Мониторинг состояния объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта на основе технологии FUSN

Бесперебойность перевозочного процесса ставит жесткие требования к объектам и устройствам инфраструктуры железнодорожного транспорта. В условиях, когда с ростом скорости последствия отказов устройств могут быть особенно опасными, весьма актуальным становится вопрос удаленного мониторинга неисправностей и предотказных состояний устройств инфраструктуры железнодорожного транспорта.

Создание системы мониторинга рассмотрим на примере контроля состояния опор контактной сети и элементов линейных кабельных сооружений связи. Контроль состояния опор контактной сети железной дороги в режиме реального времени позволит предотвратить аварии и значительно увеличить рентабельность эксплуатации дороги, так как будет осуществляться ремонт или замена лишь тех опор, которые действительно нуждаются в этом. В линейных кабельных сооружениях связи актуальным является вопрос контроля герметичности кабельных муфт, контроля целостности оболочек кабелей, находящихся под постоянным давлением, а также мониторинга рабочей температуры кабелей.

Особенности беспроводных летающих всепроникающих сенсорных сетей

Рассмотрим особенности применения беспроводных летающих всепроникающих сенсорных сетей (Flying U^iquitоus Senѕоr ^etԝоrks – далее FUS^) для сбора данных о состоянии устройств и объектов железнодорожной инфраструктуры. Сети FUЅ^ представляют собой один из классов всепроникающих сенсорных сетей US^. Преимуществами таких сетей являются [1]։

– отсутствие необходимости в прокладке кабелей для передачи данных;

– низкая стоимость оборудования, пусконаладочных работ и технического обслуживания;

Рисунок 1. Пример организации сети FUS^

– скорость развертывания сети;

– возможность модификации сети почти на любом участке без нарушения при этом работоспособности системы.

Сети FUS^ являются одной из основных технологических платформ Интернета вещей (ІоТ), и их применение позволит решить часть вопросов при реализации концепций «Интеллектуальные транспортные сети» и «Цифровая железная дорога» [2]. Эволюция ІоТ в настоящее время привела к созданию достаточно большого числа ее приложений, реализуемых для физических вещей. Общее название для сетей, обеспечива^ющих услугами физические интернет-вещи, в настоящее время выглядит как «Машина – Машина» M2M (Machine-to-Machine) [3].

Беспроводная сенсорная сеть представляет собой набор сенсорных узлов, организованных в интегрированную сеть. Летающие сенсорные сети FUS^ являются одним из классов беспроводных или всепроникающих сенсорных сетей WS^/US^. Технология данных сетей основана на самоорганизационном объединении множества различных датчиков с низким энергопотреблением в сеть и их размещении в труднодоступных местах. Передача данных осуществляется посредством протоколов ZigBee, Bluetooth, 6LoWPA^.

Основные компоненты сенсорной сети FUS^: – сеть датчиков: датчик является единицей создания US^ и представляет собой устройство, реагирующее на какое-либо действие, явление (свет, тепло, звук, движение, касание и т. д.).

При этом датчик, совмещенный с микропроцессором, обрабатывающим данные, называется интеллектуальным датчиком;

– сеть доступа US^: узлы посредники, шлюзы, агрегирующие информацию от группы датчиков с целью облегчения последующей передачи данных в центры управления или другие внешние объекты;

– сетевая инфраструктура: активное, пассивное оборудование существующих проводных/ беспроводных сетей;

– программное обеспечение для сбора и обработки больших объемов данных, облачные платформы, ІоТ-платформы и т. д.

Основными условиями организации US^ является низкое потребление энергии устройствами (сети LPWA^) и самоорганизация сети (Аԁ Нос сети).

Летающие сенсорные сети FUS^ подразумевают наличие двух сегментов: наземного и летающего, которые взаимодействуют между собой (см. рисунок 1).

Наземный сегмент, как правило, представляет собой распределенную сеть самоорганизующихся сенсорных узлов [4]. Летающий сегмент состоит из трех частей:

– БПЛА (беспилотный летательный аппарат) с функциями сбора данных с сенсорных узлов, дальнейшей передачи собранных данных;

– группа БПЛА, которые исполняют роль только ретрансляторов (повторителей);

– базовая станция сети.

В зависимости от специфики решаемой задачи летающим сегментом могут выступать один или несколько БПЛА общего пользования или специально сконструированные БПЛА. Летающий сегмент базируется на основных принципах, относящихся к сетям FA^ET (Flying Ad Hoc ^etworks), с одним отличием։ для доставки информации могут использоваться принципы, характерные для сетей DT^ (Delay-Tolerants ^etworks). Основная задача сетей DT^ состоит в том, что доставка данных от отправителя к получателю должна осуществляться даже после прерывания связи. То, что данный подход успешно реализован и используется в сетяx MA^ET (Mo^ile Ad Hoc ^etworks), означает возможность его применения и для летающих сенсорных сетей [4].

Обмен информацией БПЛА со шлюзом сети связи общего пользования происходит в тот момент, когда он входит в зону видимости шлюза. Такая связь осуществляется за счет стабильного радиоканала с дальностью действия 100–200 м. На больших расстояниях БПЛА может передавать информацию через подключение к сети связи общего пользования с помощью модуля мобильной связи LTE, WiMax, 3G [4], а если для передачи данных используется сеть ретранслирующих БПЛА, то в качестве протокола для ретрансляции можно использовать протоколы LPWA^ (Low Power Wide Area ^etwork) на базе технологий 802.15.4g, например LoRaWA^.

Сенсорные узлы чаще всего выполняют функцию сбора информации и при необходимости могут управлять подконтрольным им объектом. Работают в автономном режиме, имеют довольно незначительные размеры, а также имеют функцию нахождения в режиме сна. Однако полученные сигналы от сенсоров непригодны для обработки и анализирования, поэтому они проходят стадию предварительного преобразования сигнала, необходимую для дальнейшего использова-ния։ усиление сигнала, его фильтрацию от шумов и т. д. [5]. Множество сенсорных узлов образует сенсорные поля, которые дают возможность отслеживать различные физические процессы на базе датчиков [6].

В зависимости от дальности расположения шлюзов передавать собранную информацию с наземного сегмента можно либо через сеть БЛПА на основе протокола LoRaWA^ при больших расстояниях, либо через сети ближнего действия на основе ІЕЕЕ 802.15.4 (ZigBee, 6LoWPA^, Thread, RPL) при небольших расстояниях.

Модель фрагмента системы мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта на основе FUSN с возможностью передачи данных на большие расстояния

В качестве примера рассмотрим реализацию системы мониторинга состояния опор контактной сети и элементов линейных кабельных сооружений связи. Эти объекты имеют большую протяженность и территориальную распределе-ность, организовать оперативный контроль в режиме реального времени за ними довольно сложно.

На данный момент более половины опор контактной сети выполнено из железобетона. Для оценки несущей способности центрифугированных железобетонных стоек опор контактной сети применяется методика, в основе которой лежит измерение скорости распространения продольных ультразвуковых волн в теле стойки в продольном и поперечном направлениях [7]. В качестве основного измерительного средства при контроле опор используется переносной ультразвуковой тестер УК1401 [8].

В линейных кабельных сооружениях связи от герметичности кабельных муфт и целостности оболочек кабелей зависит качество связи, стабильность работы аппаратуры систем оперативнотехнологической связи, мониторинг рабочей температуры кабелей позволяет выявить предотказ-ное состояние кабелей и предотвратить их возгорание.

Таким образом, для решения задачи мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта предлагается при построении сенсорного сегмента на каждой опоре контактной сети установить интеллектуальный ультразвуковой датчик, в кабельные муфты – интеллектуальный датчик контроля влажности и температуры, а если кабель находится под давлением, то и датчик контроля давления.

В качестве устройства летающего сегмента будет использоваться среднеразмерный квадрокоптер общего пользования, задачей которого является облет территории беспроводной сенсорной сети по запрограммированному маршруту. Узлы беспроводной сенсорной сети расположены таким образом, что топология наземной сети имеет вид кластерного дерева, что означает, что все датчики устанавливают соединение и передают данные на свой узел, который, в свою очередь, устанавливает связь с координатором, в нашем случае – с БПЛА.

Риcунок 2. Грaфик зaвиcимоcти cкороcти передaчи дaʜʜых от уровня cигнaлa p_GRX

В рамках данной работы для мониторинга состояния устройств линейных кабельных сооружений, расположенных, как правило, на железнодорожной станции, предлагается использовать протокол ZigBee при реализации наземного сегмента. Этот стандарт применяют в условиях, где важна длительность работы от источников питания, типа батареек и должны выполняться требования по безопасности передачи данных. Протоколы ZigBee позволяют создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся сенсорные сети. К тому же устройствa ZigBee-cети блaгодaря вcтроенному прогрaммному обеcпече-нию облaдaют cпоcобноcтью при включении пи-тaʜия caми ʜaходить друг дрyгa и формировaть cеть, a в cлучaе выходa из cтроя кaкого-либо из узлов могут ycтaʜaвливaть новые мaршруты для передaчи cообщений. Для мониториʜгa cоcто-яния опор контaктной cети ʜaземный cегмент предлaгaетcя реaлизовaть ʜa оcнове протоколa

LoRaWA^, позволяющего передaвaть дaʜʜые нa большие рaccтояния.

Для определения оcновных покaзaтелей cети проведем aʜaлитичеcкое моделировaние cети LoRa. Taк кaк покaзaтели cети зaвиcят от про-цеccов обрaботки дaʜʜых, оcyщеcтвляемых от cетевого до физичеcкого уровней, то проведем aʜaлитичеcкое моделировaние физичеcкого уровня. Ha процеcc рacпроcтрaнения cигнaлa ʜa фи-зичеcком уровне влияют ycловия его рacпроcтрa-нения, тaкие кaк зaтyxaние cигнaлa, зaмирaние в кaʜaле и прочие помехи, которые влияют ʜa ycло-вия рacпроcтрaнения. В процеccе моделировaния оценим зaвиcимоcть cкороcти передaчи дaʜʜых в кaʜaле от рaccтояния междy cенcорными узлaми.

Уровень cигнaлa ʜa входе приемникa ʜaземно-го cенcорного узлa еcть pGRX = pFTX - A (d), дБм,         (1)

где p _FTX – уровень cигнaлa ʜa выходе передaт-чика БПЛА, дБм [9]; A ( d ) - зависимость затухания сигнала от расстояния d между сенсором и БПЛА, дБ:

A ( d ) = 201g ^{f 4 n} df ) , дБ,         (2)

k c )

где f - частота сигнала, Гц; с - скорость света, м/с.

Ha риcунке 2 предcтaвлен грaфик зaвиcимо-cти cкороcти передaчи дaʜʜых от уровня cигнaлa ʜa входе приемникa ʜaземного cенcорного узлa. Ввиду того что чувcтвительноcть рaдиоприем-ного уcтройcтвa cоcтaвляет примерно 137 дБм, a зaтухaние определяетcя по (2), то необходимо учеcть выcоту уcтaновки приемно-передaющих aʜтенн. Paccтояние прямой видимоcти опреде-литcя кaк dmax = 3,57 (4h + hh)), км, (3)

Риcунок 3. Зaвиcимоcть рaccтояния прямой видимоcти от выcоты полетa ƂΠЛА «Infokommunikacionnye tehnologii» 2021, vol. 19, no. 1, рр. 40–46

Риcунок 4. Завиcимоcть cкорocти передачи данных от рaccтояния d [9]

где h ₁ и h ₂ – высоты установки антенн на летающем и наземном сегментах.

На рисунке 3 показана зависимость расстояния прямой видимости от высоты полета БПЛА при некоторых заданных высотах расположения антенны-сенсора.

Принимая во внимание выражения (2) и (3), а также вводя эмпирический коэффициент затухания для учета быстрых замираний, построим график зависимости скорости передачи данных от расстояния d , представленный на рисунке 4.

Таким образом, аналитическая модель позволяет оценить различные показатели сети на физическом уровне, установить зависимости скорости передачи данных от мощности сигнала и расстояния между приемными и передающими антеннами.

На рисунке 5 показан пример реализации системы мониторинга объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта с использованием US^-cетей.

Архитектурa cети позволяет передавать данные на большие рaccтояния и cocтоит из наземного cегмента, включающего множеcтвa cтаци-онарныx cенcoрных узлов c радиycoм дейcтвия 100 м, объединенных в беcпроводную cенcoрную cеть, а также летающего cегментa:

– FUS^ для подcиcтемы мониториʜгa cocто-яния опор контактной cети, предcтавленного одним или неcколькими БПЛА, ocyщеcтвляющиx cбор данныx c cенcoров на базе технологии LoRa, а передачу – либо через cети LTE/WiMax/3G

Риcунок 5. Пример реализации cиcтемы мониторинга объектов инфрacтруктуры железнодорожного трaʜcпoртa c иcпользованием FUS^-cетей

(оборудование, установленное на БПЛА, является шлюзом [10]), либо через сеть ретранслирующих БПЛА (БПЛА-повторитель), объединенных между собой по радиоканалу с помощью модулей LPWA^ [11];

– US^ для подсистемы мониторинга устройств линейных кабельных сооружений, осуществляющих сбор по ZigBee (802.15.4), WMA^ (IEEE 802.16) и передачу данных через WAVE (IEEE 802.11р);

– базовых станций и шлюзов.

Заключение

Таким образом создание системы мониторинга состояния объектов и устройств железнодорожного транспорта на основе концепции Интернета вещей, технологическую основу которой составляют беспроводные сенсорные сети, является на сегодня актуальной и современной задачей, поскольку позволяет обеспечить создание нового вида сетей связи, входящего в технологическую сеть связи железнодорожного транспорта, всепроникающих сенсорных сетей US^ и, в частности, летающих сенсорных сетей FUS^, что позволит в реальном масштабе времени вести контроль состояния объектов инфраструктуры.