我國鐵路采用的區間信號閉塞傳統模式主要有半自動閉塞和自動閉塞。采用半自動閉塞時，列車占用區間的憑證是出站信號機或是通過信號機的顯示。它受半自動閉塞機的控制，只有當區間空閑，經過辦理手續后，出站信號機才能開放，保證一個區間在同一條線路上，只能運行一趟列車以確保列車運行安全。自動閉塞是把一個站間長度劃分成若干個閉塞分區，前后列車的運行間隔可以通過一定數量的閉塞分區實現，使得在一個區間的一條線路上，可以同時同方向運行數趟列車，實現列車在同一區間追蹤運行。可見半自動閉塞和自動閉塞屬于固定閉塞。列車與列車之間都必須有一定數量的空閑閉塞分區作為列車安全間隔，因控制系統無法知道列車在分區內的具體位置，所以列車制動的起點和終點總在某一分區的邊界，極大地影響了線路的使用效率。移動閉塞方式能夠實時地提供列車位置，并據此動態劃分閉塞分區，能夠在保證行車安全的基礎上，大幅度地提高線路的使用率和鐵路的運輸能力。
1 移動閉塞
移動閉塞田采用無線電定位的方式來實現列車定位和占用軌道的檢查功能。列車追蹤目標點是前行列車的尾部。由于前行列車的速度和位置是隨時變化的所以閉塞分區是不固定的。移動閉塞分區是由集中控制中心根據前車的位置而動態設置的。在列車和軌旁都安裝無線網絡節點，列車A在占用區間時加入由地面網絡節點組成的無線網絡，地面無線網絡根據接收到列車A發送的電磁波的強度由定位算法確定列車A的運行速度、位置等信息。當列車B進入當前區間時，同樣加入無線網絡，并由無線網絡確定列車B的運行信息，確定B車和A車間的移動閉塞間隔，然后將移動閉塞間隔和列車A的運行信息等控制信息傳遞給列車B，列車B根據接收到的信息控制本車運行。移動閉塞系統采用目標距離模式曲線(也稱一次制動模式曲線)如圖1所示。
圖1 移動閉塞目標距離模式曲線示意圖
2 物聯網技術
物聯網的核心技術為基于ZigBee模塊的無線網絡，給鐵路各區間站點安裝一個唯一的代碼的物聯網設備，構造一個覆蓋整個鐵路沿線的實物互聯網，在運行鐵路沿線的動車也安裝該設備。
2．1 ZigBee技術特點
ZigBee數傳技術是一種具有高可靠性、低復雜度、能夠自組網且抗干擾性強的無線網絡技術。它以IEEE 802．15．4作為技術標準，實現無線組網通信。ZigBee數傳模塊網絡以接力的方式高效地傳遞數據。
ZigBee現有的可工作頻段為2．4 GHz(全球)、868 MHz(歐洲)和915 MHz(美國)。在3個頻段上的傳輸速率分別為250Kbps、20Kbps、40Kbps。網絡節點間的距離可以從標準的75米，擴展到5千米。ZigBee數傳模塊技術的優點主要有以下幾點：
(1)可靠性高。采用了CSMA/CA(載波監聽多路訪問／碰撞避免)機制，同時預留專用的時隙用于需要固定帶寬的通信業務，避免了發送時數據的競爭和沖突；各節點模塊之間具有自組網功能，信息在整個ZigBee數傳模塊網絡中通過自動路由的方式傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。
(2)時延短。ZigBee無線模塊節點的休眠激活時延為15ms，移動節點接人信道時延為15ms。
(3)安全，保密性高。ZigBee無線模塊提供了數據完整性檢查和鑒權功能，支持AES-128加密算法。
(4)網絡容量大。可支持多達65000個ZigBee模塊節點。
(5)網絡的自組織、自愈能力強。無需人工干預，網絡節點能感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡。
2．2 ZigBee協議棧及網絡拓撲結構
ZigBee協議棧從下至上由物理層、數據鏈路層、網絡層、應用匯聚層和高層應用規范層組成。其中，網絡層以上的協議由ZigBee聯盟負責制定，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。
ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線連接的方式組成星狀、樹狀或網狀網絡。系統的大部分節點為子節點，在組網通信上，它只是其功能的一個子集，稱之為半功能設備(RFD)；而另外還有一些節點，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備(FFD)。ZigBee模塊網狀網絡拓撲結構圖如圖2所示。
圖2 ZigBee網狀網絡拓撲結構圖
每個獨立的網絡都有唯一的標識符和網絡號(PAN標識符)。利用PAN標識符，采用16位的短地址碼進行網絡設備間的通信，并且可激活網絡設備之間的通信。每個網絡中都有一個唯一的協調器，具有對本網絡的管理能力。網絡中的全功能節點可作為路由器、協調器以及終端節點來使用，而半功能節點只能由終端節點使用。在網狀網絡中，全功能節點都具有路由功能，半功能節點只與就近的全功能節點進行通信。
3 移動閉塞網絡的整體構架
3．1 系統的基本組成及工作原理
基于ZigBee的移動閉塞系統主要是指由ZigBee無線模塊構成的無線網絡，其中包括車載ZigBee數據采集節點和地面節點兩部分。系統基本結構如圖3所示。
圖3基于ZigBee的移動閉塞分區系統示意圖
地面ZigBee數傳模塊鋪設在軌旁并且各節點問組成無線網絡。整個網絡與軌道電路、道岔、應答器等構成地面列控系統。列控系統、列車自動監控系統和聯鎖設備等通過以太網連接到調度集中系統。
車載ZigBee無線模塊節點作為ZigBee網絡中的一個子節點加人地面ZigBee無線網絡并保持連續的雙向通信。
列車不問斷對其標識、方向和速度信息進行ZigBee數據采集并向地面網絡傳輸，地面網絡根據接收到的列車發送的信息和信號強度計算、確定列車的移動閉塞分區，并將相關信息傳遞給該列車和其后面的列車，確保列車安全運行。
3．2列車定位原理及算法
本系統采用接收信號強度指示技術(Received Signal Strength Indication，RSSI)。RSSI是在接收端測量接收到的信號的強度，根據自由空間的電磁波傳播模型，計算出發射端到接收端的距離，實現列車定位。
自由空間的電磁波傳播模型：L=32．44+20lgf+20lgd (1)
式中：L為傳播損耗，單位為dB；d為接收端與發送端的距離，單位為km；f為工作頻率，單位為MHz。
L=PI／P， (2)
式中：Pt為發射功率，單位為mw；P，為接收功率，單位為mW。
當電磁波的工作頻率f和發射功率Pl固定不變時，根據接收端接收到信號的功率P，計算出列車的距離d。當列車節點加人地面無線網絡后，網絡自動選取接收信號最強的地面節點，來定位列車，根據公式(1)計算列車距離信號最強的地面無線網絡節點，從而實現列車定位。
3．3移動閉塞系統的規劃及仿真
本系統采用，TI公司的ZigBee大功率、遠距離傳輸模塊CC2430。該模塊主要技術參數如下：
●輸出功率：50mw(17dBm)
●室外傳輸距離：1．6km
●數據傳輸速率：250 Kbps
●工作頻率：2．4 GHz
●接收靈敏度：一102 dBm
●擴展頻譜類型：DSSS(直接序列擴頻)
●網絡拓撲結構：Mesh網
●加密：128位AES
參照應用于哈大高鐵上的CTCS-3級列控系統的技術指標，為滿足運營速度在300kn以及以上、3分鐘列車追蹤運行的要求，本移動閉塞系統分區一般按不大于2000m進行設計。為此應保證在一個閉塞分區內有2—3個無線節點。
列車的設計最高時速為350km，最大多普勒頻移△f由公式(4)求出，△f=0．778KHz。
（4）
式中：v為列車運行速度 350km／h；c為光速；f為無線節點工作頻率 2．4GHz。
列車的最大多普勒頻移△f=0．778KHz，它比無線節點的工作頻率(2．4GHz)小7個數量級；列車的高速運行要求系統要有很高的數據傳輸速率，ZigBee的最高傳輸速率為250Kbps。，綜上兩點可以得出如下結論：采用2．4GHz的工作頻率可以有效地減小因列車高速運行而產生的多普勒效應的影響，同時也為系統提供了高速數據傳輸通道。
地面與車載無線節點均采用120度定向天線，實現信號對軌道的全覆蓋。
為保證在一個閉塞分區內有2-3個無線節點，地面無線模塊節點間距離應在500-1500m之間。小于500m設備鋪設成本過高，且設備利用率低；距離過大，模塊無法工作。模塊最大傳輸距離可以達到1600m，在實際鋪設時還應留有一定的富余量。地面無線節點間距Matlab仿真圖如圖4所示。
圖4 地面模塊節點間距MatIab仿真圖
從仿真圖可以看出，曲線的切線在點C(1，-83．0542)處。CC2430的接收靈敏度為-102dBm，-83．0542dBm完全滿足要求。所以可得出如下結論：地面模塊間的合理距離為1km。
4 結束語
隨著高鐵時代的到來，基于ZigBee數傳模塊技術的移動閉塞技術將成為主流。采用移動閉塞后集中調度系統可以根據ZigBee數據采集列車的實時速度和位置計算列車的最大制動距離，動態地分配安全區間。由于保證了列車前后的安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分區就能以很小的間隔同時前進，這使列車能以較高的速度和較小的間隔運行，從而提高運營效率。同時ZigBee模塊技術以其獨有的特性，在眾多無線網絡技術中脫穎而出。基于ZigBee的無線網絡移動閉塞技術將有著非常廣闊的前景。