（通信与信息系统专业论文）基于gsmr的列车位置监测平台研究与设计.pdf

摘要 摘要 g s m - r ( g s mf o rr a i l w a y ) 作为新一代的铁路综合数字移动通信网，在世界范围内 得到了越来越广泛的应用，也是我国铁路移动通信的发展方向。随着高速铁路的大量 建设和投入使用，g s m - r 在我国得到了巨大的发展。 现代铁路的安全和指挥系统中，列车位置信息是一个关键因数，许多应用如移动 闭塞、列车自动控制等都需要列车的位置信息作为参数之一。而在铁路建设过程中， 针对不同的铁路线路采用了不同厂家和型号的列车控制和通信系统，造成各条线路互 联互通比较困难，制约了集中网络管理的发展。为此，本文设计了一种基于g s m r 的 列车位置监测平台，把多条铁路线路的列车位置信息放到同一个监测平台上，便于对 列车的集中网络管理。 监测平台主要分三个部分：数据采集，数据传送和数据处理显示。数据采集使用 z i g b e e 无线传感器网络，主要由两部分组成：沿铁路线布放的带状z i g b e e 无线传感器 网络和列车上的移动节点。数据传送通过g s m r 网络，流程如下：先经过列车上汇聚 节点的g p r s 模块把数据传送到g s m - r 网络基站b t s ：b t s 接着把数据沿着b s c 、s g s n 、 g g s n 模块，通过g p r s 归属服务器接入g s m - r 数据网，然后通过m p l sv p n 网络把多条 线路数据汇集到数据处理终端。在数据处理终端部分，使用铁路地理信息系统对位置 信息进行矫正并显示在终端上面。 本文主要进行了如下三方面工作：针对带状z i g b e e 无线传感器网络设计定位算法， 使用实验设备进行分析，验证方案的有效性；为了确保数据在g s m r 数据网中的可靠、 实时传送，提出构建m p l sv p n 虚拟专用网络传送数据的方式，通过g n s 3 仿真软件验 证设计方案的可行性；针对g s m - r 中对实时性、容错能力要求较高以及带状覆盖的特 点，提出一种无线传感器网络实时容错时间同步算法，并结合g s m - r 的实际需求提出 相应组网解决方案，分析和仿真验证算法的有效性。 关键词：g s m r ；无线传感器网络；z i g b e e ；列车定位：m p l sv p n 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t g s m - r ( g s mf o rr a i l w a y ) a s an e w g e n e r a t i o ni n t e g r a t e dd i g i t a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e e nw i d e l yu s e di n t h ew o r l d , a n di t sa l s oc h i n a s d e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr a i l w a ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n s w i lt h el a r g en u m b e ro f l l i g h - s p e e dr a i l w a yc o n s t r u c t i o na n dp u ti n t o 慨，g s m - ri nc h i n ah a sb e e nah u g e d e v e l o p m e n t i nt h em o d e mr a i l w a ys e c u r i t ya n dc o m m a n ds y s t e m s ，t r a i np o s i t i o ni sak e yf a c t o r , m a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha sm o v i n gb l o c ka n dt r a i na u t o m a t i cc o n t r o ln e e dt r a i np o s i t i o n i n f o r m a t i o na st h eo n eo ft h ep a r a m e t e r s i nt h ec o u r s eo fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，f o rd i f f e r e n t r a i l w a yl i n e su s e dd i f f e r e n tt y p e so ft r a i nc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o ms y s t e m s ，r e s u l t i n gt h e i n t e r c o n n c c t i o ni nl i n e si sm o r ed i f f i c u l t , l i m i t i n gt h ed e v e l o p m e n to fc e n t r a l i z e dn e t w o r k m a n a g e m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t sag s m - rb a s e dt r a i np o s i t i o nm o n i t o r i n gp l a t f o r mt ot a k e an u m b e ro fr a i l w a yl i n e s st r a i nl o c a t i o ni n f o r m a t i o ni n t oas i n g l em o n i t o r i n gp l a t f o r mt o f a c i l i t a t et h ec e n t r a l i z e dn e t w o r km a n a g e m e n to ft h et r a i n m o n i t o r i n gp l a t f o r mi sd i v i d e di n t ot h r o ep a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o n , d a t at r a n s f e ra n dd a t a p r o c e s s i n ga n dd i s p l a y d a t ac o l l e c t i o nu s i n gt h ez i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，m a i n l y c o m p o s e do ft w op a r t s ：z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kl a y i n gs t r i p sa l o n gt h e l i n ea n d m o b i l en o d eo nt h et r a i n d a t at r a n s f e rv i ag s m - r n e t w o r k , t h ep r o c e s si sa sf o l l o w s ：f l r s t , t h ed a t at h r o u g ht h eg p r sm o d u l eo ft h es i n kn o d es e n tt og s m rn e t w o r kb a s es t a t i o n b t s ；b t sa n dt h e nt r a n s f e rt h ed a t aa l o n gt h eb s c ，s g s n ，g g s nm o d u l e ，a c c e s st ot h e g s m rd a t an e t w o r kt h r o u g ht h eg p r sa t t r i b u t i o ns e r v e r , a n dt h e nt h r o u g ht h em p l sv p n n e t w o r kt od a t ap r o c e s s i n gt c r n l i n a l s i nt h ed a t ap r o c e s s i n gt e r m i n a lp a r t , u s i n gt h er a i l w a y g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt oc o r r e c tl o c a t i o ni n f o r m a t i o na n dd i s p l a y si nt h et e r m i n a l i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hm a i n l yi nt h r e ea s p e c t sw e r ea sf o l l o w s ：d e s i g nb a n dz i g b e e w i r e l e s s 辩n s o rn e t w o r kl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m , l l s i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n tf o ra n a l y s i sa n d v e r i f i c a t i o np r o g r a m s ；t o s u r et h a td a t ai nt h eg s m rd a t an e t w o r kt r a n s f e rr e l i a b l ya n d r e a l - t i m e ，c o n s t r u c tam p l sv p nv i r t u a lp r i v a t en e t w o r kt ot r a n s m i td a t a , t h e nt h r o u g ht h e h a b s t r a c t i | i i i - s i m u l a t i o ns o r w a r eg n s 3t ov a l i d a t et h ed e s i g nf e a s i b i l i t y ；a i ma tg s m - r sr e a l - t i m e ，f a u l t t o l e r a n c ea n ds t r i pc o v e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，p r o p o s a lar e a l - t i m ef a u l t t o l e r a n tw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a l s oc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ln e e d so f g s m - rn e t w o r k , p r o p o s e dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n s a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni st o v a l i d a t et h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：g s m r ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；z i g b e e ；t r a i nl o c a t i o n ；m p l sv p n i i i c o n t e n t s a b s t r a c t i i c o n t e n t s v i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n dr e s e a r c h 1 1 1 1g s m rd e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d 1 1 1 2t h ea d v a n t a g e so fg s m rs y s t e m 2 1 1 3r e s e a r c ht h et r a i np o s i t i o nm o n i t o r i n g 4 1 2p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h ”：7 1 3t h em a i i l lc o n t e n ta n ds t r u c t u r e ”7 c h a p t e r 2z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dm p l sv p nt e c h n o l o g i e s 2 2 1z i g b e et e c h n o l o g ye x p l a i n e d 9 2 1 1a b o u tz i g b e et e c h n o l o g y 一9 2 1 2a b o u tz i g b e ep r o t o c o ls t a c k ll 2 2o v c r v i e wo f w i r e i e s ss e n s o rn e t w o r k s 。1 5 2 2 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 15 。 2 2 2w i 他i 懿s 湖s o rn e t w o r kn o d es t r u c t u r e ：16 2 2 3w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kp r o t o c o ls t a c k “17 2 2 4p o s i t i o n i n gm e c h a n i s mf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 18 2 3m p l so v e r v i e w 1 9 2 3 1m p l st e c h n o l o g y 2 0 2 3 2p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f m p l s 2 2 2 3 3t h em a i na p p l i c a t i o no fm p l s 2 5 2 3 4m p l sv p nt e c h n o l o g yo v e r v i e w 2 6 c h a p t e r3g s m rb a s e dt r a i np o s i t i o nm o n i t o r i n gp l a t f o r m 2 9 3 1t h eo 、，e m l id e s i g no f m o n i t o r i n gp l a t f o r m 2 9 3 1 1t h em a i nf u n c t i o no f t h es y s t e m 。2 9 3 1 2b l o c kd i a g r a mo ft h eo v e r a l ld e s i g n ”2 9 广东工业大学硕士学位论文 3 2w a y s i d el a y i n gz i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r l c s 31 3 2 1z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kl o c a l i z a t i o n 31 3 2 2e x p e r i m e n ta n dr e s u l ta n a l y s i s 3 8 3 2 3r e a l - t i m ef a u l t - t o l e r a n tw s n t i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 4 1 3 3g p r sa t t a c h e dp r o c e s s i n go f t h et r a i nm o b i l en o d e 4 1 3 4m p l sv p nn e t w o r kd e s i g n 4 2 3 4 1g e n e r a ld e s c r i p t i o n 4 2 3 4 2a d dd a t an e t w o r kp r o t o c 0 1 4 2 3 4 3m p l sv p nb u i l d 4 4 3 5m a pm a t c h i n g 4 5 c h a p t e r4g s m - rw s n r e a l - t i m ef a u l t t o l e r a n tt i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 4 6 4 1r e a l - t i m ef a u l t t o l e r a n tt i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 。4 6 4 1 1e s t a b l i s ht i m es y n c h r o n i z a t i o n 4 7 4 1 2l i n e a rr e g r e s s i o np r o c e s s 4 8 4 1 3t h 矧m e n to f a b n o r m a l 4 9 4 2s i m u l a t i o nd a t af i l t e r i n g 5 2 4 3g s m - rs o l u t o n 。5 3 4 4c h a p t e rs u m m a r y 5 4 c o n c l u s i o n 。5 5 l k f b r e n c e 5 6 t h ep u b l i s h e dp a p e r sa n db e a rt h ep a l mi ns c i e n t i f i cr e s e a r c h j 5 9 p r o m e t h e a nd e c l a r e 6 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 1 第一幸绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 g s m - r 是专门为铁路设计的移动通信系统，是在g s m 蜂窝系统平台上增加了多种铁 路业务和适合高速环境下使用的要素，以满足铁路通信的要求。g s m - r 是面向未来的技 术，它从广阔的g s m 公网市场和g s m 技术的不断演进中获益，具有巨大的发展空吲1 1 。 1 1 1g s m - r 在国内外的发展 1 国外发展状况 在国际上，g s m - r 的发展大致分为三个阶段【2 】：标准制定阶段、系统试验阶段、工 甚二 程实施阶段，具体如下： 。 ( 1 ) 标准制定阶段 1 9 9 3 年国际铁路联盟( u i c ) 与欧洲电信标准组织( e t s i ) 协商，提出了欧洲各国铁路 下一代无线通信以g s mp h a s e2 + 为标准的g s m - r 技术，这一提议在1 9 9 5 年经u i c 评估 并最终确认1 3 】。之后，u i c 展开了一系列的标准制定和测试工作。首先，u i c 建立了标 准化组织欧洲集成铁路无线增强网( e i r e n e ) ，制定了一系列铁路需求规范，涉及范围 “ 包括业务功能、调度台车载台需求、电磁环境等各项指标。其次，还密切与e t s i 合作， 最终将其所提出的系列调度业务需求纳入到g s mp h a s e2 + 规范中。 ( 2 ) 系统试验阶段 1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m - r 谅解备忘录，签字的铁路组织 至少要将g s m - r 用于过境运输通信。同年，为了验证g s m - r 系统的可靠性、兼容性等 指标，u i c 还成立了另一个专门组织欧洲铁路移动无线系统( m o r a n e ) ，它的主要成员包 括铁路运营商、g s m - r 制造商和研究机构1 4 1 。m o r a n e 工程实施阶段项目的重点放在包括 测量高速环境的g s m r 特性上。从1 9 9 7 年至2 0 0 0 年间，m o r a n e 组织分别在法国、意 大利、德国开展了三个试验项目，对g s m - r 系统进行了严格的测试。在做测试的同时， m o r a n e 还制定了一系列技术标准用来规范一些主要流程和设备接口，从而保证将来 g s m - r 系统在各过程中不仅要设备兼容，而且还要终端兼容、业务兼容。 广东工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 工程实施阶段 1 9 9 9 年第一个g s m - r 网络在连接瑞典到丹麦的o r e s u n d 大桥建成并投入运营。 o r e s u n d 大桥铁路线属于瑞典s i r b a n v e r k e t 全国线路工程的一部分。总工程分为四期 实施，全长7 2 0 0 k i n ，2 0 0 0 年夏天完成第一期工程2 4 0 0 k m 的设备安装、调试和验收， 现已投入商业运行。此项目共采用了2 6 0 个b t s ，6 个b s c 和1 个m s c ，并于2 0 0 4 年开 始安装调试g p r s 网络一- - s g s n 和g g s n ( 蜘。参与试验线、运营线或者论证g s m r 系统的 国家有瑞士、德国、荷兰、法国、西班牙、匈牙利、美国、芬兰、挪威、中国、印度、 俄罗斯、英国、意大利、比利时、丹麦、捷克、卢森堡、斯洛伐克、克罗地亚、波兰、 葡萄牙。 2 国内发展状况 在我国，对专用移动通信技术跟踪研究是从1 9 9 4 年开始的，当时的重点是对g s m r 和陆上集群无线电通信( t e t r a ) 系统进行比较。经过专家们的论证认为g s m - r 具有更适 应铁路运输特点的功能优势，更成熟的技术优势以及更符合通信信号一体化技术发展 的需要，更重要的是g s m - r 支持铁路移动通信的可持续发展。2 0 0 1 年1 1 月，中国铁路 高级代表团访问了国际铁路联盟和西班牙、意大利，重点考察g s m r 技术及其发展， 确定了在中国铁路发展g s m - r 。随后铁道部科技司进行科研立项，开始对g s m r 进行研 究开发。2 0 0 2 年1 0 月2 6 日，铁道部在北京交通大学投资建成了第一个正式的g s m - r 科研实验室川s m r 研究与应用模拟系统实验室。此实验室负责对既有线提速、客运专 线、青藏线建设和高速铁路等各种无线通信需求的研究。 目前，我国初步建设了分别代表高原、重载和繁忙干线的青藏线、大秦线、胶济 线三条g s m r 线路，客运专线的建设也已进入实施阶段。其中，青藏线是一条集多种 领先技术于一身的铁路；大秦线是使中国步入重载领域世界先进行列的标志性工程， 突破性地实现了年运量2 亿吨的目标1 6 7 l ；胶济线推动了g s m r 系统在我国时速2 0 0 公 里铁路线路上的应用。此外，g s m - r 系统还应用于广珠线、京秦线、京津城际、武广线、 石太线、北同蒲线等l 。i 。 1 1 2g s m - r 系统的优势 1 g s m - r 系统的综合性 g s m - r 能将铁路现有的各类通信融合到统一的网络平台上来，并且使各类通信系统 2 第一幸绪论 ( 电务、工务、车务、电力、施工等) 之间可以相互通信，相互协调。g s m - r 是无线列调 的更新换代产品，能够满足区间公务移动、紧急救援、调车编组作业、站场无线等移 动语音通信的需求；满足d m i s ( 调度管理信息系统) 无线车号、列车尾部风压、机车状 态信息、红外轴温监测、线路桥隧监护、铁路供电状态监视、道口防护等移动和固定 无线数据传输的需求；满足铁路的安全信息发布和预告警系统的需求，确保铁路的畅 通、沿线施工养护人员、车辆、机械的安全。铁路综合数字移动通信系统g s m - r 将通 信和信号有机的融合为一体，实现移动闭塞，提高了线路的利用率。移动闭塞中，列 控中心根据列车的编组情况、运行速度自动调整移动信号机的虚拟位置到最佳位置， 并将信号通过g s m - r 网络传输到机车上的信号机，为司乘人员的操作提供依据。这样， 当列车的编组短时，闭塞区间就短，使线路的利用率提高，大大提高线路的运输能力。 在g s m - r 系统中，对于列控信息都能进行实时的监控，保证了铁路的安全运输【9 l 。g s m - r 除了满足铁路运输主业和路内各种语音、数据、多媒体图像通信的需求外，同时也可 为旅客和铁路职工提供丰富的新业务，如移动办公、文件传输、收发e m a i l 等。薯 2 g s m r 的经济性 g s m r 能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，可以减少集成和运行费 用。而且，由于g s m r 是由已标准化的g s m 设备改进而成，g s m 平台上已经提供了大量 的业务应用，引入铁路专用功能时只做最低限度地改动，从而保证了技术引入成本低、 性能易实现、运行可靠性高，是一种经济高效的综合无线通信系统。 参 3 g s m - r 对高速铁路的适应性 g s m r 在软件方面，开发了用于优化呼叫建立时问的业务信道分配算法、越区切换 算法，用于增强高速移动体通信服务质量的高速抗失真算法等，能满足列车运行速度 o - - - 5 0 0 k m h 的无线通信要求，安全性好。在法国的现场测试中，当列车时速为3 5 0 k m h 时g s m r 各项指标都得到了验证，满足e i r e n e 制定的标准l 加i 。因此g s m - r 系统适合高 速铁路。 4 g s i - r 数据业务的技术优势 ( 1 ) 资源利用率高，引入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要。 ( 2 ) 传输速率高，g p r s 可提供高达1 7 1 2 k b i t s 的传输速率。这意味着通过便携式 电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的 3 广东工业大学硕士学位论文 移动多媒体应用成为可能。 ( 3 ) 接入时间短，分组交换接入时间缩短为小于1 s ，能提供快速即时的连接。 ( 4 ) 支持i p 协议和x 2 5 协议，而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供 i n t e r n e t 和其他分组网络的全球性无线接人i h j 2 。 1 1 3 列车位置监测研究现状 列车位置监测实现的方法较多，针对不同的应用情况各种解决方案互有优劣。现 在主要使用的方法有轨道电路、应答一查询器、交叉感应回线、测速、g p s 、扩频无线 电、传感器等，对上述方法的详细分析如下： 1 轨道电路定位 轨道电路是最简单的列车定位设备，其优点是无需对既有系统进行大的改造即可 实现列车定位功能，它的定位精度取决于轨道电路的长度。目前，我国城市轨道交通 列车定位技术大多采用轨道电路法。轨道电路分为机械绝缘和电气绝缘2 种类型。目 前城市轨道交通系统中普遍采用“s 棒 电气隔离的数字音频轨道电路。 在数字音频轨道电路中，全部有源器件都集中在控制室内。其室外设备仅包括由 电容、线圈等组成的调谐盒及轨道间的s 型连接导线，调谐盒中有发射与接收线圈。 数字音频轨道电路的定位原理是，发射单元以差分模式向另一端通过铁轨传输调制信 号，在轨道电路的另一端提取这个信号，接收信息和传送信息经逐位比较确认是否相 同后，即可完成对接收信息的验证，以判断钢轨占用和轨道电路的工作状态；当轨道 电路内有车占用时，由于列车车轴的分路作用，接收端可检测到信号电平的变化，从 而判断列车到达相对应的轨道电路位置。 2 应答一查询器列车定位 基于应答一查询器的列车定位方法也是一种广泛采用的以点式给出列车定位信息 的方式。它具有很高的定位精度，取决于查询天线的作用范围，通常在安装点可达到 1 2 m 。同时，它具有很高的可靠度，可在任何气候、任何地点( 包括g p s 未覆盖地区) 可靠地工作，且具有维修简便和运行费用低等优点。 应答查询器列车定位系统一般由车载查询器、地面应答器和轨旁电子单元 l e u ( 可选择) 等组成地面应答器一般装在2 根轨道中央或l 根轨道的外侧，车载查询 器装在机车与应答器相对应的位置。应答器一般都是无源的，内部寄存器按协议数据 4 第一幸绪论 形式存放实现列车速度监控和其他行车功能所必须的数据。当列车驶过地面应答器且 与车载查询器耦合时，查询器首先以一定的频率通过电磁感应将能量传递给应答器； 应答器内电路接收到能量后即开始工作，将所储存的数据以某种调制方式通过电磁感 应传送到列车。 查询一应答器可用作连续式列车速度自动控制系统的列车精确定位，这时应答器 内储存的数据是固定的，也可以作为点式列车速度自动控制系统的列车检测、定位辅 助设备。地面应答器内存储地理位置信息，经机车查询器耦合后，就可得到列车的精 确位置。显然，为了准确定位就必须大量设置地面应答器。 3 交叉感应回线定位 由于轨道电路在实现车一地通信时受钢轨、道床条件的限制较大。成为制约列车 提速、提高密度的“瓶颈 ，于是采取在轨道间敷设电缆作为车一地通信信道的交叉感 应回线定位方式。当列车驶过一个交叉点时，通过车载设备检测环线内信号的相位变 化，并对相位变化次数进行计数，利用信号极性的变化引发地址码加1 。由机车控制 中央处理器根据地址码计算出列车地理位置，并以列车转速变化里程记录进行误差修 正。由于感应回线是列车与地面之间的信息通道。利用极性交叉方式一方面可实现列 车定位，另一方面具有抗牵引电流干扰的作用。 4 测速定位 为了提高列车定位的精度，目前，广泛应用测速定位作为辅助定位方式。测速定 位就是通过不断测量列车的即时运行速度，通过对列车即时速度进行积分( 或求和) 来 获得列车的运行距离。多普勒雷达法是利用多普勒效应进行列车运行速度的一种测量 方法。在车头位置安装多普勒雷达，在地面安装接收设备，雷达向地面发送一定频率 的信号，并检测其反射信号。由于列车移动会产生多普勒效应，所以检测到的信号其 频率与发送的信号频率不完全相同。如果列车为前进状态，其反射信号频率高于发射 信号频率。反之则低于发射信号频率；而且列车运行速度越快，2 个信号之间的频率差 就越大。通过测量2 个信号之问的频率差就可以获取列车的运行方向和即时运行速度， 对列车速度进行积分就可得到列车的运行距离。这种方法对列车测速精度和频率要求 都比较高，其设备相对也较为复杂，如地面不平导致电波散射增大时其测量难度会增 大1 1 3 j 。 5 全球卫星定位( c p s ) 广东工业大学硕士学位论文 利用g p s 实现列车定位已是一种比较成熟的技术。配有g p s 接收机的用户，可在 地球上任何地方、任何时刻收到卫星播发的信息，通过测量卫星信号发射和接收的时 间间隔，以信号传输的时间乘以速度计算出用户至卫星的距离，然后根据4 颗卫星的 数据，即可实时地确定用户所在地理位置。 只要在列车两端安装g p s 接收机和差分误差信息接收器，接收多颗导航定位卫星 发送来的定位信息，就可以计算出自己确切的位置，从而通过导航卫星实现列车的精 确定位。g p s 定位方法的显著优点是定位精度高，实现连续定位，对于用户来说没有地 面设备节约了大量的安装和维护工作。 6 扩频无线电列车定位 随着移动通信技术的发展，扩频多址成为新的列车通信技术。它的特点是抗干扰 性强、隐蔽性强、易于实现码分多址和抗多径干扰。扩频多址主要有跳频扩频和直接 序列扩频两种方法。扩频无线电定位的基本原理是在地面沿线路设置无线基站，无线 基站不断发射带有其位置信息的扩频信号。列车接收到由无线基站发送的扩频信息后， 求解列车与信息之间的时钟差，并根据该时钟差求出与无线基站之间的距离，同时接 收3 个以上无线基站的信息就可以求出列车的即时位剖1 4 】。可以看出，扩频无线电定 位与g p s 定位原理几乎完全一样，但由于要沿线路设置地面基站，相比g p s 成本高。 7 传感器定位法 ( 1 ) 相对传感器 相对传感器是根据预先确定的或先前测量的距离、位置等信息所安装的一种设备。 该方式目前由轮轴传感器实现。其工作原理：将传感器输出频率与轮轴转速成正比的 脉冲信号，通过对频率进行一系列换算先得出速度，再由速度对时间进行积分得到距 离。 ( 2 ) 地面传感器 相对传感器在工作时必须首先确定其相对于大地的绝对位置和取向。为此，在地 面适当位置必须加装地面传感器。俗称信标。当列车通过时，车上感应器接收到地面 传感器提供的绝对位置信息，使列车对距离信息进行更新，得到新的初始位置，从而 克服了相对传感器的误差缺陷。 ( 3 ) 绝对传感器 由于相对传感器工作的局限性，绝对传感器成为未来高速铁路运行中列车定位的 6 第一章绪论 主流技术。绝对传感器可直接提供绝对位置和取向信息，进而实现列车的测距定位1 1 5 】。 1 2 课题研究目的与意义 铁路各条线路上的列车控制系统都是独立运行，并且经常采用不同厂家的设备， 这样就造成多条线路之间信息流通不畅。为了弥补这个缺陷，可以通过g s m r 以及其 数据网络将多条线路的列车位置信息综合在一个平台上，便于对列车集中网络管理。 同时在列车控制系统不能正常运作的时候，可以为列车调度指挥提供列车精确位置， 便于组织人员进行抢修。 列车位置监测平台主要应用在需要全程掌握列车位置信息的场合，能实现对多条 基于g s m - r 通信铁路线路上运行列车精确位置的实时显示，主要有以下功能： ( 1 ) 监测列车的运行状态，当列车之间距离小于安全间距时进行报警，并能通知列 车控制系统采取基本的保护措施。 ( 2 ) 对采集到的列车运行状况信息，进行预处理后通过g s m - r 网络发送到远程的监 测中心服务器中存入后台数据库中以供查询和分析。 ( 3 ) 当列车发生故障时，能及时掌握列车运行状态和周围环境信息，给故障的远程 指导处理提供有力支持。 1 3 主要研究内容及组织结构 本论文主要是研究基于g s m r 的列车位置监测平台，综合运用无线传感器网络、 g s m - r 无线传输、m p l sv p n 虚拟专网、铁路地理信息等理论、技术与方法，设计能融 合多条铁路线路列车位置信息的远程监测平台。 本文以带状无线传感器网络定位和时间同步算法，以及g s m - r 数据网m p l sv p n 组 网为主要研究内容，设计列车位置信息监测平台，有效融合多条铁路线路列车位置信 息，便于对列车的集中网络管理。数据采集使用z i g b e e 无线传感器网络，所采集的数 据通过g s m - r 网络的b t s 、b s c 、s g s n 、g g s n 、g p r s 归属服务器接入g s m - r 数据网，然 后通过m p l sv p n 网络把多条线路数据汇集到数据处理终端，在数据处理终端部分，使 用铁路地理信息系统对位置信息进行校正并显示在终端上面。 数据采集采用带状z i g b e e 无线传感器网络实现，本文研究了带状z i g b e e 无线传 7 广东工业大学硕士学位论文 感器网络定位和时间同步算法，提出适合于带状无线传感器网络的时间同步算法。并 用实验设备对带状z i g b e e 无线传感器网络进行测试，验证了方案的有效性。 列车位置监测平台不同于普通的信息管理系统，其特点是对数据传输的实时性要 求高，采集后的数据必须及时送到数据处理终端，从而才能对列车的运行状况进行有 效的分析。本文基于对传统数据网时延、安全等问题的分析的基础上，设计了适合于 列车位置监测平台的m p l sv p n 网络，保证了数据的实时传送。 本论文的章节安排如下： 第一章介绍课题研究背景、目的和意义，以及列车位置监测研究现状，提出了基于 g s m - r 的列车位置监测平台的研究方案。 第二章对m p l sv p n 技术和z i g b e e 无线传感器网络技术进行分析。 第三章对基于g s m - r 的列车位置监测平台的硬件、软件进行设计。 第四章提出一种适合于g s m - r 带状无线传感器网络的时间同步算法，并对算法进 行了理论推导和仿真实验。 第五章总结论文重点内容，指出监测平台有待完善和改进的地方，以及后续需要 进行的研究和设计工作。 8 第二章z i g b e e 无线传感器网络和m p l sv p n 技术 第二章z i g b e e 无线传感器网络和m p l sv p n 技术 2 1zig b e e 技术阐述 与其它无线通讯技术如蓝牙，w i - f i 等相比较，基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的z i g b e e 技术架构相对简单，而且成本低廉，功耗较低，特别适合于构建监控平台的无线数据 采集网络。 2 1 1zig b e e 技术简介 传统的无线技术如蓝牙，成本高，耗电量大，且占用了较多的计算和通信资源， 在一些不需要很高带宽，只要求低延迟低功耗的通信领域往往捉襟见肘。作为一种新 兴的无线通信技术，z i g b e e 的出现填补了短距离、低速率、低功耗应用的无线技术标 准空缺。 z i g b e e 技术的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，这是i e e e 无线个域网( p a n ，p e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 工作组的一项标准，它是i e e e 无线网络协议族的一个部分。z i g b e e 体系结构 基于标准的七层o s i 参考模型，i e e e 只定义了底层的p h y 层和m a c 层协议，其网络层 协议和a p i 由z i g b e e 联盟来制定，应