延时，通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理，能够有效降低数据传输冗余量，可以提升铁路建设施工作业的施工安全和总体数据传输容量，从而提升了安全监测过程中的数据利用率和监测实时性。

Description

基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法。

背景技术

随着铁路工程建设下施工安全监测与管理技术的不断发展，对施工安全的要求也越来越高。目前的铁路施工过程由于建设周期长、施工风险高、管理难度大导致施工安全事故频发。但大部分事故发生前均有前兆，通过监控和检测系统进行铁路施工过程中的安全监测，能够提前发现危险源，以便及时处理，减少安全事故的发生。

然而，在安全监测过程中，由于大量现场设备的接入、生产数据的采集会导致大量冗余数据的产生，进而导致数据利用率低，降低了监测实时性，且会导致紧急任务数据处理的延时，影响安全性。

发明内容

为此，本发明的目的在于提出一种基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，以解决现有技术数据利用率低、监测实时性差、以及会引起紧急任务数据处理延时的问题。

本发明提供一种基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，包括：

步骤1，本地数据无线传输：

在安全监测开始前，将铁路施工区域化分为多个施工分区，在每个施工分区内分别部署边缘服务器和无线接入点，从而形成分布式的无线接入点，在安全监测开始时，在每个施工分区的通信范围内，数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输，其中，监测数据包括传感监测数据和视频监测数据，传感监测数据由传感器采集得到，视频监测数据由摄像头采集得到，任务数据由任务监控设备发起；

步骤2，本地数据处理：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据；

传感监测数据、视频监测数据和任务数据恢复之后，在每个施工分区内通过边缘服务器首先根据需求延时阈值对任务数据中的紧急任务数据与一般任务数据进行区分，区分后对紧急任务数据进行本地化处理，然后通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理；

步骤3，分布式数据无线传输：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至宏中心基站；

步骤4，宏中心基站的数据恢复与管理

在宏中心基站通过最大比合并法对传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，数据恢复后，宏中心基站分别对所有类型的数据任务进行统一管理与监测。

上述基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其中，步骤1具体包括：

将铁路施工区域化分为I个施工分区，在每个施工分区内分别部署边缘服务器和装备了N根天线的无线接入点，从而形成分布式的无线接入点，在每个施工分区的通信范围内，有K个数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输；

其中，第一段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的通信范围内无线通信数据的传输公式为：

y_i=W_ix_i+n_i

其中，y_i表示第i个施工分区内无线接入点的接收数据，且y_i是N×1的向量，x_i表示第i个施工分区内无线接入点的发射数据，且x_i是K×1的向量，W_i表示第一段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且W_i是N×K的矩阵，n_i表示第i个施工分区内K个数据传输时所产生的加性高斯白噪声，且n_i是N×1的向量。

上述基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其中，步骤2具体包括：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据，其中，在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据的表达式为：

r_i={[(W_i)^HW_i]^-1(W_i)^H}y_i

其中，r_i表示在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据；H表示共轭转置运算。

上述基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其中，步骤3具体包括：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至配置了M根天线的宏中心基站，其中，第二段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的数据传输至宏中心基站的无线通信数据的传输公式为：

Y_i=G_i ^HZ_i+m_i

其中，Y_i表示宏中心基站从第i个施工分区接收到的数据，且Y_i是M×1的向量，G_i ^H表示第二段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且G_i ^H是M×N的向量，Z_i是边缘服务器对r_i进行恢复处理后得到的数据，且Z_i是N×1的向量，m_i表示第i个施工分区的发射数据传输时所产生的加性高斯白噪声，m_i是M×1的向量。

上述基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其中，步骤4具体包括：

在宏中心基站通过最大比合并法对第i个施工分区传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，经宏中心基站恢复后的接收数据的表达式为：

其中，R_i表示宏中心基站对来自第i个施工分区的数据进行恢复后的接收数据，j表示第j个施工分区，且i≠j，G_j ^H表示第二段无线信道中与第j个施工分区对应的信道的信道矩阵，G_j ^H经过共轭转置运算后得到G_j，Z_j是边缘服务器对r_j进行恢复处理后得到的数据，r_j表示在第j个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据。

根据本发明提供的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，将无线通信和分布式计算相结合，通过本地化无线传输降低了局部范围数据负载，结合两段独立的无线传输过程，解决了大规模数据传输所带来的传输阻塞问题，在本地数据处理过程中，优先对紧急任务数据进行区分和本地化处理，避免了紧急任务数据处理的延时，通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理，能够有效降低数据传输冗余量，可以提升铁路建设施工作业的施工安全和总体数据传输容量，从而提升了安全监测过程中的数据利用率和监测实时性。此外，通过宏中心基站对数据进行统一管理和监测保证了整个施工作业的统筹性和兼顾性，可以降低信息不及时所带来的数据任务处理时间差异性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明一实施例提供的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，包括步骤1~步骤4：

步骤1，本地数据无线传输：

在安全监测开始前，将铁路施工区域化分为多个施工分区，在每个施工分区内分别部署边缘服务器和无线接入点，从而形成分布式的无线接入点，在安全监测开始时，在每个施工分区的通信范围内，数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输，其中，监测数据包括传感监测数据和视频监测数据，传感监测数据由传感器采集得到，视频监测数据由摄像头采集得到，任务数据由任务监控设备发起。

其中，步骤1具体包括：

可以根据铁路施工设备的分布特点，将铁路施工区域化分为I个施工分区，在每个施工分区内分别部署一个边缘服务器和一个装备了N根天线的无线接入点，从而形成分布式的无线接入点。

数据收集设备包括传感器、摄像头、任务监控设备等，任务监控设备例如是监控计算机。

通过铁路施工现场安装的传感器、摄像头和监控计算机等设备采集传感监测数据、视频监测数据和任务数据，并且数据采集设备均能通过无线通信上传数据。

在每个施工分区的通信范围内，有K个数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输；

其中，第一段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的通信范围内无线通信数据的传输公式为：

y_i=W_ix_i+n_i

其中，y_i表示第i个施工分区内无线接入点的接收数据，且y_i是N×1的向量，x_i表示第i个施工分区内无线接入点的发射数据，且x_i是K×1的向量，W_i表示第一段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且W_i是N×K的矩阵，n_i表示第i个施工分区内K个数据传输时所产生的加性高斯白噪声，且n_i是N×1的向量。

步骤2，本地数据处理：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复原始采集信息集，即恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据。

传感监测数据、视频监测数据和任务数据恢复之后，在每个施工分区内通过边缘服务器首先根据需求延时阈值对任务数据中的紧急任务数据与一般任务数据进行区分，区分后对紧急任务数据进行本地化处理，以降低铁路施工的应急安全隐患。紧急任务例如是涉及紧急安全的任务，具体例如紧急疏散任务，需要进行优先处理。

然后通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理。

其中，步骤2具体包括：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据。迫零接收检测处理的目的是为了消除信号中的干扰，迫零接收检测处理为现有技术，在此不予赘述。

其中，在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据的表达式为：

r_i={[(W_i)^HW_i]^-1(W_i)^H}y_i

其中，r_i表示在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据；H表示共轭转置运算。

边缘服务器进行迫零接收检测处理后，再通过估计算法对r_i进行恢复处理，就能够恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据。

步骤3，分布式数据无线传输：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至宏中心基站。

其中，步骤3具体包括：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至配置了M根天线的宏中心基站，其中，第二段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的数据传输至宏中心基站的无线通信数据的传输公式为：

Y_i=G_i ^HZ_i+m_i

其中，Y_i表示宏中心基站从第i个施工分区接收到的数据，且Y_i是M×1的向量，G_i ^H表示第二段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且G_i ^H是M×N的向量，Z_i是边缘服务器对r_i进行恢复处理后得到的数据，且Z_i是N×1的向量，m_i表示第i个施工分区的发射数据传输时所产生的加性高斯白噪声，m_i是M×1的向量。

步骤4，宏中心基站的数据恢复与管理

在宏中心基站通过最大比合并法对传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，使数据有较低的误码率。数据恢复后，宏中心基站分别对所有类型的数据任务进行统一管理与监测，一方面保证作业的安全进行，另一方面则对整个施工作业进行统筹管理。

其中，步骤4具体包括：

在宏中心基站通过最大比合并法对第i个施工分区传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，经宏中心基站恢复后的接收数据的表达式为：

其中，R_i表示宏中心基站对来自第i个施工分区的数据进行恢复后的接收数据，j表示第j个施工分区，且i≠j，G_j ^H表示第二段无线信道中与第j个施工分区对应的信道的信道矩阵，G_j ^H经过共轭转置运算后得到G_j，Z_j是边缘服务器对r_j进行恢复处理后得到的数据，r_j表示在第j个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据。

综上，根据本发明提供的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，将无线通信和分布式计算相结合，通过本地化无线传输降低了局部范围数据负载，结合两段独立的无线传输过程，解决了大规模数据传输所带来的传输阻塞问题，在本地数据处理过程中，优先对紧急任务数据进行区分和本地化处理，避免了紧急任务数据处理的延时，通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理，能够有效降低数据传输冗余量，可以提升铁路建设施工作业的施工安全和总体数据传输容量，从而提升了安全监测过程中的数据利用率和监测实时性。此外，通过宏中心基站对数据进行统一管理和监测保证了整个施工作业的统筹性和兼顾性，可以降低信息不及时所带来的数据任务处理时间差异性。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其特征在于，包括：

步骤1，本地数据无线传输：

在安全监测开始前，将铁路施工区域化分为多个施工分区，在每个施工分区内分别部署边缘服务器和无线接入点，从而形成分布式的无线接入点，在安全监测开始时，在每个施工分区的通信范围内，数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输，其中，监测数据包括传感监测数据和视频监测数据，传感监测数据由传感器采集得到，视频监测数据由摄像头采集得到，任务数据由任务监控设备发起；

步骤2，本地数据处理：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据；

传感监测数据、视频监测数据和任务数据恢复之后，在每个施工分区内通过边缘服务器首先根据需求延时阈值对任务数据中的紧急任务数据与一般任务数据进行区分，区分后对紧急任务数据进行本地化处理，然后通过边缘服务器采用数据有效阈值和视频数据压缩处理方案对恢复后的传感监测数据和视频监测数据中的冗余数据进行降冗余处理；

步骤3，分布式数据无线传输：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至宏中心基站；

步骤4，宏中心基站的数据恢复与管理

在宏中心基站通过最大比合并法对传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，数据恢复后，宏中心基站分别对所有类型的数据任务进行统一管理与监测。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其特征在于，步骤1具体包括：

将铁路施工区域化分为I个施工分区，在每个施工分区内分别部署边缘服务器和装备了N根天线的无线接入点，从而形成分布式的无线接入点，在每个施工分区的通信范围内，有K个数据收集设备通过无线通信将采集到的监测数据和任务数据经过第一段无线信道发送到相应的无线接入点，实现分布式施工分区区内数据传输；

其中，第一段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的通信范围内无线通信数据的传输公式为：

y_i=W_ix_i+n_i

其中，y_i表示第i个施工分区内无线接入点的接收数据，且y_i是N×1的向量，x_i表示第i个施工分区内无线接入点的发射数据，且x_i是K×1的向量，W_i表示第一段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且W_i是N×K的矩阵，n_i表示第i个施工分区内K个数据传输时所产生的加性高斯白噪声，且n_i是N×1的向量。

3.根据权利要求2所述的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其特征在于，步骤2具体包括：

在每个施工分区内，边缘服务器对无线接入点接收到的数据进行迫零接收检测处理，以恢复传感器采集的传感监测数据、摄像头采集的视频监测数据、任务监控设备发起的任务数据，其中，在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据的表达式为：

r_i={[(W_i)^HW_i]^-1(W_i)^H}y_i

其中，r_i表示在第i个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据；H表示共轭转置运算。

4.根据权利要求3所述的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其特征在于，步骤3具体包括：

通过分布式的无线接入点将每个施工分区内的一般任务数据、以及经过降冗余处理后的传感监测数据和视频监测数据经过第二段无线信道统一传输至配置了M根天线的宏中心基站，其中，第二段无线信道中存在I个与各个施工分区一一对应的信道；

第i个施工分区的数据传输至宏中心基站的无线通信数据的传输公式为：

Y_i=G_i ^HZ_i+m_i

其中，Y_i表示宏中心基站从第i个施工分区接收到的数据，且Y_i是M×1的向量，G_i ^H表示第二段无线信道中与第i个施工分区对应的信道的信道矩阵，且G_i ^H是M×N的向量，Z_i是边缘服务器对r_i进行恢复处理后得到的数据，且Z_i是N×1的向量，m_i表示第i个施工分区的发射数据传输时所产生的加性高斯白噪声，m_i是M×1的向量。

5.根据权利要求4所述的基于无线通信和分布式计算的铁路施工安全监测方法，其特征在于，步骤4具体包括：

在宏中心基站通过最大比合并法对第i个施工分区传输到宏中心基站的数据进行线性检测恢复，经宏中心基站恢复后的接收数据的表达式为：

其中，R_i表示宏中心基站对来自第i个施工分区的数据进行恢复后的接收数据，j表示第j个施工分区，且i≠j，G_j ^H表示第二段无线信道中与第j个施工分区对应的信道的信道矩阵，G_j ^H经过共轭转置运算后得到G_j，Z_j是边缘服务器对r_j进行恢复处理后得到的数据，r_j表示在第j个施工分区内，经边缘服务器迫零接收检测处理后的接收数据。

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