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Asynchronous Resilient Wireless Sensor Network for Train Integrity Monitoring

无线传感器网络 计算机科学 异步通信 节点(物理) 计算机网络 火车 无线 嵌入式系统 无线传感器网络中的密钥分配 实时计算 无线网络 工程类 电信 地图学 结构工程 地理
作者
Mihai T. Lazarescu,Pooya Poolad
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (5): 3939-3954 被引量:34
标识
DOI:10.1109/jiot.2020.3026243
摘要

To increase railway use efficiency, the European Railway Traffic Management System (ERTMS) Level 3 requires all trains to constantly and reliably self-monitor and report their integrity and track position without infrastructure support. Timely train separation detection is challenging, especially for long freight trains without electrical power on cars. Data fusion of multiple monitoring techniques is currently investigated, including distributed integrity sensing of all train couplings. We propose a wireless sensor network (WSN) topology, communication protocol, application, and sensor nodes prototypes designed for low-power timely train integrity (TI) reporting in unreliable conditions, like intermittent node operation and network association (e.g., in low environmental energy harvesting conditions) and unreliable radio links. Each train coupling is redundantly monitored by four sensors, which can help to satisfy the train collision avoidance system (TCAS) and European Committee for Electrotechnical Standardization (CENELEC) software integrity level (SIL) 4 requirements and contribute to the reliability of the asynchronous network with low rejoin overhead. A control center on the locomotive controls the WSN and receives the reports, helping the integration in railway or Internet-of-Things (IoT) applications. Software simulations of the embedded application code virtually unchanged show that the energy-optimized configurations check a 50-car TI (about 1-km long) in 3.6-s average with 0.1-s standard deviation and that more than 95% of the reports are delivered successfully with up to one-third of communications or up to 15% of the nodes failed. We also report qualitative test results for a 20-node network in different experimental conditions.

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