基于ZigBee的列车移动闭塞分区设计

我国铁路采用的区间信号闭塞传统模式主要有半自动闭塞和自动闭塞。采用半自动闭塞时，列车占用区间的凭证是出站信号机或是通过信号机的显示。它受半自动闭塞机的控制，只有当区间空闲，经过办理手续后，出站信号机才能开放，保证一个区间在同一条线路上，只能运行一趟列车以确保列车运行安全。自动闭塞是把一个站间长度划分成若干个闭塞分区，前后列车的运行间隔可以通过一定数量的闭塞分区实现，使得在一个区间的一条线路上，可以同时同方向运行数趟列车，实现列车在同一区间追踪运行。可见半自动闭塞和自动闭塞属于固定闭塞。列车与列车之间都必须有一定数量的空闲闭塞分区作为列车安全间隔，因控制系统无法知道列车在分区内的具体位置，所以列车制动的起点和终点总在某一分区的边界，极大地影响了线路的使用效率。移动闭塞方式能够实时地提供列车位置，并据此动态划分闭塞分区，能够在保证行车安全的基础上，大幅度地提高线路的使用率和铁路的运输能力。

1 移动闭塞

移动闭塞田采用无线电定位的方式来实现列车定位和占用轨道的检查功能。列车追踪目标点是前行列车的尾部。由于前行列车的速度和位置是随时变化的所以闭塞分区是不固定的。移动闭塞分区是由集中控制中心根据前车的位置而动态设置的。在列车和轨旁都安装无线网络节点，列车A在占用区间时加入由地面网络节点组成的无线网络，地面无线网络根据接收到列车A发送的电磁波的强度由定位算法确定列车A的运行速度、位置等信息。当列车B进入当前区间时，同样加入无线网络，并由无线网络确定列车B的运行信息，确定B车和A车间的移动闭塞间隔，然后将移动闭塞间隔和列车A的运行信息等控制信息传递给列车B，列车B根据接收到的信息控制本车运行。移动闭塞系统采用目标距离模式曲线(也称一次制动模式曲线)如图1所示。

图1 移动闭塞目标距离模式曲线示意图

2 物联网技术

物联网的核心技术为基于的无线网络，给铁路各区间站点安装一个唯一的代码的物联网设备，构造一个覆盖整个铁路沿线的实物互联网，在运行铁路沿线的动车也安装该设备。

2．1 ZigBee技术特点

ZigBee数传技术是一种具有高可靠性、低复杂度、能够自组网且抗干扰性强的无线网络技术。它以IEEE 802．15．4作为技术标准，实现无线组网通信。ZigBee数传模块网络以接力的方式高效地传递数据。

ZigBee现有的可工作频段为2．4 GHz(全球)、868 MHz(欧洲)和915 MHz(美国)。在3个频段上的传输速率分别为250Kbps、20Kbps、40Kbps。网络节点间的距离可以从标准的75米，扩展到5千米。技术的优点主要有以下几点：

(1)可靠性高。采用了CSMA/CA(载波监听多路访问／碰撞避免)机制，同时预留专用的时隙用于需要固定带宽的通信业务，避免了发送时数据的竞争和冲突；各节点模块之间具有自组网功能，信息在整个ZigBee数传模块网络中通过自动路由的方式传输，从而保证了信息传输的可靠性。

    (2)时延短。ZigBee无线模块节点的休眠激活时延为15ms，移动节点接人信道时延为15ms。

    (3)安全，保密性高。ZigBee无线模块提供了数据完整性检查和鉴权功能，支持AES-128加密算法。

    (4)网络容量大。可支持多达65000个节点。

    (5)网络的自组织、自愈能力强。无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。

2．2 ZigBee协议栈及网络拓扑结构

ZigBee协议栈从下至上由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层和高层应用规范层组成。其中，网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定，IEEE则制定物理层和链路层标准。

ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线连接的方式组成星状、树状或网状网络。系统的大部分节点为子节点，在组网通信上，它只是其功能的一个子集，称之为半功能设备(RFD)；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备(FFD)。网状网络拓扑结构图如图2所示。

图2 ZigBee网状网络拓扑结构图

每个独立的网络都有唯一的标识符和网络号(PAN标识符)。利用PAN标识符，采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活网络设备之间的通信。每个网络中都有一个唯一的协调器，具有对本网络的管理能力。网络中的全功能节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使用，而半功能节点只能由终端节点使用。在网状网络中，全功能节点都具有路由功能，半功能节点只与就近的全功能节点进行通信。

3 移动闭塞网络的整体构架

3．1 系统的基本组成及工作原理

基于ZigBee的移动闭塞系统主要是指由ZigBee无线模块构成的无线网络，其中包括车载ZigBee数据采集节点和地面节点两部分。系统基本结构如图3所示。

图3基于ZigBee的移动闭塞分区系统示意图

地面ZigBee数传模块铺设在轨旁并且各节点问组成无线网络。整个网络与轨道电路、道岔、应答器等构成地面列控系统。列控系统、列车自动监控系统和联锁设备等通过以太网连接到调度集中系统。

    车载ZigBee无线模块节点作为ZigBee网络中的一个子节点加人地面ZigBee无线网络并保持连续的双向通信。

    列车不问断对其标识、方向和速度信息进行并向地面网络传输，地面网络根据接收到的列车发送的信息和信号强度计算、确定列车的移动闭塞分区，并将相关信息传递给该列车和其后面的列车，确保列车安全运行。

3．2列车定位原理及算法

本系统采用接收信号强度指示技术(Received Signal Strength Indication，RSSI)。RSSI是在接收端测量接收到的信号的强度，根据自由空间的电磁波传播模型，计算出发射端到接收端的距离，实现列车定位。

自由空间的电磁波传播模型：L=32．44+20lgf+20lgd      (1)

式中：L为传播损耗，单位为dB；d为接收端与发送端的距离，单位为km；f为工作频率，单位为MHz。

L=PI／P，     (2)

式中：Pt为发射功率，单位为mw；P，为接收功率，单位为mW。

    当电磁波的工作频率f和发射功率Pl固定不变时，根据接收端接收到信号的功率P，计算出列车的距离d。当列车节点加人地面无线网络后，网络自动选取接收信号最强的地面节点，来定位列车，根据公式(1)计算列车距离信号最强的地面无线网络节点，从而实现列车定位。

3．3移动闭塞系统的规划及仿真

本系统采用，TI公司的ZigBee大功率、远距离传输模块CC2430。该模块主要技术参数如下：

●输出功率：50mw(17dBm)

●室外传输距离：1．6km

●数据传输速率：250 Kbps

●工作频率：2．4 GHz

●接收灵敏度：一102 dBm

●扩展频谱类型：DSSS(直接序列扩频)

●网络拓扑结构：Mesh网

●加密：128位AES

参照应用于哈大高铁上的CTCS-3级列控系统的技术指标，为满足运营速度在300kn以及以上、3分钟列车追踪运行的要求，本移动闭塞系统分区一般按不大于2000m进行设计。为此应保证在一个闭塞分区内有2—3个无线节点。

列车的设计最高时速为350km，最大多普勒频移△f由公式(4)求出，△f=0．778KHz。

   （4）

    式中：v为列车运行速度 350km／h；c为光速；f为无线节点工作频率 2．4GHz。

    列车的最大多普勒频移△f=0．778KHz，它比无线节点的工作频率(2．4GHz)小7个数量级；列车的高速运行要求系统要有很高的数据传输速率，ZigBee的最高传输速率为250Kbps。，综上两点可以得出如下结论：采用2．4GHz的工作频率可以有效地减小因列车高速运行而产生的多普勒效应的影响，同时也为系统提供了高速数据传输通道。

    地面与车载无线节点均采用120度定向天线，实现信号对轨道的全覆盖。

为保证在一个闭塞分区内有2-3个无线节点，地面无线模块节点间距离应在500-1500m之间。小于500m设备铺设成本过高，且设备利用率低；距离过大，模块无法工作。模块最大传输距离可以达到1600m，在实际铺设时还应留有一定的富余量。地面无线节点间距Matlab仿真图如图4所示。

图4 地面模块节点间距MatIab仿真图

从仿真图可以看出，曲线的切线在点C(1，-83．0542)处。CC2430的接收灵敏度为-102dBm，-83．0542dBm完全满足要求。所以可得出如下结论：地面模块间的合理距离为1km。

4 结束语

随着高铁时代的到来，基于ZigBee数传模块技术的移动闭塞技术将成为主流。采用移动闭塞后集中调度系统可以根据列车的实时速度和位置计算列车的最大制动距离，动态地分配安全区间。由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，这使列车能以较高的速度和较小的间隔运行，从而提高运营效率。同时技术以其独有的特性，在众多无线网络技术中脱颖而出。基于ZigBee的无线网络移动闭塞技术将有着非常广阔的前景。