Система мониторинга подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного транспорта на основе беспроводных технологий
MONITORING SYSTEM FOR ROLLING STOCK AND RAILWAY TRANSPORT INFRASTRUCTURE BASED ON WIRELESS TECHNOLOGIES

Область техники
Изобретение относится к области систем технического мониторинга подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного (ж/д) транспорта и может быть использовано для проектирования интегрированных систем контроля за состоянием стационарных и подвижных объектов в других видах транспорта.
Задача изобретения состоит в создании надежной и широкополосной системы передачи данных о техническом состоянии поездов, линейных и станционных объектов в центры принятия решений с помощью локальных сетей связи стандарта IEEE 802.11n и 802.15.4 подвижного состава и базовых станций (БС) на основе беспроводных модемов атмосферой оптической системы передачи (АОСП), установленных вдоль ж/д пути, объединенных с коммутатором ядра с помощью волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСП).
Уровень техники
Известны варианты систем мониторинга подвижного состава на основе беспроводных технологий, рассмотренные в литературе:
1) Пат. RU 104904 U1 Российская Федерация, МПК B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава [Текст] / Бороненко Ю.П., Цыганская Л.В.; Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны"(АО "НВЦ "Вагоны"). - 2017145947; заявл. 26.12.2017; опубл. 06.03.2019 Бюл. №7.
2) R.W. Lewis, S. Maddison and Е. J. С.Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp. 2014.1008.
3) Пат. RU 193435 U1 Российская федерация, МПК B61L 25/00. Устройство для мониторинга параметров движения и технического состояния подвижного состава метрополитена [Текст]/ Александровский Ф.М.; Закрытое акционерное общество "АйТи Десижн". - 2019125992; заявл. 17.08.2019; опубл. 29.10.2019.
4) Пат.RU 2600420 С2 Российская Федерация, СПК G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00 (2020.02); В61K 9/00 (2020.02); B61K 9/06 (2020.02). Система мониторинга железнодорожного грузового вагона [Текст]/ Бороненко Ю.П., Даукша А.С; Общество с ограниченной ответственностью "Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий" (ООО "ВНИЦТТ"). - 2019114834; заявл. 14.05.2019; опубл. 11.03.2020 Бюл. №8.
5) Bouaziz M., Yan Y., Kassab M., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 12
6) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp.680-683). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.680
7) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.org/10.3390/iierphl7155429
8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.
9) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.3390/infrastructures3030024
Для организации технического мониторинга поездов и стационарных объектов предлагается трехуровневая структура, состоящая из датчиков контроля технического состояния: а) подвижного состава (температуры букс вагона, давления тормозной магистрали, состояния автосцепки и т.д.), б) линейных сооружений (переездов, мостов, тоннелей, переходов, путепроводов и т.д.), в) станционных устройств (стрелочных переводов, ограждений пути, устройств автоматики и связи и т.д.), построенная на основе локальных сетей поездов и стационарных объектов по технологии Wi-Fi, объединенных с помощью БС и коммутатора ядра в единую систему мониторинга с центром принятия решений (диспетчерским центром управления ДЦУ). Верхний уровень соединяет БС, расположенные вдоль ж/д полотна, с коммутатором и ДЦУ с помощью системы ВОСП. Для повышения уровня защиты от преднамеренных мешающих электромагнитных воздействий предлагается для БС на основе беспроводных оптических модемов использовать инфракрасный диапазон длин волн. Средний уровень состоит из локальных сетей Wi-Fi (IEEE 802.11n) поездов, точки доступа (ТД) которых собирают данные мониторинга от узлов-датчиков сенсорных сетей (IEEE 802.15.4), организованных для технического контроля состояния вагонов, а также приемников спутниковой навигации для контроля целостности подвижного состава. Нижний уровень состоит из стационарных (линейных или станционных) узлов-датчиков сенсорных сетей для контроля объектов инфраструктуры ж/д транспорта, а также видеокамер с модулем Wi-Fi на переездах, которые передают данные контроля на точки доступа сети Wi-Fi поезда. Предусмотрены варианты установки видеокамер с доступом на верхний уровень системы мониторинга через ВОСП и коммутатор ядра в ДЦУ. С помощью локальных сетей поездов Wi-Fi данные мониторинга с нижнего уровня поступают в кабину машиниста и на верхний уровень в ДЦУ через базовые станции, ВОСП и коммутатор (маршрутизатор) ядра. Таким образом, локальные сети Wi-Fi поездов могут выполнять функции связующих звеньев между верхним и нижним уровнями.
Изобретение относится к области технологий беспроводных технологий, на основе которых предлагается реализовать мониторинг технического состояния устройств на подвижных и стационарных объектах. Заявляемое изобретение может быть использовано для организации двусторонней системы связи между центрами принятия решений (ДЦУ, вагонные депо, центр радиоблокировки) и объектами управления (мониторинга) для реализации проекта «автомашинист». Необходимость создания единой системы мониторинга наиболее важных линейных и станционных сооружений (мостов, тоннелей, переездов, платформ, сортировочных горок и парков и т.д.), а также грузовых и пассажирских поездов обусловлена выбором стратегического направления развития железнодорожного транспорта, а именно развитие высокоскоростных магистралей с использованием беспилотных технологий. Постоянный контроль за техническим состоянием подвижного состава и обстановкой на станциях и перегонах возможен только с помощью беспроводных каналов связи.
Преимущества предлагаемой единой системы мониторинга:
1. Достаточно простая реализация контроля за техническим состоянием вагонов с помощью технологий Wi-Fi и быстро развертываемых самоорганизующихся сенсорных сетей.
2. Использование существующей инфраструктуры магистральных волоконно-оптических каналов ВОСП для соединения стационарных базовых станций (СБС).
3. Защищенность от преднамеренных электромагнитных помех каналов связи стационарных и поездных базовых станций, использующих инфракрасный диапазон длин волн.
4. Отсутствие электромагнитного влияния на другие радиосредства от базовых станций, работающих в инфракрасном диапазоне длин волн.
5. Оперативная доставка информации о техническом состоянии инфраструктуры и поездов диспетчерскому персоналу в ДЦУ, а также машинистам локомотивов для принятия решения в случае возникновения непредвиденных обстоятельств.
6. Возможность осуществить технический контроль за объектами (мостами, тоннелями и т.д.) в труднодоступных местах за счет считывания показаний датчиков с помощью локальных сетей Wi-Fi поездов и передачи этой информации через сеть СБС в центр принятия решений.
К недостаткам заявляемой системы мониторинга можно отнести следующее:
1. Дополнительные экономические затраты на сооружение сети СБС, размещение оборудования беспроводных сетей Wi-Fi и узлов-датчиков в грузовых и пассажирских вагонах, настройку беспроводных оптических модемов БС.
2. Необходимость разработки алгоритма взаимодействия трех уровней мониторинга для принятия оперативных решений с учетом приоритетов в управлении движением поездов.
3. Применение специальных видеокамер с модулем Wi-Fi, способных передавать изображение в кабину машиниста (или бортовой компьютер), дальностью действия не менее 2,5 км для своевременной остановки поезда.
Известны следующие аналоги технических решений мониторинга, рассмотренные в литературе [1-9].
В них предложены локальные схемы мониторинга вагонов, расстановка датчиков, определяющих работоспособность деталей и узлов вагонов [1, 4]; рассмотрены особенности построения сенсорных сетей для мониторинга вагонов [2, 8, 9]: алгоритм взаимодействия датчиков-модемов в пределах вагона или одного подвижного состава на основе сенсорных (ячеистых) сетей [2], анализ возможностей таких сетей [9], представлены беспроводные сенсорные узлы с автономным питанием Zig Bee [8]. В источниках [3, 6, 7] рассматриваются вопросы мониторинга метрополитена: предлагаются алгоритмы контроля за работой машиниста [3], аппаратные решения мониторинга на основе специальных высокоскоростных чипов Insineon SMARTi [6], схемы реализации контроля за чистотой воздуха [7]. В источнике [5] изложены основные принципы имитационного моделирования проверки качества каналов на основе Wi-Fi и LTE для использования их в беспроводных технологиях мониторинга и управления движением поездов.
Основным недостатком материалов, перечисленных выше источников [1-9], является отсутствие сетевых решений для мониторинга поездов и стационарных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава» [1]. В прототипе представлена комплексная система мониторинга подвижного состава, состоящая из мобильной и стационарной частей, позволяющих отслеживать местоположение, направление и скорость движения, работоспособность деталей и узлов вагонов, измерять вес груза, следить за процессами погрузки-выгрузки с учетом температуры окружающей среды и груза. В качестве характеристик каналов указаны названия технологий организации связи: Wi-Fi и GSM.
Раскрытие изобретения
Принципиальным отличием заявляемого изобретения от прототипа является отсутствие структуры системы связи, соединяющей центр принятия решений (ДЦУ, вагонное или локомотивное депо) с датчиками контроля за техническим состоянием поездов и объектов инфраструктуры ж/д транспорта. Основное внимание в прототипе уделено функциональным возможностям датчиков технического состояния вагонов. В заявляемом изобретении предложена структура системы технического мониторинга не только поездов, но и стационарных устройств, расположенных вдоль ж/д полотна. Каналы связи с подвижными объектами (поездами) построены по стандартам беспроводных технологий (IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, АОСП), позволяющим передавать в цифровой форме не только показания датчиков, но и широкополосные сигналы от видеокамер. Такая информация с ж/д переездов необходима для реализации беспилотных технологий управления движением поездов. Создание единой системы мониторинга технического состояния поездов и инфраструктуры в пределах дороги является необходимым условием для управления движением поездов и повышения пропускной способности ж/д транспорта.
В заявляемом изобретении предлагается объединить в одну систему мониторинга из диспетчерского центра управления контроль за состоянием мостов, тоннелей, переездов и т.д., объектов станционной инфраструктуры (стрелочные переводы, пешеходные мосты, путепроводы и т.д.) и подвижными составами. Для реализации этой цели расширяются функции и возможности локальных сетей Wi-Fi поездов. Локальные сети Wi-Fi поездов собирают информацию технического мониторинга вагонов подвижного состава и инфраструктуры и передают ее в ДЦУ через сеть СБС. Данные мониторинга также поступают в кабину машиниста (бортовой компьютер) для принятия экстренных мер, например, торможения или остановки, а также формирования управляющих сигналов для корректировки работы датчиков, например, изменение угла поворота видеокамеры на переезде (перегоне). Стационарный датчик с Wi-Fi модулем в зоне действия сети поезда инициализируется и аутентифицируется в точке доступа, передает данные, которые сразу транслируются в ДЦУ через сеть СБС или хранятся в локальной сети Wi-Fi до момента вхождения поезда в зону действия СБС. Периодичность мониторинга объектов ж/д транспорта (мостов, тоннелей, виадуков, эстакад и т.д.) определяется графиком движения поездов, имеющих устройства локальной сети Wi-Fi. Наличие возможности взаимодействия стационарных датчиков, например видеокамер, с локальной сетью Wi-Fi поезда в случае обнаружения опасного объекта на переезде позволит передать видеоизображение машинисту, своевременно затормозить и предотвратить аварию. Таким образом, отличием заявляемой системы мониторинга от прототипа является трехуровневая архитектура системы мониторинга и расширенные функции локальной сети Wi-Fi поезда.
Сущность изобретения заключается в следующем. Мониторинг подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта решает две основные задачи: контроль технического состояния поезда, линейных и станционных объектов и формирование данных для беспилотного управления поездов.
Для этого в заявляемом изобретении предлагается система технического мониторинга подвижного состава (температуры букс вагонов, состояния автосцепки и осевых подшипников, давления в тормозной магистрали, координат последнего вагона поезда и т.д), а также линейных и станционных устройств (стрелочных переводов, пешеходных мостов, путепроводов, тоннелей, переездов и т.д.) на основе стационарных и поездных локальных сетей, построенных по технологиям IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, связанных с коммутатором ядра с помощью беспроводных оптических базовых станций (АОСП) и ВОСП.
Модемы беспроводных оптических каналов связи (БОКС) в качестве БС предлагается устанавливать на поездах и вдоль железнодорожного полотна [10]. Расстояние от места установки стационарной базовой станции СБС (опора контактной сети) до зоны действия подвижной базовой станции ПБС (крыша поезда) не превысит 30 м, что позволит гарантировать необходимый оптический баланс и высокую скорость передачи информации (свыше 600 Мб/с) [11].
Техническая реализация изобретения возможна за счет применения современных беспроводных технологий передачи данных IEEE 802.11n, IEEE 802.15.4, БОКС, позволяющих создать локальные сети мониторинга поездов и стационарных объектов, а также максимального использования существующей инфраструктуры: проложенных вдоль железнодорожного полотна волоконно-оптических линий связи ВОЛС и опор контактной сети, вышек поездной радиосвязи, базовых станций и аппаратуры сетей Wi-Fi пассажирских поездов.
Технический результат заявляемого изобретения достигается в результате использования научных исследований в области интервального регулирования движения поездов с помощью центра радиоблокировки (РБЦ). Сформулированные требования к результатам измерений межпоездного интервала и целостности поезда позволили разработать единую систему технического контроля. Предлагаемая система мониторинга на основе беспроводных технологий позволяет организовать обмен информацией между поездом, РБЦ и ДЦУ, а также между сдвоенными поездами. Для осуществления функций определения целостности подвижного состава и расчета межпоездного расстояния в локальную сеть Wi-Fi поездов включены приемники GPS-навигации, которые с помощью спутниковой навигации определяют координаты первого и последнего вагонов поезда. Целостность поезда и межпоездное расстояние вычисляется бортовыми устройствами поездов на основании координат, полученных от приемников GPS. Координаты поезда передаются по каналу «борт-борт» вслед идущему поезду. Эта же информацию передается в центр радиоблокировки РБЦ, в котором рассчитывается рекомендуемый скоростной режим для поездов. Обмен данными между поездом и РБЦ осуществляется по каналу «станция-борт». Каналы «борт-борт» и «станция-борт» предлагается реализовать с помощью заявляемой системы мониторинга на основе беспроводных технологий. Для передачи данных приемника GPS последнего вагона и вычисления бортовым компьютером целостности подвижного состава путем сравнения координат «головы и хвоста» поезда используется локальная сеть Wi-Fi.
В случае расцепки вагонов информация передается в РБЦ для формирования команды торможения сдвоенным поездам и в устройство автоблокировки АБТЦ-МШ для переключения сигналов и трансляции их в кабину машиниста.
Возможность реализовать функции каналов «борт-борт» и «станция-борт» с помощью стационарных и локальных сетей поездов делает заявляемую систему универсальной, повышающей функциональную надежность существующих сетей связи оперативно-технологического назначения, в том числе поездной радиосвязи.
Для подтверждения возможности сбора данных мониторинга стационарных объектов с помощью локальной сети поезда необходимы следующие расчеты. Время нахождения датчика в зоне действия точки доступа сети Wi-Fi поезда (более 30 с) определяется как результат деления протяженности зоны (500 м) на скорость движения поезда в районе объекта мониторинга (моста или тоннеля) 60 км/ч (16,5 м/с). За это время радиомодем датчика осуществляет частотную и временную синхронизацию с сетью Wi-Fi поезда с помощью мультикадра управления, длительностью 235 мс, регистрацию в сети поезда за время 235×3=705 мс и получения канала управления для идентификации (235×2=470 мс). Затем происходит операция аутентификации, на которую уходит 6 мультикадров управления (235×6=1410 мс) [12, 13].
Таким образом, общее время установления соединения между стационарным датчиком и сетью поезда с учетом распространения радиосигнала не превысит 3 с. Отсюда, на передачу данных мониторинга отводится 27 с (вполне достаточно для передачи видеоизображения от видеокамеры с модулем Wi-Fi).
Приведенные выше цифры свидетельствуют о технической реализуемости системы мониторинга технического состояния инфраструктуры ж.д. транспорта с помощью беспроводных технологий.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение прототипа из перечня выявленных аналогов, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «новизны» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, результаты которого показывают, что заявляемое изобретение не следует из известного уровня техники, поскольку не выявлена система технического мониторинга, включающая контроль подвижного состава и инфраструктуры на основе беспроводных технологий.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию «Изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Система работает следующим образом:
Для реализации постоянного контроля за техническим состоянием подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта предлагается система мониторинга (Фиг. 1). Трехуровневая структура системы (Фиг. 1, 2) состоит из верхнего уровня 12 с центром принятия решений 17, коммутатора ядра 13, объединяющего стационарные базовые станции СБС 3 с помощью мультиплексоров 1 и маршрутизаторов 2 ВОСП; среднего уровня с локальными Wi-Fi и сенсорными 14 сетями поездов 10; нижнего уровня со стационарными сенсорными сетями (11) и отдельными датчиками 9, 15, которые могут выполнять функции точек доступа для мониторинга станционных устройств. Локальная сеть Wi-Fi поезда 10 состоит из поездной базовой станции ПБС 4 (Фиг. 1); контроллера/маршрутизатора 5; точек доступа 6, к которым подключаются самоорганизующиеся сенсорные сети 14 с узлами-датчиками 7 технического контроля вагона, а также приемниками GPS навигации 16, установленными в «голове» и «хвосте» поезда для определения целостности подвижного состава.
Стационарные сенсорные сети 11, состоящие из узлов-датчиков 8, предусмотренных для технического мониторинга объектов инфраструктуры ж/д транспорта (например, опор моста или верхнего строения пути), периодически передают данные через сеть поезда 10, СБС 3, ВОСП (1,2) и коммутатор 13 в центр принятия решений 17.
Двусторонние каналы связи позволяют управлять объектами (изменять режимы работы датчиков). Процесс установления связи между датчиком 9 (например, видеокамерой с модулем Wi-Fi) или 8 сети 11 с локальной сетью поезда 10 включает следующие этапы:
1) нахождение приемного устройства датчика 9 (главного узла-датчика 8 сенсорной сети 11) в режиме дежурного приема (Фиг. 1);
2) активизация приемо-передатчика 9 (главного узла 8 сети 11) при попадании в зону действия локальной сети Wi-Fi поезда 10 (передатчик точки доступа 6 транслирует сигнал-вызов) и переход приемника 9 (8) в основной режим;
3) посылка сигнала от передатчика 9 (8) в приемник точки доступа 6 для установления связи с локальной сетью Wi-Fi 10;
4) передача данных мониторинга от датчика 9 (8) в локальную сеть 10, в которой информация мониторинга может быть сохранена до момента передачи ее в центр принятия решений 17;
Предусматривается также передача координат последнего вагона поезда от приемника спутниковой навигации 16 через точку доступа 6 на бортовой компьютер для определения целостности подвижного состава, а также в центр принятия решений 17 и далее в локальную сеть Wi-Fi позади идущего поезда.
На территории ж/д станции через коммутатор 13 могут быть организованы каналы связи с вагонным депо, центром радиоблокировки (РБЦ) и другими техническими службами с помощью беспроводных модемов атмосферной оптической системы передачи БОКС, установленных на крышах помещений, что актуально в случае, когда прокладка кабеля через станционные сооружения и пути затруднительна или невозможна.
Мониторинг технического состояния вагонов предлагается реализовать с помощью сенсорных сетей 14 (11) с архитектурой multi-hop (Фиг. 3). Сенсорная сеть состоит из «датчиков-маячков» 7 (8) с автономным питанием по технологии Zig Bee [8], работающих по принципу ретрансляторов. Порядок работы сенсорной сети представлен на Фиг. 4. Данные мониторинга передаются в режиме ретрансляции от одного узла-датчика (маячка) 7 (8) к другому узлу до момента передачи в центральный (главный) узел сети и далее в точку доступа 6 и центр 17. Расстояние между узлами-датчиками выбрано таким образом, что чем ближе главный узел, тем меньше расстояние между соседними узлами. Это условие позволит направить процесс переприема к центральному узлу сенсорной сети, который примыкает к точке доступа локальной сети Wi-Fi поезда. Работоспособность сенсорной сети мониторинга вагона можно подтвердить, подсчитав среднее число датчиков-узлов М[r], ожидающих передачи данных мониторинга. Сенсорную сеть можно представить в виде одноканальной (одночастотной сети, работающей в симплексном режиме) системы массового обслуживания (СМО) с неограниченной очередью с простейшим потоком заявок на входе системы и произвольным законом распределения выходного потока. На основании формулы Полячика-Хинчина [14] математическое ожидание числа заявок в очереди М[r] для наихудшего случая, когда все датчики-узлы построены в линейку и ретранслируют по принципу «домино», вычисляется следующим образом:
где ;
- интенсивность входного потока;
Δt - среднее время между поступлениями заявок на обслуживание (занятие частоты) от датчиков;
- интенсивность выходного потока обслуженных заявок (датчиков);
T
М[Т] - m - среднее время обслуживания заявки (от момента поступления в СМО до окончания процесса ретрансляции узлами 7 сети 14 в точке доступа 6 локальной сети Wi-Fi поезда 10);
T
T
- коэффициент вариации (отношение среднеквадратичного отклонения σ к среднему значению длительности занятия частоты m, зависящей от количества переприемов узлами 7);
1
Т - среднее время одного переприема узлом (датчиком) сенсорной сети;
N - количество узлов переприема в сенсорной сети;
- дисперсия времени обслуживания заявки;
- среднее значение квадрата времени обслуживания заявки.
После подстановки в формулу (3) выражений (4) и (5) получим:  для  что выполняется для сенсорных сетей.
Отсюда, на основании (2) имеем:
T
T
Для N=20 коэффициент вариации равен ν=4,48 Значение ν (2) соответствует гиперэкспоненциальному распределению выходного потока обслуженных заявок от узлов-датчиков.
1
Время одного переприема равно Т=5с. Эта цифра соответствует числу шагов, равному 7 (Фиг. 4), необходимых сделать для осуществления переприема. Продолжительность каждого шага равна длительности трем мультикадров (705 мс).
-4
После подстановки значений μ=0,02(1/с), λ=2,8⋅10(1/c) что соответствует одному вызову в час),  согласно формуле (1) рассчитаем величину средней длины очереди М[r] ≈0,003.
Полученный результат означает, что очередь на обслуживание практически отсутствует. В случае возникновения очереди данные мониторинга, переданные соседнему узлу, хранятся в буфере узла и после освобождения канала (частоты) передаются по сети.
Время передачи данных от «хвостового» вагона в «головной», где находится центральный (главный) узел 7, соединенный с точкой доступа 6 локальной сети Wi-Fi поезда 10, для N=20 переприемов составляет 1,67 мин. Это время не является критичным для данных мониторинга технического состояния вагонов, предназначенных для профилактического деповского ремонта (осмотра). Однако это время критично для передачи информации от приемника GPS, определяющего координаты последнего вагона. Поэтому приемник спутниковой навигации 16 подключен к точке доступа 6 отдельно (с помощью витой пары или выделенной частоты).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что современный уровень техники позволяет реализовать мониторинг вагонов с помощью сенсорных сетей.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведена блок-схема системы мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта на основе беспроводных технологий.
На Фиг. 2 изображена трехуровневая структура мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта.
На Фиг. 3 представлена схема размещения узлов-датчиков сенсорной сети технического мониторинга вагона.
На Фиг. 4 показан алгоритм процесса ретрансляции данных в сенсорной сети вагона.
На Фиг. 1 изображена система мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта на основе беспроводных технологий, состоящая из:
1- мультиплексор волоконно-оптической системы передачи (MUX ВОСП);
2 - маршрутизатор;
3 - стационарная базовая станция СБС;
4 - поездная базовая станция ПБС;
5 - контроллер (коммутатор/маршрутизатор);
6 - точка доступа локальной сети Wi-Fi поезда;
7 - узел-датчик сенсорной сети поезда;
8 - узел-датчик стационарной сенсорной сети;
9 - стационарная точка доступа или видеокамера с модулем Wi-Fi;
10 - локальная сеть Wi-Fi поезда;
11 - стационарная сенсорная сеть;
12 - сеть стационарных базовых станций СБС;
13 - коммутатор ядра системы мониторинга;
14 - сенсорная сеть вагона;
15 - точка доступа или видеокамера с выходом на маршрутизатор ВОСП;
16 - приемник GPS;
17 - центр принятия решений;
18 - сеть стационарных датчиков мониторинга инфраструктуры ж/д транспорта.
Осуществление изобретения
На Фиг. 2 представлена трехуровневая схема мониторинга подвижного состава и инфраструктуры ж/д транспорта, состоящая из верхнего уровня 12 (базовых станций 3, объединенных коммутатором ядра 13 с центром принятия решений 17); среднего уровня 10 (локальных сетей Wi-Fi поездов с ПБС 4, контроллером 5, точками доступа 6, узлами-датчиками 7 сети 14, приемниками GPS 16) и нижнего уровня стационарных сетей Wi-Fi 18 (точками доступа 9, узлами-датчиками 8 сенсорных сетей 11).
На Фиг. 3 показана схема размещения узлов-датчиков 7 сенсорной сети 14 технического мониторинга вагона.
На Фиг. 4 представлен алгоритм процесса ретрансляции данных узлами-датчиками 7 в сенсорной сети вагона 14, который включает для каждого узла следующие операции: переход из исходного состояния в режим передачи данных мониторинга, посылка вызывного сигнала и выбор наилучшего узла ретрансляции по наибольшему уровню ответного сигнала, передачи данных и возвращение в состояние «дежурного приема». Промежуточные узлы 7, задействованные в передаче информации, после приема вызывного сигнала, ответа на вызов, приема и ретрансляции данных мониторинга переходят в режим «дежурного приема». Узлы-датчики сенсорной сети, не участвовавшие в ретрансляции данных мониторинга, после активизации (перехода из режима дежурного приема в основной и посылки ответного сигнала) опять возвращаются в исходное состояние.
Литература
1) Пат. RU 104904 U1 Российская Федерация, МПК B61K 9/00 (2006.01) B61L 25/02 (2006.01). Система мониторинга состояния подвижной единицы железнодорожного состава [Текст] / Бороненко Ю.П., Цыганская Л.В.; Акционерное общество "Научно-внедренческий центр "Вагоны"(АО "НВЦ "Вагоны"). - 2017145947; заявл. 26.12.2017; опубл. 06.03.2019 Бюл. №7.
2) R. W. Lewis, S. Maddison and E. J. C. Stewart, "An extensible framework architecture for wireless condition monitoring applications for railway rolling stock," 6th IET Conference on Railway Condition Monitoring (RCM 2014), 2014, pp. 1-6, doi: 10.1049/cp.2014.1008.
3) Пат.RU 193435 U1 Российская федерация, МПК B61L 25/00. Устройство для мониторинга параметров движения и технического состояния подвижного состава метрополитена [Текст]/ Александровский Ф.М.; Закрытое акционерное общество "АйТи Десижн". - 2019125992; заявл. 17.08.2019; опубл. 29.10.2019.
4) Пат.RU 2600420 С2 Российская Федерация, СПК G01G 19/04 (2020.02); B61D 49/00 (2020.02); B61K 9/00 (2020.02); B61K 9/06 (2020.02). Система мониторинга железнодорожного грузового вагона [Текст]/ Бороненко Ю.П., Даукша А.С.; Общество с ограниченной ответственностью "Всесоюзный научно-исследовательский центр транспортных технологий" (ООО "ВНИЦТТ"). - 2019114834; заявл. 14.05.2019; опубл. 11.03.2020 Бюл. №8.
5) Bouaziz М., Yan Y., Kassab М., Soler J., Berbineau M. (2018) Evaluating TCMS Train-to-Ground Communication Performances Based on the LTE Technology and Discreet Event Simulations. In: Moreno Garcia-Loygorri J., Perez-Yuste A., Briso C, Berbineau M., Pirovano A., Mendizabal J. (eds) Communication Technologies for Vehicles. Nets4Cars/Nets4Trains/Nets4Aircraft 2018. Lecture Notes in Computer Science, vol 10796. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90371-2 12
6) Feng X.J. (2013). Wireless Backhaul Technology in Monitoring System for Subway OTN+WiMax. In Advanced Materials Research (Vols. 846-847, pp. 680-683). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.846-847.680
7) Jo JH, Jo B, Kim JH, Choi I. Implementation of IoT-Based Air Quality Monitoring System for Investigating Particulate Matter (PM10) in Subway Tunnels. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020; 17(15):5429. https://doi.Org/l0.3390/iierphl7155429
8) M. Gao, P. Wang, Y. Wang and L. Yao, "Self-Powered ZigBee Wireless Sensor Nodes for Railway Condition Monitoring," in IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol. 19, no. 3, pp.900-909, March 2018, doi: 10.1109/TITS.2017.2709346.
9) Alawad H, Kaewunruen S. Wireless Sensor Networks: Toward Smarter Railway Stations. Infrastructures. 2018; 3(3):24. https://doi.org/10.33 90/infrastructures3 030024
10) Пат. RU 2750237 C1 Российская Федерация, МПК H04B 10/00 (2013.01). Система двусторонней беспроводной оптической связи [Текст]/ Журавлева Л.М., Лошкарев В.Л., Ивашевский М.Р, Левшунов В.В., Нилов М.А.; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта" (ФГАОУ ВО РУТ (МИИТ), РУТ (МИИТ) (RU). - 2020130839; заявл. 18.09.2020; опубл. 24.06.2021.
11) Пителин Н., Горячев А. Технология беспроводной оптической связи и ее применение в вооруженных силах / Н. Пителин, А. Горячев // Системы и Средства Связи. - 2021. - №1 (66). С.36-41.
12) Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи [Текст] / Ю.А. Громаков. - М.: Эко-трендз, 2000. - 239 с.
13) Технологии современных беспроводных сетей Wi-Fi: учебное пособие / [Е.В. Смирнова, А.В. Пролетарский и др.]; под общ. ред. А.В. Пролетарского. - Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 446 с.
14) Вентцель Е.С, Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории вероятностей / Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. - М.: Радио и связь, 1983. - 414 с.