为了确保轨道交通运行的安全，系统通信与控制必须采用多源感知的方式获取轨道交通系统的运行状态信息，并进行相应的状态分析与故障诊断，为轨道交通系统的运营保障提供技术和决策支持。

目前，轨道交通系统状态主要依靠人工轨道巡检、综合监测列车巡检与车载检测设备结合的方式对轨道交通系统的运行状态进行“定期体检”，并对检测数据进行离线处理和解析，进而对运行状态进行预估而确定“安全生命周期”。因此，现有的检测效率明显低下，而且不具备实时性。

由于检测周期一般都是根据状态统计规律与现场专家的运行经验来制订的，对突发故障的发生显然缺乏预见性。同时，检测的时段与列车运行时段不能重叠，即不能平行开展，势必降低了轨道交通系统运营的效率。为了提升轨道交通系统运行状态监测的经济性、实时性、可靠性和安全性，必然需要形成有线状态信息监测传输系统，采用视频、光纤光栅及应力应变等监测传输技术，实现对轨道交通系统基础设施的在线监测及监测信息的实时传输，才能不可或缺地提升轨道交通基础设施状态信息获取的实时性。然而，基于有线通信的在线监测系统在实际应用中还存在建设成本高、施工难度大、适应性低和可靠性差等诸多困难。

显然，无线传感网具备对监测对象进行准确感知和信息稳定传输的能力，随着无线传感器技术、无线通信及其数据处理技术的发展，无线传感技术的优越性日益突出［20］。

1.无线传感系统架构

轨道交通系统状态无线监测系统由天基平台，空基平台，车载信息采集平台，地面信息采集平台，天、地、车无线通信网络和轨道交通数据中心等组成（见图2-4）。

（1）天基平台。天基平台是通过我国的北斗卫星导航系统实现对轨道交通系统的全覆盖监测和信息传输，保证信息大范围的实时可达性。天基平台主要负责列车定位等关键信息及指令的传输。

（2）空基平台。空基平台由驻留在平流层的飞艇与低空无人机组成“高低相配合”的监测与通信子系统。飞艇可以弥补广域稀疏路网难以全天候、定区域安全监测的技术缺陷，提供系统全方位、全息化的运营与安全综合保障能力，监测覆盖范围可以达到7×105平方千米。

无人机具有快速部署、实时监测、操作简易、远程作业等技术特点，因此满足局部增强监视的技术需求。对于轨旁监测设施较少的区域，可以实施沿线定期巡检。在发生突发故障的情况下，无人机可以第一时间到达现场上空获取故障信息，对临时性局部监测尤为有效。

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图2-4　轨道交通无线传感系统架构

（3）车载信息采集平台。车载信息采集平台主要是通过列车关键部位安装的传感器，对列车关键部件的服役状态（转向架、轮轴与电气设备等）及列车的运行状态（速度、加速度、温度等）进行实时监测，并将监测信息上传至车载数据中心进行处理分析或者通过车地通信的方式经地面信息传输平台发送到数据中心进行数据处理。机车车载信息采集平台的基本物理结构如图2-5所示。

图2-5　机车车载信息采集平台基本物理结构

（4）地面信息采集平台。地面信息采集平台为轨道基础设施服役状态与列车运行基本参数的监测平台，主要通过在轨道沿线及其周边布设大量传感器，对轨道线上、线下基础设施与牵引供电系统的服役状态以及运行中的列车运动参数进行实时监测并上传。

（5）天、地、车无线通信网络。无线通信网络对天（空）、地、车的监测数据实现高冗余度地交互，并实时传输到轨道交通数据中心。

（6）轨道交通数据中心。轨道交通数据中心是信息存储、处理、运行状态分析与控制指令输出平台。基于空、天、车、地一体化的轨道交通系统监测无线/有线网络，可以大范围、全天候、系统性地对轨道交通的运行状态进行监测，为轨道交通系统的高效、安全运行提供技术保障。

2.轨道交通无线传感关键技术

在北斗卫星导航系统成熟技术的支持下，加之我国无线通信基站技术的先进性（信号覆盖无“间隙”），轨道交通信息传感就成为确保整个系统稳定性与可靠性的最关键环节。这些传感包括对机械应力、液压传动压力、温度、热像、声纹、图像等信息的感应与采集。而且，所有传感信息还要进行一系列的前置处理，才能交付后端处理器进行分析与评判。这就需要依靠诸多硬件结构与软件算法等高端技术的支持，也是关键技术之所在［21］。