（通信与信息系统专业论文）基于gsmrgprs调度命令与机车位置跟踪演示系统.pdf

摘要 摘要：中国将g s m r 成功应用于铁路通信并先于欧洲开展基于g s m - r 的通用分 组无线业务( g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e , g p r s ) ，大大加快了中国铁路信息化的 进程。我国铁路将通过综合数字移动通信网络的建设，实现铁路各种移动信息资 源的采集、传输，为现代化调度、指挥、控制提供通信平台。开发基于g p r s 的 应用业务，为设备厂商提供功能测试平台，为铁路从业人员提供培训环境则是铁 道部g s m r 重点实验室的建设重点。 在设计并开发完成机车安全信息综合检测装置( 简称：t a x 箱) 模拟器、调 度集中( c e n t r a l i z e dt m 伍cc o n t r 0 1 c t c ) 模拟系统的基础上，利用铁道部g s m r 重点实验室的网络环境和g p r s 接口服务器( g p r s i n t e r f a c e s e r v e r ，g r i s ) ，实现 了弱度命令和无线车次号的传送，并根据无线车次号中的地理位置信息实现了机 车位置实时跟踪显示，搭建成基于g s m - r g p r s 的调度命令发送与机车位置跟踪 演示系统。 论文中详细描述了演示系统的构成、系统各组成模块的软件结构、系统各组 成模块的接口和协议设计及界面设计。在机车综合无线通信设备的功能测试中， 演示系统自身功能得到了验证，同时也对测试工作起到积极的辅助作用。在铁路 相关从业人员的培训中，演示系统也起到了良好的教学效果。 关键词：g p r s ；调度命令；无线车次号；位置跟踪 分类号：u 2 8 5 2 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti st h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no f g s m - ro nr a i l w a yc o m m u n i c a t i o na n d p r a c t i c e o fg p r sb a s e do ng s m r b e y o n de u r o p e t h a ta c c e l e r a t et h e i n f o r m a t i o n i z a t i o np r o c e s so fc h i n ar a i l w a y w i l ht h ec o n s t r u c t i o no ft h ei n t e g r a t e d d i 西t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , w h i c hp r o v i d e st h ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r mf o r m o d e r n i z i n gd i s p a t c h e r , c o m m a n da n dc o n t r o l ，c h i n ar a i l w a yw i l lr e a l i z em o b i l e c o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fa l lk i n d so fr a i l w a yi n f o r m a t i o n d e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n b a s e do ng p r s ，p r o v i d i n gt h et e s tp l a t f o r mf o rm a n u f a c t u r e r sa n do f f e r i n gt h et r a i n i n g f o rr a i l r o a d e r sa r et h ek e y s t o n e so f g s m - rl a b t a xs i m u l a t o ra n dc t cs i m u l a t o ra r ed e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r n 地d e r a o s y s t e mo f s e n d i n gd i s p a t c h i n gc o m m a n d sa n dt r a c i n gt r a i nl o c a t i o nb a s e do ng p r sw a s b u i l ti nv i r t u eo f g s m - rn e t w o r ka n dg p r si n t e r f a c es e r v e r ( g r i s ) t h ed e m os y s t e m c a nt r a n s m i td i s p a t c h i n gc o m m a n d sa n dw i r e l e s st r a i nn u m b e r , d i s p l a yt h et r a i nl o c a t i o n i nt i m et h r o u g hp i c k i n g - u pt h eg e o g r a p h yl o c a t i o ni n f oi nw i r e l e s st r a i nn u m b e r 1 1 s t r u c t u r eo ft h ed e m os y s t e m , t h es o f t w a r es l x u c t u r eo fs y s t e mm o d u l e s , t h e i n t e r f a c ea n dp r o t o c o la m o n gt h es y s t e mm o d u l e sa n dt h eu s e ri n t e r f a c ed e s i g na r e d e p i c t e di nt h i sp a p e ri nd e t a i l 1 1 l ed e m os y s t e ma s s i s t sw e l li nt h ef u n c t i o nt e s to f c a b i n t e g r a t e dr a d i oc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ta sw e l la sv a l i d a t e st h ef u n c t i o no fi t s e l f n 圮d e m o s y s t e ma l s oh a sg o o de f f e c t si nt r a i n i n gr a i l w a ye m p l o y e e s k e y w o r d s ：g p r s ，d i s p a t c h i n gc o m m a n d , w i r e l e s st r a i nn u m b e r , l o c a t i o nt r a c i n g c i a s s n o ：u 2 8 5 2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 球盈寺 l j 导师签名： 签字日期：上却年，j 月矿日签字日期： 孑镌辱吁 0 7 年，z 月日 ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：珥t 垒雪签字眺二h 7 年棚圹日 致谢 本论文的工作是在我的导师谈振辉教授、钟章队教授的悉心指导下完成的， 谈振辉教授、钟章队教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响；在学习上和生活上两位导师也都给予了我很大的关心和帮助。在此衷心感 谢谈老师、钟老师对我的关心和指导 金晓军老师、陈霞老师、蒋文怡老师、武贵君老师对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 感谢现代通信研究所的全体老师和实验室同学们在我学习期间给予我的热心 帮助，感谢黄祖真、赵小文、龙腾为演示系统的成功开发付出的努力，在此向他 们表达我的感激之情。 感激我的父母，感谢他们一如既往的大度和对我的无私关爱；感谢我的妻儿， 感谢她们对我的理解和支持； 谨以我的一切进步和收获献给关心和帮助过我的人。 序 本论文是一篇关于在实验室开发实用系统的论文，该系统的实现是我在研究 生阶段完成的一个重要项目。 中国铁路信息化进程上面临着很多问题，g s m - r 的成功应用加快了我国跟紧 世界铁路发展的步伐，但面对中国铁路应用业务种类多而频率资源相对紧张的局 面，为了更好地提高频率资源利用率、提高铁路运营效率，中国先于其他国家在 青藏线将g p r s 应用于铁路业务。通过多次现场试验和试运行，g p r s 应用的可行 性和可靠性得到了验证，并且应用于除列控信息外的其他对实时性要求不是很高 的业务中，完成了车地之间多种铁路综合信息的传输。在g s m - r 系统上增加g p r s 平台，实现了列车的高度信息化，便于地面实时掌握车上各种信息，有效地提高 了列车运行效率。 g p r s 在青藏线的成功应用，为以后全国g s m - r g r p s 网络的大规模应用提 供了宝贵的经验。g p r s 的大规模铁路应用，必然需要更多的厂家提供相关设备， 而与之相关的从业人员也急需相关知识的培训。作为铁道部g s m r 实验室，承担 着设备上线前的功能检测任务和铁路从业人员的培训任务。所以开发基于g p r s 的数据业务演示系统就显得格外重要，本论文完成的主要工作就是对数据业务中 的调度命令和无线车次号传输业务的实现。 该演示系统是在充分参照现场实际的基础上，根据实验室的特点开发的用于 人员培训和设备测试的系统，基于g p r s 的其他分组数据业务的功能还需要再迸 一步的探讨、开发和实现。另外还要考虑将应用于列控信息等对实时性要求较高 的电路数据业务也纳入到实验室的模拟演示系统中来，形成一个囊括分组和电路 数据业务的综合演示系统。这是今后需要努力研究的领域。 1 引言 本文的主要工作是在g s m - r 已成功应用于青藏铁路、大秦铁路、胶济铁路的 背景下，为了满足铁路从业人员需要培训环境、铁路设备供应商需要测试平台的 目的，对基于g s m - 刚g p r s 的数据业务综合演示系统的实现。由于是模拟演示系 统，所以要把握实验室环境与现场环境的区别，系统需适当简化但又要不失真实。 系统主要实现了调度命令与无线车次号的传送与接收，以及列车位置实时跟踪显 示功能。结合多次现场考察和实验室的调试、修改，系统已经完全能满足人员培 训和设备测试的要求，必将为提高铁路从业人员的素质和为铁路设备上线前的功 能测试做出贡献。 1 1 综述 1 1 1铁路信息化背景下g s m r 的发展 2 0 世纪中期以来，在世界范围内，信息技术带动了铁路行业整体技术的迅猛 发展，行车指挥自动化、客货快运网络化、市场营销信息化和安全装备系统化使 铁路行业的面貌焕然一新。实践证明，铁路信息化是铁路行业发展的战略制高点 和现代化的主要标准【l - 2 1 。作为铁路信息化的驱动力，g s m r 技术具有功能完善、 传输可靠、交换灵活、容量大等特点，已在许多国家取得了良好的发展，并在铁 路发展中扮演着越来越重要的角色，引导着全球铁路事业向着数字化、智能化、 网络化和综合化的方向迈进。 我国铁路将通过综合数字移动通信网络的建设，实现铁路各种移动信息资源 的采集、传输，为现代化调度、指挥、控制提供通信平台。铁路各级生产和管理 人员通过综合数字调度移动通信网络共享全路范围内的生产和管理领域信息，并 且向社会实时提供铁路客货运及其服务信剧”。作为铁路通信网络的重要组成部分 g s m r 的建设必将奠定良好的网络基础和带来新的发展契机，带动铁路信息 化进程，并大大提高铁路信息化水平。 1 9 9 3 年，国际铁路联盟( i n t e r n a t i o n a lu n i o no f r a i l w a y s ，u i c ) 与欧洲电信标 准组织( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e , e t s i ) 协商，提议欧洲各 国发展铁路无线通信新技术g s m - r 技术。u i c 在1 9 9 5 年对g s m r 技术进行 评估并最终确认，随后开展了一系列的标准制定和测试工作；全球第一个g s m r 网络于1 9 9 9 年在瑞典建成并投入使用。我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技 术跟踪研究，2 0 0 0 年底铁道部确定将g s m r 作为我国铁路通信未来发展的方向。 之后基于g s m - r 的各种铁路特色业务的开发、g s m r 系统及终端试验等陆续展 开，并取得了相当大的成果。 目前，g s m - r 的发展达到了又一个新高，截至2 0 0 6 年4 月6 日，世界各国计 划建设g s m r 铁路的里程数如表1 1 所示 4 1 根据我国中长期铁路网规划的 发展需要，以及目前国内铁路客货运输的发展规模，预计我国g s m - r 铁路的发展 规模将会位居世界第一位。 表1 1g s m - r 在全球的发展规划 t a b l e l 1g l o b a ld e v e l o p m e n tp r o g r a m m i n go f g s m - r 国家( 欧洲1 5 个，亚洲6 个)计划里程数 注；数据来源于2 0 0 6 年u i c 年会统计结果 1 1 2g s m r 概述 g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 是铁路数字移动通信系统的简称，作为u i c 支持开 发的欧洲铁路无线专用通信系统，具有适应铁路运输特点的应用优势，其标准、 技术和产品在铁路上的应用得到欧洲许多国家的验证，达到了商用的程度。铁道 部也决定采用g s m r 作为我国铁路综合移动通信的技术体制。 g s m r 是在g s m 系统基础上增加了语音调度功能( 语音组呼、语音广播、增 2 强多优先级与强拆) 、铁路特有的调度业务( 功能寻址、接入矩阵和基于位置的寻 址) ，并以此为信息化平台，使用户可以在此平台上开发各种铁路应用。因此， g s m r 的业务模型可以概括为：g s m - r 业务= g s m 业务+ 语音调度业务+ 铁路基 本业务+ 铁路应用。g s m - r 的系统业务模型层次结构如图1 1 所示： 图1 - 1g s m - r 系统层次结构示意图 f i g u r e1 - is c h e m a t i cd r a w i n go f g s m - rs y s t e mh i e r a r c h i c a l3 h u c n l f 它 ( 1 ) g s m 业务 g s m 业务包括g s m 语音、电路数据业务、分组数据业务。 ( 2 ) 语音调度业务 e m l p p ( 增强多优先级与强拆，e n h a n c e dm u l t i l e v e lp r e c e d e n c ea n d p r e - e m p t i o ns e r v i c e ) ：对各种业务预先定义优先级，当网络出现无空闲业务信道 或用户正处于通话状态时，高优先级呼叫可以打断低优先级呼叫。 v g c s ( 语音组呼业务，v o i c e g r o u p c a l ls e r v i c e ) ：指用户呼叫属于预定义组 呼区域和组d 的被叫用户。在v g c s 中需要预先设置调度员和业务用户。所有 业务用户通话中只占用一个业务信道，且在同一时间只能由一个业务用户讲话。 v b s ( 语音广播业务，v o i c eb r o a d c a s ts e r v i c e ) ：与v g c s 具有相似的功能， 区别为业务用户没有讲话的权利。 ( 3 ) 铁路基本业务 功能寻址：功能寻址是指可以通过用户的功能角色来呼叫用户，通过功能号 注册或注销，在功能号码和用户的m s i s d n ( 移动台i s d n 号，m o b i l e s t a t i o n i s d n j e 塞窑盈太堂亟堂位j 金塞i i 宣 n u m b e r ) 之间建立一种对应关系。 接入矩阵：接入矩阵定义签约用户之间能否进行呼叫的制约关系。 基于位置的寻址：是指将移动用户发起的具有预定功能的呼叫，路由到一个 与该用户当前所处位置相关的目的地址，例如：司机呼叫调度员或车站值班员， 网络需要根据司机当前所处的位置来确定是哪一个调度员或车站值班员。 ( 4 ) 铁路应用 区间移动通信：代替区间通话柱，满足紧急救援、应急抢险通信指挥的需要， 同时实现区间作业人员的移动通信。 尾部风压检测：尾部风压状态由车尾装置获取，通过g s m r 网络传输数据 信息，机车司机随时可以查询、反馈车尾工作状态，具有列车之间不会相互干扰、 隧道内也能传输的优点。现在正在研制的可控型列尾装置，利用g s m - r 网络实 现与主控、从控机车同步排风，提高长大编组列车在启动、制动时的安全性。 列车自动控制( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ，a t c ) ：基于g s m - r 传输平台，提供 车一地之间双向安全数据传输通道。在列车和列车控制中心之间持续进行位置信 息和运行授权信息的交互使用，保证可靠性和安全性。欧洲列车控制系统2 级 ( e u r o p e a n t r a i n c o n t r o ls y s t e m - l e v e l 2 ，e t c s 2 ) 和中国列车控制系统3 级( c h i n a t r a i nc o n t r o ls y s t e m l e v e l3 ，c t c s 3 ) 以上的列控信息车地之间的传输都是基于 g s m r 来实现的。 旅客业务：购票服务、预定服务、时刻表信息以及与公网通信等。 g s m 网络的持续性发展显然不能仅仅依赖于基本的网络覆盖率和语音业务， 智能化、多样化、个性化的增值业务以及高速分组数据业务也是其持续发展的要 素，同时它们也是运营商增强网络竞争力、扩展客户群及增加经营收益的必备前 提。 1 1 3g s m r 系统数据业务 g s m r 网络是在g s m 网络的基础之上形成并建立起来的，因此从一开始， g s m r 网络就具有g s m 网络提供一般数据业务的功能。对于早期的g s m r 网 络，主要提供的是电路数据业务，后期为了考虑到铁路应用所需要的大量数据通 信的需求，引入了g p r s 网络融入到g s m r 网络中提供分组数据业务。 ( 1 ) g s m r 中的电路数据业务 在最开始的阶段，g s m r 网络提供的数据传输速率最高为9 6k b i t s s ，属于低 速电路交换无线数据业务，包括透明和非透明两种传输方式。透明传输方式传输 精度较差，但稳定性高，适合要求稳定性好但对精确度要求不高的需求。非透明 传输方式精度高，数据传输过程中除了前向纠错编码外，还要通过无线链路协议 ( r a d i ol i n kp r o t o c o l ，r l p ) 和l 2 中继( l a y e r 2r e l a y , l 2 r ) 协议进行控制，不合 格的数据帧需要重传，故而传输稳定性较低。 后来，为了突破9 6 k b i t s s 的瓶颈限制，在g s m - r 低速电路数据的基础上提 出了高速电路交换数据业务( h i g h s p e e d c i r c u i t s w i t c h e d d a t a , h s c s d ) 。通过改 进编码调制方式使得一个时隙的传输速率从9 6k b i t s s 提高到1 4 4k b i t s s ，并且它 还允许几个时隙同时传送一路数据，理论上可达1 1 5k b i t s s 。h s c s d 更适合实时 性尚的应用，如高速传真，其缺点是信道利用率低 列控系统中采用的数据业务主要是指低速电路数据业务，即数据传输速率最 高为9 6k b i t s y s 。 ( 2 ) g s m - r 中的分组数据业务 为适应铁路对高速移动口业务的需求，g s m r 网络开始引入分组无线数据业 务g p r s 。g p r s 不仅能在无线信道上提供9 0 5 1 7 1 2k b i t s s 的可变速率，更实现 了无线信道上数据分组传送，在现有电路交换网络中引入了分组域，为g s m r 运 营者由仅提供话音业务向提供综合信息服务业务领域拓展提供了重要的网络平 台，并为g s m r 网络向第三代演进打下了基础【l - 2 1 。 铁路目前有许多数据应用的迫切需求，急需解决地车之间、现场与数据中心 之问的数据传输通道。这些业务的特点是业务点分散、非周期间断数据传输、频 繁小容量数据传输及个别的大容量数据传输，有些业务点同时又是移动的。 目前，g p r s 在青藏铁路已经应用于多项业务，是铁路综合信息无线传输的一 个重要的通信网络平台，g p r s 在大秦重载铁路上的应用还处在与c t c 联调的阶 段。根据需要g p r s 将为铁路提供非安全无线数据信息传输业务，这其中包括： 铁路运行调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息、其他服务信息。 1 2 本课题的研究意义 铁路信息化是铁路现代化的主要标志。移动通信网是铁路信息化各个系统的 飙础，是铁路综合信息传输的平台。根据我国铁路实际情况：运输对通信业务需 求量大、但频率资源紧张的实际情况。采用g p r s 这种分组数据传输方式作为一 些非安全数据信息的传输平台，可以更好的利用频率资源，为铁路信息化建设提 供传输平台。 5 j l 塞窑通太堂甄堂僮i 金塞j l 盍 g p r s 接口服务器在青藏铁路上的成功应用，是我国先于欧洲发展基于g s m r 的g p r s 业务的一个开拓性标志。基于g p r s 开发各种数据业务，比如无线车次 号和调度命令的传送、旅客业务等已经为现场工作人员和旅客提供了快捷和方便。 提高现场从业人员的素质，提高操作设备的熟练程度，但又不会因为误操作 影响工作效率，是铁路现场工作面临的一项重要任务。因此为现场人员提供一套 模拟现场设备，模拟相对真实的操作环境的模拟演示系统就显得格外重要。另外， 很多厂家生产的机车综合无线通信设备( c a bm t e g r a t e dr a d i oc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n lc i r ) 在投入现场实际应用前都要经过相应的功能测试，试验能否正确 的接收调度命令和发送无线车次号信息。模拟演示系统正好可以满足这些功能的 检验，缩短c i r 产品从研发到应用的周期。 目前在铁路上应用的g p r s 业务相对而言还不是很丰富，现在主要局限在车 次号和调度命令的发送上，而基于g p r s 的旅客业务的开发应用还有很大的市场。 模拟演示系统的研究重要性的另外一个体现就是可以为开发这些业务提供了一个 g p r s 的平台。 1 3 本论文的组织结构 本文在深入理解g p r s 原理，挖掘g p r s 接口服务器作用的基础上，分析了 现场设备和实验环境的区别，研究、设计、开发并最终实现了无线车次号和调度 命令传送以及列车位置实时跟踪演示系统。论文组织结构如下： 第一章：介绍铁路信息化背景下g s m r 的发展，描述了g s m r 的系统业务 模型层次结构，并对主要功能进行了介绍；重点分析了g s m r 系统的数据业务并 提出了本课题的研究意义。 第二章：介绍了g p r s 的网络结构以及g p r s 在铁路上的应用；详细描述了 作为铁路综合无线接入平台核心的g p r s 接口服务器的系统组成，硬件实现以及 系统功能；概述了g p r s 接口服务器在实验室的应用。 第三章：详细描述基于g s m r g p r s 实现的调度命令与机车位置跟踪演示系 统的系统组成以及组成系统各子系统间消息传递；设计演示系统的各子系统的软 件模块、各子系统间的接口及其数据帧格式及各子系统的界面设计。 第四章：在铁道部g s m r 实验室中，对演示系统各子系统的功能进行了联合 渊试、验证和修改，给出了测试结果；依据机车综合无线通信装置测试规范， 演示系统对杭州创联和天津7 1 2 厂两个厂家生产的机车综合无线通信装置，进行 相应功能的测试，给出测试结果；并分析演示系统在铁通员工g s m r 培训中的发 挥的教学作用； 6 拙塞窑盈太堂亟主堂位i 金奎i i 宣 第五章：总结了论文的工作并根据g s m r 的发展给出了演示系统还需要继续 研究和实现的方向。 7 2g p r s 接口服务器 2 1g p r s 概述 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。g p r s 是基于 g s m 的移动分组数据业务，它向用户提供移动分组的口或者x 2 5 连接，是g s m p h a s e 2 + 规范实现的内容之一。g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、时隙结 构、无线调制标准以及相同的t d m a 帧结构。 g p r s 的实现使得g s m 在原有电路域业务的基础上实现了分组域业务，提高 了频率资源的利用率，为g s m 向下一代移动通信技术的过渡打下了良好的基础 5 1 。 2 1 1g p r s 网络结构 g p r s 网在g s m r 网的基础上增加了g p r s 业务支持节点( s e r v i n gg p r s s u p p o r t i n g n o d e ，s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g a t e w a y g p r ss u p p o r t i n g n o d e ， g g s n ) 两个功能实体，如图2 1 所示。 图2 - ig p r s 网络结构 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r eo f g p r sn e t w o r k g p r s 共用g s m r 系统的基站，但b s c 需要增加处理分组数据及无线分组信 道管理的分组控制单元( p a c k c tc o n t r o lu n i t , p c u ) ，同时还要增加s g s n 和g g s n p c u 的功能：该功能实体可以和b s c 合设，也可以作为一个单独的网元，和 s g s n 之间的g b 接口为规范定义的标准接口，和b s c 之间的接口为内部接口。负 责处理无线信道的数据业务；无线数据信道的管理和分配，允许多个用户接入同 一无线资源；用户数据的压缩、加密和转发；同时还具有功率控制、质量控制和 选择信道编码方案的功能。 s g s n 的功能：s g s n 是g p r s 骨干网的重要组成部份，是分组交换的核心部 分，通过帧中继和p c u 相连。功能类同于g s m 系统的m s c v l r 功能，s g s n 不 仅处理分组交换中的信令传输，同时也进行数据包的处理和传送。面向m s 执行 移动性管理、安全管理、接入控制和路由选择功能。即记录当前活动在该s g s n 区域内的移动数据用户的有关信息，如位置信息，可以对当前用户信息进行修改、 删除等；负责数据用户的a t t a c h 和d e t a c h 、位置更新、寻呼、鉴权、加密等；负 责m s 和s g s n 之间逻辑链路的建立、维护和释放；负责路由的选择和信息的存 储转发；产生原始计费数据。 g g s n 的功能：g g s n 内部维护g p r s 骨干网，外部可以连接多个数据网如 i n t e m e t 、企业网、x 2 5 网等，是g p r s 骨干网和外部数据网的网关；在g p r s 数 据网中的地位类同于传统g s m 网中的g m s c 的地位；负责产生数据业务的原始 计费数据。 2 1 2g p r s 业务介绍及其在铁路上应用 铁路目前有许多数据应用的迫切需求，急需解决地车之间、现场与数据中心 之间的数据传输通道。这些业务的特点是业务点分散、非周期间断数据传输、频 繁小容量数据传输及个别的大容量数据传输，有些业务点同时又是移动的。由于 这些业务的此种特性，如果利用电路交换方式进行数据传输，会造成无线资源的 极大浪费，并且造成频繁的越区切换而增加网络的信令负担；对于这些业务，采 用分组交换的方式则能提高网络运行效率。 在g s m r 网络应用g p r s 系统，具有通信实时性好、数据量大，免维护等明 显优势，以无线方式实现数据拨号传输或“永远在线”实时监测。这些业务可以 采用g p r s 业务来提供无线传输通道，用户始终在线，不需要等待拨号过程，采 1 jc s l 和c s 2 编码方式，并可以在一段时间内绑定多个信道为一个用户服务，多 个用户共享一个信道，可以有效利用无线信道资源。 根据铁道部( g s m r 调度命令传送系统主要技术条件( 暂行) ，g s m r 车 次号传送系统主要技术条件( 暂行) ，( g s m r 列尾装置信息传送系统主要技术条 9 件( 暂行) ，铁路行车调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息以及其 他服务信息均采用g p r s 方式进行数据传输 6 - - 8 1 。 2 2g p r s 接口服务器 g p r s 接1 2 1 服务器( g p r si n t e r f a c es e r v e r , g r i s ) 是铁路综合信息无线接入平 台阴的主要组成部分，完成车载应用实体与地面应用实体之间数据协议的转换，数 据的存储转发，是整个铁路综合信息无线接入平台的核心，在整个系统的实现中 起着关键的作用。g r i s 在综合信息无线接入平台中位置如图2 2 中所示： 图2 - 2 铁路综合信息无线接入平台结构图 f i g u r e2 - 2s u u c a mo f r a i l w a yi n f o r m a t i o nr a d i oa c c e s sp l a t f o r m $ u u c t u r e 通过对铁路综合信息无线接入系统以及应用业务的研究，g p r s 接口服务器需 要具备协议转换、数据转发等主要功能，以达到对车地之间信息的可靠、高效传 输的目的，同时还应有数据显示功能、数据存储和数据报表以及告警显示功能。 2 2 1 g r i s 系统组成与硬件实现 g p r s 接口服务器在硬件上由数据转发单元、数据记录单元、外d n s 单元、 r a d i u s 单元、磁盘阵列单元、三层以太网交换机和管理维护终端组成【引。 g p r s 接口服务器在功能上由如下逻辑单元组成如下： ( 1 ) g g s n 接口单元： ( 2 ) c t c ，r d c s 接口单元； ( 3 ) t c d s 接口单元； ( 4 )g i s 信息服务接口单元； ( 5 ) 移动客票系统接口单元； ( 6 ) 数据转发单元； 1 0 ( 7 )数据记录单元； ( 8 ) 内部连接单元； ( 9 ) 管理维护单元； ( 1 0 )u p s 电源系统单元； ( 1 1 )地址解析服务单元； ( 1 2 ) 信息安全服务单元； ( 1 3 ) 磁盘阵列单元； 此外还预留了其他铁路信息业务的接口单元。 g p r s 接口服务器采用高可靠性和高可用性设计，内部主要单元采用冗余热备 份工作方式，实现系统的2 4 小时不间断工作，单点故障不会影响整个系统的工作。 2 2 2g r i s 系统功能描述 1 ) g p r s 网络接入功能 g p r s 接口服务器为各种铁路应用系统提供g p r s 网络接入功能，为地面应用 服务器和车载g p r s 终端之间提供透明的数据传输通道。 2 ) 协议转换功能 g p r s 接口服务器分别连接了地面应用服务器和g g s n ，在应用数据传输过程 中，g p r s 接口服务器完成传输层和应用层通信协议的转换以及功能号到车载 g p r s 终端m 地址的转换。 3 ) 数据的存储转发 g p r s 接口服务器采用存储转发的机制，完成各种应用数据的传送。 4 ) i p 地址更新 当机车运行至新c t c t d c s 区段时，若c r c 佃c s 中心未能及时通过g p r s 接口服务器通知c i r 进行口地址更新，g p r s 接口服务器负责通知c i r 进行g p r s 当前接口服务器口地址的更新操作。 5 ) i p 地址存储 每个g r i s 存储其余路局g r i s 的m 地址，以便收到g c s 发送的越界指示和 下一个c t c 管辖区域代码时，根据区域代码查询接管g r i s 的i p 地址。 6 ) 判断机车综合通信设备是否越界 g r i s 存储自身管辖范围数据，能够根据机车综合通信设备发送的公里标信息 和g p s 信息判断机车综合通信设备是否越界。 7 ) 信息安全功能 防止非法的移动用户利用g p r s 接口服务器进行数据传输，同时也防止未经授 权的固定用户向机车综合无线通信设备传送数据。 8 ) 数据显示 由于通过综合信息接入平台采用g p r s 方式传输会有大量的数据，而要从这些 数据中快捷地发现网络中各个连接部分存在的问题以及应用业务数据的异常情 况，就必须对数据进行详细的解析显示。因此软件的人机界面应该非常友好，将 系统连接故障、应用数据等内容以合理形象的方式显示出来，以便更直观地反映 问题，这有助于更有效地分析和解决问题。 9 ) 日志记录，查询，报表功能 g p r s 接口服务器对所有经过它转发的数据进行记录以备以后查询。 g p r s 接口服务器的主要功能是实现应用数据的协议转换和转发，对数据的存 储记录，可以为日后分析故障，事故提供可靠的分析材料。这就需要将转发数据 存储下来，在事后进行查询分析。 在查询结束后，需要形成结果报告，这就要求将数据的一些重要参数信息存储 到e x c e l 表格中，便于查看和分析。因此，网管软件应该提供报表功能，把查询 到的各种信息结果按照用户的需求自动转存到e x c e l 表格中。 1 0 ) 告警提示功能 当与g s m - r 通信服务器连接或与g g s n 连接出现故障时，要在g p r s 接口服 务器的维护终端上进行文字与声音两种方式的告警提示。 2 3g r i s 系统实验室应用 根据铁道部g s m - r 实验室的建设需要，实验室配备了整套的g p r s 接口服务 器系统，功能与青藏线上实际应用的系统完全相同。但是在发挥g p r s 接口服务 器功能的基础上搭建与现场相同的完整环境，比如增加c t c 系统、机车运行、移 动售票等则相当困难。因此，在g p r s 接口服务器系统的基础上，开发相应的具 有类似功能的模拟演示系统，在实验室中模拟现场环境来演示g p r s 业务，这需 要我们重新开发能够组成演示系统的各个子系统： 具有发送调度命令与接收无线车次号功能的c t c 模拟器； 具有形成并发送无线车次号功能的t a x 箱模拟器； 具有从无线车次号中提取地理信息并实时跟踪显示机车位置功能的地理 信息服务器。 最后，将各个子系统整合形成基于g s m r g p r s 网络可以实现调度命令和无 线车次号传送以及机车位置实时跟踪显示系统。 3 调度命令与机车位置跟踪演示系统 3 1 演示系统的概述 3 1 1系统结构 演示系统的基本组成部分包括g s m r g p r s 网络系统( 包括网络子系统，基 站子系统，管理子系统) ，g p r s 接口服务器，c t c 模拟器( 主要用来发送调度命 令) ，地理信息数据库，t a x 箱模拟器( 用来形成车次号信息) ，机车综合无线通 信设备，地理信息服务器及显示大屏幕。演示系统主要实现通过g s m r g p r s 无 线阔络，g p r s 接口服务器采用分组数据的方式进行调度命令与无线车次号等信息 传输的功能，并能对列车实时运行位置进行跟踪显示。系统结构框图如图3 1 所示。 圈3 - 1 演示系统结构 f i g u r e 3 1s t m c t u r eo f d e m os y s t e m 3 1 2系统内信息传输过程 系统各模块问的信息流清楚地描述了基于g s m r g p r s 实现调度命令发送与 列车位置实时跟踪演示系统的信息内容和流向，详细内容如图3 2 所示。 图3 - 2 系统各模块间信息流图 f i g u r e 3 2i n f o r m a t i o nf l o wc h a r ta m o n gt h em o d u l e s 1 4 3 2 系统组成模块的软件设计 3 2 1c t c 模拟器设计与实现 3 2 1 1c t c 模拟器软件设计 c t c 模拟器主要完成调度命令信息的发送，并能接收、显示调度命令的回执 信息和无线车次号信息。根据c t c 模拟器的功能，软件结构模块划分如图3 3 所 示。 g r 工s 图3 3c t c 模拟器软件模块划分图 f i g u r e3 - 3s o f t w a r em o d u l ec h a l 乜o f t h ec t cs i m u l a t o r c t c 模拟器软件中各模块功能如下： ( 1 ) 调度命令形成模块：按照不同调度命令类型，填写相应的调度内容，形 成调度命令； ( 2 ) 调度命令手动发送模块：封装调度命令，按“调度命令发送”按钮以t c p 方式发送给g r i s ： ( 3 ) 无线车次号接收模块：以u d p 方式接收g r i s 广播的车次号信息，并以 实时车次号信息和车次号历史纪录两种形式表示出来； ( 4 ) 进路预告信息自动发送模块：接车站列车进路已经排列，模块在列车通 过出发站的出站信号机位置时发送列车进路预告信息，信息发出后未收到自动确 认每隔1 5 秒发送一次列车进路预告信息。 信息发出后收到自动确认或列车越过接车站进站信号机则不再发送列车进路 预告信息。 3 2 1 2c t c 模拟器软件主要流程和关键函数说明 c t c 模拟器启动后即建立与g p r s 接口服务器的t c p 连接。连接成功后，启 动调度命令发送、无线车次号和调度命令回执信息接收模块； 调度命令发送后，如果在1 5 秒钟内未收到自动确认或签收信息，则重发该命 令； 接收到车次号信息后，立即对车次号信息进行解析，并通过实时显示和列表 历史记录显示两种方式显示。同时，根据车次号信息中的公里标信息，判断进路 预告信息的发送条件是否满足，满足则自动发送列车进路预告信息。软件主要流 程如图3 - 4 所示； 图3 4c t c 模拟器软件主要流程 f i g u r e 3 - 4p r i m a r yf l o wc h a r so f c t cs i m u l a t o rs o f t w a r e 关键函数说明： o n r e c v d a t a ( ) ：在端口2 0 0 0 8 上接收g p r s 接口服务器转发过来的消息，并 判断是调度命令回执信息还是无线车次号信息后再启动相应的操作； d i s p l a y t r a i n l n f o n o w ( ) ：解析出车次号中的相关信息，实时显示出来； g c t n o f i f y l n f o ( ) ：根据相应的公里标信息，判断自动进路预告信息发送时机； o n s c n d ( ) ：提取相应的调度命令内容，组成数据包，发给g r i s 。 3 2 2t a x 箱模拟器的设计与实现 3 2 2 1t a x 箱模拟器软件设计 t a x 箱模拟器主要模拟了现场列车的运行，它可以通过设置列车信息、模拟 开车、制动、经纬度与采集公里标信息，模拟列车在线路上的运行。根据t a x 箱 的功能，软件结构模块划分如图3 5 所示。 g r i s 图3 - 5t a x 箱模拟器软件模块划分图 f i g u r e 3 - 5s o f t w a r em o d u l ec h a r t 8o f t h et a xs i m u l a t o r t a x 箱模拟器软件中各模块功能如下： ( 1 ) 数据库模块 将已有的现场线路信息，以数据库表的形式存放在地理信息数据库中，数据 库模块读取地理信息数据库中的位置数据信息：经纬度、公里标等信息，然后发 给数据处理模块。 ( 2 ) 数据分析处理模块 将数据库中的位置数据信息与机车号、车次号、速度等内容按照规定的格式 进行封装，形成车次号信息处理后送到数据输出接口模块。 ( 3 ) 数据输出接口模块 将数据分析处理模块送来的车次号信息通过r s 2 3 2