基于无线通信的列车远程监控系统应用

    宋萌　常振臣

    

    

    摘要：文章分析了基于无线通信的列车远程监控系统的体系结构与通信流程，对系统采用的移动通信技术、MVB，总线通信特点、6PS全球卫星定位技术以及列车远程监控中心的运行方式进行了相应论述，并给出了软硬件系统解决方案。

    关键词：无线通信；列车；远程监控；6PS；MVB

    近年来，随着我国铁路列车的不断提速，对列车运行的安全性也提出了更为严格的要求。实时监控列车运行状态，对于保障列车的行车安全非常重要，以无线通信方式来实现对列车实时性监控是行之有效的手段之一。

    长春轨道客车股份有限公司作为我国最大的铁路客车和城市轨道车辆的研发与制造基地，近年来在吸收引进国外轨道交通设备先进技术的同时，也承担着自主研发列车装备技术的重任，在国产列车控制系统研究的过程中，形成了部分典型技术成果。本文所介绍的列车无线远程监控系统在公司“北亚号”内燃动车组中得以应用，该系统将无线通信与列车通信网络技术相融合，能够实时监测列车运行状态及故障信息，为列车安全运行提供有效保障，是国产列车控制系统发展历程中的缩影。

    1.监控系统组成与工作原理

    随着移动通信业务的不断发展成熟，无线移动数据通信的应用日益广泛，与此同时，现代列车的过程控制已从集中型的直接数字控制系统发展为基于网络的分布式控制系统，基于分布式控制的MVB（多功能车辆总线）是IEC61375-1（1999）TCN的标准方案，具有实时性强、可靠性高的特点，在列车通信网络中已得到较为广泛的应用，下文对基于以上技术的列车无线监控系统进行介绍。

    1.1系统组成

    列车无线通信系统主要分为3大部分：安装在移动列车上的GPRS/GPS车载终端、监控中心、车载终端与监控中心之间的无线通信网络。车载终端包括GPS卫星接收模块，嵌入式微控制器、GPRS无线通信模块、TCP/IP模块及外围电路。GPRS无线链路基于GPRS移动通信公众网，包括MSC基站控制器，SGSN业务支撑节点，GGSN网关支撑节点。监控中心包括网关和通信服务器。列车监控系统的体系结构如图l所示。

    1.2系统工作原理

    车载终端是整个系统中唯一安装在车辆上的终端设备，它的主要功能是不断获取列车的位置信息、状态信息，并将这些信息处理后通过无线网络发送到监控中心，且随时接收来自对方的监控调度命令。监控中心是基于GIS智能化的监控管理系统，其主要功能是随时接收车载终端传来的有效信息，并通过屏幕显示出来，再将监控调度的相关命令返回车载终端，通信网络则负责完成车载终端与监控调度中心之间的信息传输。

    GPRS允许用户在端端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源；从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。

    2.车载终端硬件设计

    车载终端的基本业务需求是通过GPRS无线链路把卫星定位信息以及列车运行的状态信息传送到监控中心。车载终端的硬件电路主要包括GPRS无线通信模块、微处理器电路、GPS模块、TCP/IP协议转换模块及外围相关接口电路。

    考虑到列车GPRS终端低成本、小型化和移动灵活等要求，该系统中采用单片机对GPRS终端进行控制。微控制器的主要作用有：（1）通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与目的终端或服务器之间建立连接；（2）通过RS232串口向TCP/IP模块收发数据；（3）从列车通信网络的总线中提取列车的状态信息，进行相应处理；（4）自主或根据远程控制指令采取其他操作。微控制器工作时，用户上位系统向控制器发送工作指令和数据，数据由TCP/IP模块进行TCP/IP协议转换，打成IP数据包，再由MC35模块以GPRS数据包的形式发送到SGSN。

    GPRS无线模块作为终端的无线收发模块，将从单片机发送过来的IP包或基站传来的分组数据进行相应的处理后再转发。GPRS模块采用德国Siemens公司生产的MC35模块。该模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器、匹配电源等组成。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器.用来处理外部系统通过串口发送AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。

    系统采用的GPS模块为Motorola公司的M12，该模块具有12个并行通道，体积小、重量轻、功耗低，适用于各类嵌入式设备。由于采用了先进的信号滤波技术，提高了抗遮挡性能，即使在城市、机场及其它靠近无线电辐射源和工业干扰的地方也能正常工作。

    系统采用的网络处理器芯片是Connect One公司的iChip C0661AL。是可升级的通信外设芯片，能仲裁主机设备和互联网间的连接。C0661AL包括存储互联网协议（IP）和配置参数的闪存存储以及足够的SRAM，防止包丢失；还包括有10个同时发生的TCP和UDP插座，以及用作服务器的2+TCP收听插座，有睡眠模式以降低功耗（典型10uA）。整个车载终端的硬件原理框图如图2所示。

    3.车载终端与列车通信网络的接口实现

    列车内车载终端的主要功能之一是从列车通信网络总线中提取列车状态信息，经处理后由无线传输装置发送出去。因此，车载终端与列车MVB总线的接口至关重要。

    MVB网络接口单元（简称“MVB网卡”）主要负责实现物理层信号的转换，执行数据链路层的通信规程，同时为CPU提供软件接口，是实现MVB网络连接的关键。根据列车中所需监控设备的特点和MVB的通信规约，该系统选择带BA（总线管理）功能的MVB-II型网卡。

    在实际运行中，列车内各种设备的模拟量信号通过车载微处理器进行处理之后，传递给MVB协议控制器，经过协议变换后将信号传至MVB总线；现场数字信号量数据经过数据采集模块采集传送到车载FPGA，经过曼彻斯特编解码器转换后经由MVB接口电路传到MVB总线，进而通过MVB II型网络接口单元处理，进行相应的协议转换，传递给车载终端系统中的主控单片机，由单片机对这些信号进行相应处理后传递给TCP/IP模块，为后续通过GPRS Modem以无线的形式发出进行相应的协议准备。

    4.系统软件设计

    监控中心直接连接因特网，通过TCP/IP协议与建立起通路的终端进行通信，双方采用先连接后通信的模式，通信过程中通路始终建立。该系统利用C++Builder进行网络通信编程，监控中心与终端设备通信通过Socket形式实现。GPRS远程通信终端对应Socket通信工作的客户端，而服务器端则对应监控中心的上位机。客户端先向服务器端发起连接请求，在接到客户的连接请求后服务器即为其建立一个连接并给出应答请求，同时把与该连接有关的信息加入到用户链表，服务器利用此链表管理客户。客户端在接到服务器的应答请求时做出响应，从而建立一个端到端的连接。建立连接后客户端和服务器即可通过该连接进行交互。

    车载终端方面，单片机首先对MAX232进行初始化，完成与外接模块协商处理，如波特率、是否有奇偶校验等。接着通过串口I～MC35模块进行初始化，检查GPRS网络信号等情况。接下来进行中断扫描，监控是否有数据到来。有数据时，若为外部数据，即启动数据打包处理过程；若为GPRS数据，即启动数据解包处理过程；若无数据，系统则进入节电模式。在数据打包处理过程中，若检测到系统信号不好，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。

    5.结语

    本文所研究的列车远程无线监控系统将无线通信技术与列车通信网络MVB总线技术、GPS全球卫星定位技术相结合，在长春轨道客车股份有限公司“北亚号”内燃动车组中得以应用，其应用有效提高了动车组行车的安全性和运营效率，具有显著的社会与经济效益。该系统在国产列车监控系统的自主开发过程中具有典型的阶段代表性。