列車監(jiān)控裝置新技術(shù)的開發(fā)?

【摘　要】　研制了列車監(jiān)控裝置無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能及特點，主要對其轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)的modem編程進(jìn)行了設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞：監(jiān)控，無線數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)車，實時
?
1　引　言
　　國外對無線列控系統(tǒng)的研究已有多年的歷史，如歐洲鐵路聯(lián)盟研究所開發(fā)的ETCS（EuropeanTrain Control System）系統(tǒng)，美國的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系統(tǒng)，瑞典ABB公司開發(fā)的RBS（Radio lockystem）系統(tǒng)等。而我國多年來鐵路事業(yè)發(fā)展緩慢，關(guān)于無線列控系統(tǒng)尚無較為成熟的理論，我國列車運行監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)的提取仍然是通過人工轉(zhuǎn)儲方式來實現(xiàn)的。為此，本文設(shè)計了無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)具有支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)這一功能來實現(xiàn)車臺和基站之間的數(shù)據(jù)通信，從而來完成遠(yuǎn)端基地臺對列車的監(jiān)控，在節(jié)省開銷和經(jīng)濟(jì)成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系統(tǒng)的效率，是一種現(xiàn)代化的通信方式。由于監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要為動態(tài)信息處理，所以很適合以計算機(jī)控制收發(fā)設(shè)備的方式來實現(xiàn)?？紤]到單片微處理器的低廉成本，這里設(shè)計的轉(zhuǎn)儲發(fā)送控制電路大多采用單片機(jī)完成，只在基地臺人機(jī)管理界面處使用PC機(jī)，實現(xiàn)良好的管理控制環(huán)境。
2　系統(tǒng)總體描述
2．1　設(shè)計目的
??? 該系統(tǒng)是為配合列車運行監(jiān)控記錄裝置（簡稱監(jiān)控裝置），提高監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時性而設(shè)計的。眾周所知，監(jiān)控裝置所記錄的各種數(shù)據(jù)是機(jī)務(wù)運行安全管理的重要信息，是分析列車運行狀況的重要數(shù)據(jù)資料，它為行車安全提供了必要的安全保障，同時又為機(jī)務(wù)統(tǒng)計和電務(wù)信號提供原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了最新的數(shù)字信號處理技術(shù)和我國成熟的GSM網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它將監(jiān)控裝置記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效率壓縮和讀出，然后異地、遠(yuǎn)程無線傳輸至地面安全管理微機(jī)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托覆蓋范圍廣泛的中國電信國家公眾網(wǎng)，能夠及時、穩(wěn)定、可靠、保密、有效地將列車運行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀芾聿块T，從而提高了管理部門對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析效率和可靠度，克服了由于監(jiān)控數(shù)據(jù)滯后而給分析帶來的不利影響。
2．2　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成
　　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)（主要為PC機(jī)）、移動臺系統(tǒng)、轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和記錄板系統(tǒng)四個子系統(tǒng)構(gòu)成，各部分之間具體關(guān)系如圖1所示。
　　遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對列車發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，并具備對列車進(jìn)行實時跟蹤的功能；轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)通過RS－232口和記錄板相連，同時又通過一塊通信芯片擴(kuò)充了一個標(biāo)準(zhǔn)的RS－232口同移動臺的串行口相連接，其中轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和記錄板的接口控制比較簡單，只需要完成讀文件目錄和讀文件兩種操作，其工作類型屬于半雙工。而轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和 移動臺的接口控制相對較復(fù)雜，在完成全雙工收發(fā)數(shù)據(jù)的同時還要完成對基地臺不同指令的分析處理，此外還要實時地監(jiān)控鏈路的狀態(tài)；移動臺系統(tǒng)的主要設(shè)備為可以入網(wǎng)（GSM）的車載電臺或無線電手機(jī)，為與本系統(tǒng)兼容，移動臺的承載業(yè)務(wù)要求在V．32以上，即至少可以做到9600波特以上全雙工收發(fā)數(shù)據(jù)，移動臺在使用之前必須先對其內(nèi)置Modem進(jìn)行初始化編程，使之在信令識別、流量控制等方面與轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)通信芯片的初始化相一致；記錄板系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集接口、存儲、發(fā)送功能，采集的數(shù)據(jù)通過記錄板的數(shù)據(jù)采集接口被讀入記錄板的存儲區(qū)，記錄板通過串行口把轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)指定的數(shù)據(jù)發(fā)送到轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)的存儲區(qū)。記錄板接受轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的控制，當(dāng)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)以約定的幀格式和波特率發(fā)送指令時，記錄板會按照指令的要求來完成相應(yīng)的工作。其中，記錄板系統(tǒng)是列車運行監(jiān)控記錄裝置的一個標(biāo)準(zhǔn)插件。
2．3　系統(tǒng)功能
??? 該系統(tǒng)具備以下功能：
　 （1）機(jī)車乘務(wù)員可隨時將列車當(dāng)前運行數(shù)據(jù)回傳給機(jī)務(wù)段微機(jī)處理系統(tǒng)；
　 （2）機(jī)務(wù)段微機(jī)處理系統(tǒng)可以隨時呼叫機(jī)車上的監(jiān)控裝置，取得該裝置記錄的所有數(shù)據(jù)；
　 （3）地面分析人員可以實時跟蹤、了解機(jī)車的運行情況；
　 （4）機(jī)車乘務(wù)員可以在機(jī)車運行中隨時與指定的電話聯(lián)絡(luò)；
　 （5）地面處理系統(tǒng)能對機(jī)車回傳的數(shù)據(jù)及時處理，為機(jī)務(wù)安全、運用、檢修、統(tǒng)計等部門及時提供所需的數(shù)據(jù)，還可為電務(wù)部門提供線路信號狀況。
2．4　系統(tǒng)特點
　 （1）人機(jī)界面友好，操作方便。監(jiān)控系統(tǒng)采用VC＋＋6．0設(shè)計了基于Windows的多窗口多視類風(fēng)格的圖形化用戶界面，用戶根據(jù)機(jī)車車臺的SIM號碼，可以實時觀察跟蹤該機(jī)車的運行狀況，有選擇地進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時存儲。離線處理功能為用戶提供了多種數(shù)據(jù)統(tǒng)計、自動生成標(biāo)準(zhǔn)表格及打印等功能。　
?? （2）良好的可擴(kuò)展性。在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程中，完全采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計技術(shù)，充分保證系統(tǒng)軟硬件具有良好的可擴(kuò)展性，可以方便地接受創(chuàng)
新技術(shù)的應(yīng)用，能適應(yīng)系統(tǒng)功能不斷增強(qiáng)的需要。　
　 （3）容錯能力強(qiáng)。電源線和信號線錯誤連接及軟件操作錯誤都不會導(dǎo)致硬件和軟件損壞。
3　MODEM的通信控制
　　該系統(tǒng)的通信協(xié)議是根據(jù)XMODEM協(xié)議演變而來的，XMODEM協(xié)議是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一種文件傳輸協(xié)議，至今仍得到廣泛使用。
　　XMODEM協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是信息包，包含一個標(biāo)題起始字符SOH、一個單字節(jié)包序號、一個包序號的補碼、128個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個單字節(jié)的校驗和。它把數(shù)據(jù)劃分為128字節(jié)的小“包“進(jìn)行發(fā)送，每發(fā)送一個小“包”后都要檢驗是否正確。如果發(fā)現(xiàn)有錯，則再重發(fā)該小“包”，否則繼續(xù)發(fā)送下一個小“包”，直至整個文件傳輸完畢。因此，XMODEM是一種發(fā)送等待協(xié)議，具有流量控制功能。
　　XMODEM的主要優(yōu)點是簡單、通用，基本上所有的通信軟件都支持該協(xié)議。但由于每個信息包只有128個字節(jié)，而且采用出錯重發(fā)方式，每次都要等待發(fā)送，文件傳輸速度很慢，對于9600bps的高速MODEM而言顯得非常慢。這種包比較大，很不適合我們完成遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)對機(jī)車的實時跟蹤這項任務(wù)。此外，它的檢錯能力也不高（50％），為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，需要一種檢錯能力強(qiáng)的通信協(xié)議。所以，我們沒有直接采用這種通行規(guī)程，而對它進(jìn)行了改進(jìn)，下面是經(jīng)我們改進(jìn)過的通信協(xié)議。
　　本設(shè)計傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位也是信息包，但包的結(jié)構(gòu)不同于XMODEM。我們發(fā)送的信息包含有：三個字節(jié)幀頭（同步字），以保證每次接收端都能夠正確地找到幀頭；一個字節(jié)的命令／數(shù)據(jù)標(biāo)識位，這樣就把命令和數(shù)據(jù)分開處理便于接收端對命令和數(shù)據(jù)的正確區(qū)分和處理；兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)包序號（如果是命令此處以FFFF補齊），這樣就解決了每次發(fā)送一個大的文件時包的數(shù)目很大乃至大于255的矛盾；然后是一個字節(jié)的命令字，接下來是16個字節(jié)的數(shù)據(jù)（或命令參數(shù)），最后是兩個字節(jié)的CRC校驗位，32位的CRC對于20個字節(jié)（包序號＋數(shù)據(jù)位）的檢錯能力大于97％，這樣就大大地提高了系統(tǒng)的檢錯能力。在9600bps的高速環(huán)境下，以這種短小結(jié)構(gòu)的包仍能夠滿足在較短時間內(nèi)完成發(fā)送文件的任務(wù)，同樣，這也意味著我們對無線信道的資源浪費并沒有明顯增加，而且除了具有較強(qiáng)的檢錯能力之外，它還有一個更適合我們系統(tǒng)的特點就是它短小的結(jié)構(gòu)更利于我們完成遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)對機(jī)車的實時跟蹤，這是一種適合實時跟蹤、強(qiáng)檢錯、效率相對較高的幀結(jié)構(gòu)。具體幀結(jié)構(gòu)如下：

4 MODEM編程
　　為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)能夠正確、高效地在GSM網(wǎng)上傳輸，調(diào)制解調(diào)器是不可缺少的。在整個系統(tǒng)的設(shè)計中共有兩處用到了調(diào)制解調(diào)器，一處是遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)直接和計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行口相連，另一處內(nèi)置于移動臺系統(tǒng)。兩個調(diào)制解調(diào)器完成的功能是相同的，即完成數(shù)字信號和模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，下面作具體介紹。
4．1　Modem通信控制

　　 Modem通過AT命令可以控制它的三種不同狀態(tài)，即離線命令狀態(tài)、在線狀態(tài)和在線命令狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。如圖2所示。
4．2　通信握手
　　主叫和被叫之間為了能夠保證通信的順利、準(zhǔn)確進(jìn)行，必須使用握手過程。下面以基地臺作為主叫，移動臺作為被叫，主叫要求被叫發(fā)送文件為例來說明主叫和被叫之間的握手。如圖3所示。

4．3　中斷流程和發(fā)送數(shù)據(jù)包流程
??? 程序設(shè)計采用中斷和查詢相結(jié)合的手段，只允許接收出錯中斷和接收就緒中斷，而禁止其它中斷。發(fā)送采用查詢方式。RAM區(qū)里單獨開啟了一塊包發(fā)送標(biāo)志區(qū)，在發(fā)送新文件之前清除從前的內(nèi)容。每一個包都對應(yīng)一個固定位置（6個字節(jié)），其結(jié)構(gòu)如下
　　在發(fā)送時若發(fā)現(xiàn)某個包發(fā)送的時間與當(dāng)前時間相差60秒以上而未收到回執(zhí)，便認(rèn)為此包發(fā)送失敗，若發(fā)送次數(shù)小于3則進(jìn)行優(yōu)先重發(fā)處理。若大于或等于3則認(rèn)為此包無法成功發(fā)送，不予處理且越過。
　　在滿足優(yōu)先發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)包前提下，同時，也為了優(yōu)化程序起見，程序中引入了計數(shù)器變量P，K。
??? P的含義：
　 （1）P之前的所有包必須滿足條件A：得到正確回執(zhí)或雖未得到正確回執(zhí)但發(fā)送次數(shù)大于等于3。
?? （2）P距離當(dāng)前欲發(fā)送包I最近。K的含義：
　 （1）K滿足條件B：第K個包未得到正確回執(zhí)且發(fā)送時間超過60秒發(fā)送次數(shù)小于3。
?? （2）K在P和I之間且距離P最近。在發(fā)送下一個包時，若發(fā)現(xiàn)P和I之間存在一個這樣的K，則優(yōu)先發(fā)送K。

4．4　監(jiān)控程序
　　監(jiān)控程序要實現(xiàn)的功能包括主叫回傳、車臺回傳、實時跟蹤、時鐘校正、車臺密碼、系統(tǒng)口令、文件注冊等幾個功能。主叫回傳是地面微機(jī)處理人員接受所選機(jī)車的文件目錄，并將該目錄文件的數(shù)據(jù)自動保留到指定的數(shù)據(jù)庫中；車臺回傳是機(jī)車入庫或出現(xiàn)故障時，乘務(wù)員將機(jī)車當(dāng)前文件回傳給地面微　　?

機(jī)處理系統(tǒng)；實時跟蹤可顯示機(jī)車當(dāng)前的各項運行數(shù)據(jù)；向機(jī)車發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間，可完成監(jiān)控裝置的時鐘校正功能。此外，查看文件時，可按時間和關(guān)鍵字進(jìn)行查詢，并生成鐵路局統(tǒng)一報表格式；地面微機(jī)處理人員可以隨時修改與車臺的通話號碼等等。
5　結(jié)束語
　　本系統(tǒng)的開發(fā)填補了國鐵路無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的一項空白，在濟(jì)南鐵路局運行期間，該系統(tǒng)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。由于本系統(tǒng)適用于移動通信比較完善的地區(qū)，所以，一些山區(qū)或移動基站建設(shè)較落后的地區(qū)，由于存在較多的盲區(qū)，使系統(tǒng)的性能受到影響。此外，因為轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)在整個通信的過程中，只起到了一個接口的作用，所以，Modem的編程軟件與記錄板系統(tǒng)和移動臺系統(tǒng)分離之后，修改部分軟件，轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)也可以作為其它的接口在有線網(wǎng)上傳輸。

　

1　Theodore S．Rappaport．Wireless Communication Prin－ciples and Practice．Beijing：Publishing House of　　Electronics Industry，1999，6
2　Steele，R，ed．Mobile Radio Communication．IEEE　Press，1994
3　Sklar，B．Defining，Designing，and Evaluation DigitalCommunication System．IEEE Communications Magazine，November 1993
4　T SRappaport，JH Reed，and BD Woerner．PositionLocation Using Wireless Communications on Highwaysof the Future．IEEE Communications Magazine，October 1996