徐慶標(biāo)

無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng) （以下簡稱STP系統(tǒng)）的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對調(diào)車作業(yè)過程的動態(tài)監(jiān)控，有效提高了調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)水平。但對于作業(yè)機(jī)車的實(shí)時定位，仍缺乏獲取停留車位置的技術(shù)手段，影響了系統(tǒng)的控制進(jìn)度和連掛作業(yè)自動防護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對作業(yè)機(jī)車的位置跟蹤，只能通過地面點(diǎn)式應(yīng)答器獲取作業(yè)機(jī)車的初始位置，并根據(jù)車站聯(lián)鎖信息進(jìn)行調(diào)車進(jìn)路跟蹤；為了能確定停留車位置，保留了存放作業(yè)時刻的大致位置，而無法確定非STP系統(tǒng)存放的停留車位置。即便如此，仍無法克服因通信時延、鉤確認(rèn)時機(jī)不同等造成的定位誤差。為此，調(diào)車監(jiān)控模式和非調(diào)車監(jiān)控模式才應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee技術(shù)將全面解決現(xiàn)有STP系統(tǒng)的車列定位問題，克服因位置未知帶來的需初始入網(wǎng)注冊才能進(jìn)入調(diào)車監(jiān)控模式、距停留車距離未知時無法自動連掛等問題。

1 構(gòu)建基于ZigBee的Mesh定位網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本等。

1．1 STP系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備

STP系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備二大部分組成，如圖1所示，其中地面主機(jī)和車載主機(jī)分別為核心設(shè)備。地面主機(jī)與計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，獲取車站聯(lián)鎖信息；車載主機(jī)與LKJ主機(jī)接口，接收機(jī)車工況，并發(fā)送車站聯(lián)鎖信息和控車信息等；平調(diào)設(shè)備中的機(jī)控器與LKJ主機(jī)接口，傳送調(diào)車手持臺的調(diào)車指令。此外，與計算停留車位置相關(guān)的設(shè)備還有成對的智能鐵鞋，分別設(shè)置在停留車兩端最外側(cè)車輪和鋼軌之間，是車輛防溜的固定裝置。

1．2 基于ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)

為實(shí)時定位作業(yè)機(jī)車和停留車位置，需構(gòu)建覆蓋整個作業(yè)站場的、以ZigBee模塊為節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有車載主機(jī)、平調(diào)手持臺、智能鐵鞋和站場規(guī)定區(qū)域內(nèi)布置的參考節(jié)點(diǎn)。除參考節(jié)點(diǎn)外，其他3類節(jié)點(diǎn)的位置都需要根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的已知位置坐標(biāo)進(jìn)行計算。

圖1 STP系統(tǒng)及相關(guān)聯(lián)設(shè)備組成框圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種節(jié)點(diǎn)類型：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是必不可少的，車載主機(jī)、平調(diào)手持臺、智能鐵鞋和參考節(jié)點(diǎn)均集成有全功能的ZigBee定位模塊，車載主機(jī)將作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或網(wǎng)絡(luò)路由器，其他設(shè)備將作為網(wǎng)絡(luò)路由器。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng) （Star）、樹狀網(wǎng) （Cluster－tree）和網(wǎng)狀網(wǎng) （Mesh）。Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)相比，能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噫溌愤x擇性，有更大的覆蓋范圍、很強(qiáng)的自愈能力以及更高的可靠性和冗余性。根據(jù)STP系統(tǒng)中各設(shè)備在調(diào)車作業(yè)站場內(nèi)的分布特點(diǎn)，并兼顧無線網(wǎng)絡(luò)全站場覆蓋的需要，將作業(yè)站場按咽喉區(qū)進(jìn)行劃分，分別構(gòu)建上行咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)和下行咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)：

1．在咽喉區(qū)里，首次上電運(yùn)行的車載主機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其后運(yùn)行的車載主機(jī)、平調(diào)手持臺、智能鐵鞋和參考節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)路由器，加入網(wǎng)絡(luò)時根據(jù)檢測到的信道能量大小選擇父設(shè)備，父節(jié)點(diǎn)可能是協(xié)調(diào)器，也可能是路由器。

2．在現(xiàn)有點(diǎn)式應(yīng)答定位器和發(fā)車信號機(jī)附近的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)，或就近的線纜盒內(nèi)布置參考節(jié)點(diǎn)，如咽喉區(qū)跨度較大，可在咽喉區(qū)中部位置再增設(shè)若干參考節(jié)點(diǎn)，確保遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的參考節(jié)點(diǎn)能通過鄰近的參考節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。

3．當(dāng)本咽喉區(qū)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的車載主機(jī)跨過股道，進(jìn)入另一咽喉區(qū)時，解除與各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，或作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器重新構(gòu)建另一咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)，或作為網(wǎng)絡(luò)路由器接入另一咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)；同時本咽喉區(qū)中作為網(wǎng)絡(luò)路由器的車載主機(jī)將成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，重新構(gòu)建本咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)。

4．當(dāng)本咽喉區(qū)作為網(wǎng)絡(luò)路由器的車載主機(jī)跨過股道，進(jìn)入另一咽喉區(qū)時，解除與本咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)的關(guān)聯(lián)，作為網(wǎng)絡(luò)路由器接入另一咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)。

上行咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，矩形框圖表示車載主機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，橢圓形框圖表示網(wǎng)絡(luò)路由器，框中的 “主”、“鐵”、“手”、“參”分別表示車載主機(jī)、智能鐵鞋、平調(diào)手持臺和參考節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由器。

為延伸單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無線傳輸距離，減少M(fèi)esh網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以為ZigBee模塊增加功率放大模塊，使傳輸距離由傳統(tǒng)的不足80m提高到1km左右，以更好地滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

圖2 上行咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)

2 基于RSSI測距模型的定位算法設(shè)計

基于距離的定位算法，就是要盡可能準(zhǔn)確地獲得節(jié)點(diǎn)間的距離。ZigBee模塊內(nèi)嵌有基于RSSI的硬件定位引擎，可通過輸入環(huán)境參數(shù)和參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，輸出待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，但定位精度不足，缺乏靈活性?；赗SSI測距模型的定位算法，將借助ZigBee模塊提供的RSSI值，由計算能力強(qiáng)大的車載主機(jī)實(shí)時收集大量的參考節(jié)點(diǎn)RSSI值，計算出待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

2．1 RSSI測距模型和定位基本原理

式中，A表示相距1m處接收到的RSSI值，以dB為單位；n為路徑損耗指數(shù)，用來描述信號強(qiáng)度隨距離增加而遞減的速率，依賴于無線通信外部環(huán)境。

ZigBee模塊可直接從接收到的信息中獲得RSSI值，根據(jù) （1）式推算出信息發(fā)送端和接收端間的距離d。

在一個二維空間中，只要知道待定位節(jié)點(diǎn)到3個參考節(jié)點(diǎn)間的距離，就能計算出待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)3個參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為 （X1，Y1）、（X2，Y2）和（X3，Y3），待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為（X，Y），待定位節(jié)點(diǎn)到3個參考節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2和d3，根據(jù)二維空間距離計算公式，得到方程組：

這是一個非線性方程，可以采用線性化方法求出未知量 （X，Y）。

2．2 定位算法設(shè)計

建立咽喉區(qū)Mesh網(wǎng)后，為避免同一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送和接收的沖突，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器采用輪詢方式呼叫參考節(jié)點(diǎn)，對參考節(jié)點(diǎn)播發(fā)廣播信息進(jìn)行嚴(yán)格的時序控制，收集待定位節(jié)點(diǎn)一跳范圍內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值。

1．協(xié)調(diào)器從節(jié)點(diǎn)短地址列表中依次取出與參考節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的短地址，向該參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI Blast廣播請求命令。

2．擁有該短地址的參考節(jié)點(diǎn)廣播RSSI值，一跳范圍內(nèi)的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) （包括其他參考節(jié)點(diǎn)）收到RSSI Blast信號，分別記錄該參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值。

3．所有的參考節(jié)點(diǎn)輪詢一遍后，網(wǎng)絡(luò)中車載主機(jī)、平調(diào)手持臺、智能鐵鞋節(jié)點(diǎn)將完整記錄了一跳范圍內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值 （每一個參考節(jié)點(diǎn)也都記錄了其他參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值）。

4．協(xié)調(diào)器分別向平調(diào)手持臺節(jié)點(diǎn)、智能鐵鞋節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI請求命令，收集它們記錄的RSSI值。

5．平調(diào)手持臺節(jié)點(diǎn)、智能鐵鞋節(jié)點(diǎn)收到RSSI請求命令后，也同時向非協(xié)調(diào)器的車載主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送它們記錄的RSSI值。

車載主機(jī)通過比較自己記錄的各參考節(jié)點(diǎn)RSSI值，選中2個最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)，作為“待定位節(jié)點(diǎn)”，分別找到此 “待定位節(jié)點(diǎn)”的最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)，將已知的RSSI值和距離d，代入 （1）式，計算出n和A的值；以車載主機(jī)為待定位節(jié)點(diǎn)，再從車載主機(jī)記錄的各參考節(jié)點(diǎn)RSSI值中找到3個最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)計算出的n和A，再次代入 （1）式，求出d1、d2和d3，并代入方程組 （2），得到車載主機(jī)的位置坐標(biāo)。

同理，計算平調(diào)手持臺和智能鐵鞋的位置坐標(biāo)時，也先選擇它們所記錄的2個最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)，作為 “待定位節(jié)點(diǎn)”，求出n和A；再從它們記錄的各參考節(jié)點(diǎn)RSSI值中選3個最大RSSI值的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算。

2．3 定位算法修正

鏈路質(zhì)量指示 LQI （Link Quality Indicator）與RSSI相類似，也隨距離的增加而減小，ZigBee模塊可以從接收的信息中一并獲取。LQI的動態(tài)范圍為0～255，比RSSI值大，有更高的分辨率。將LQI值融入RSSI的測距算法中，可進(jìn)一步提高測距精度。調(diào)車車列運(yùn)行在軌道區(qū)段上，停留車也位于股道或無岔區(qū)段上，計算出的位置坐標(biāo)必須根據(jù)“三點(diǎn)一線”的原理進(jìn)行修正，確保位置坐標(biāo)修正到調(diào)車車列或停留車所在的區(qū)段上。

3 可行性分析及展望

調(diào)車作業(yè)站場的ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)，涉及到的設(shè)備都需要增加ZigBee模塊。車載主機(jī)本身就是以嵌入式單板計算機(jī)為核心的多板卡集成設(shè)備，方便增加ZigBee模塊；集成有ZigBee模塊的智能鐵鞋也有實(shí)際的應(yīng)用；平調(diào)手持臺體積小，便于攜帶，也需要對主控板重新設(shè)計，集成ZigBee模塊；參考節(jié)點(diǎn)就是單一的ZigBee模塊，但需解決現(xiàn)場安裝和供電問題。ZigBee模塊體積小、功耗低，可考慮將其布置到咽喉區(qū)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)或電纜盒中，并根據(jù)定位的需要靈活配置。

通過構(gòu)建覆蓋整個站場的ZigBee定位網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)時計算作業(yè)車列和停留車的位置，拓展了STP系統(tǒng)的調(diào)車作業(yè)監(jiān)控范圍。

1．可取消地面點(diǎn)式應(yīng)答定位模塊，系統(tǒng)一上電運(yùn)行，即進(jìn)入調(diào)車作業(yè)監(jiān)控狀態(tài)，不再區(qū)分監(jiān)控模式和非監(jiān)控模式。

2．通過智能鐵鞋實(shí)時獲取作業(yè)端的停留車位置及平調(diào)手持臺提供的車列前部位置，實(shí)現(xiàn)連掛作業(yè)的自動防護(hù)，取消十五三車連掛作業(yè)方式。

3．采用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)非集中道岔狀態(tài)采集功能，將采集機(jī)作為非集中區(qū)Mesh定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)啦頎顟B(tài)信息，實(shí)現(xiàn)非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)監(jiān)控。

4．智能鐵鞋所具備的定位、監(jiān)測和無線通信功能，便于將智能鐵鞋的監(jiān)測和管理統(tǒng)一納入到STP系統(tǒng)的維護(hù)管理中。

4 結(jié)束語

在STP－KA系統(tǒng)研發(fā)初期，設(shè)計了成對的基于ZigBee模塊的無線平調(diào)接口盒，分別連接到車載主機(jī)和便攜式平調(diào)機(jī)控器的外圍接口上，使得車載主機(jī)能以無線的方式，實(shí)時接收便攜式平調(diào)機(jī)控器的調(diào)車指令，實(shí)現(xiàn)了本務(wù)機(jī)車在中間站調(diào)車作業(yè)時的十五三車連掛作業(yè)的機(jī)控功能，為ZigBee模塊在STP系統(tǒng)中的成功應(yīng)用積累了一定的經(jīng)驗(yàn)?；赗SSI測距模型的定位算法與環(huán)境變量n和A直接相關(guān)，作業(yè)站場的障礙物 （如停留車多少）、天氣條件等都會影響無線信號的傳輸；研究的定位算法基于實(shí)測的RSSI值，適宜選擇典型的非集中區(qū)站場進(jìn)行試驗(yàn)，方便在試驗(yàn)過程中不斷修正、完善定位算法，先期實(shí)現(xiàn)非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)的監(jiān)控，為最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的集中區(qū)和非集中區(qū)調(diào)車作業(yè)安全監(jiān)控，做好充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

［1］ 中國鐵路總公司 ．鐵總運(yùn)［2014］182號 ．TJ／DW035－2014無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)暫行技術(shù)規(guī)范［S］．2014．

［2］ 中華人民共和國 ．GB／T 7178．1－9－1996鐵路調(diào)車作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］．1996．

［3］ 許勇．基于ZigBee的 Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究［D］．中國科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011．

［4］ 劉波，陳兆?。羌械啦頎顟B(tài)監(jiān)測裝置研究［J］．中國鐵路，2012（10）．

［5］ 張安安，熊少陽．基于ZigBee技術(shù)的智能防滑鐵鞋系統(tǒng)的設(shè)計［J］．江西科學(xué)，2013（31）．

［6］ 馬云，鄭云水．基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能鐵鞋系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2012（12）．