（电力电子与电力传动专业论文）机车监测数据无线传输技术研究.pdf

a b s t r a c t i m p r o v i n gt h es p e e do fr a i l w a y , t h es a f e t yo f l o c o m o t i v ei sr e q u i r e dh j g h j y a n ds t r i c t l y m o n i t o r i n gr e a lt i m es l a t ef o rl o c o m o t i v ei san e c e s s a r yt oi m p r o v e a p p l i c a t i o nq u a l i t y , t oa s s u r er u n n i n gs a f e t y , t or e a l i z es t a t e - r e p a i rf o rl o c o m o t i v e b a s e do nt h a t ，t h et h e s i sa n a l y z e st h es t a t eo fr e p a i ro fl o c o m o t i v e ，w i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , a n dd e s i g n sw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mo f m o n i t o r i n g l o c o m o t i v e 。 1 1 1 ee x i s t i n gg s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) n e t w o r kh a s b e e n w i d e l ya p p l i e d a l lo v e rt h e w o r l d ，i th a sb e e nt h e b i g g e s t m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fu s e rn u m b e r b u tt h ed a t ab u s i n e s so f2 5 ga n d3 gh a s n o tb e e na p p l i e do nal a r g es c a l e ，i ti si m p o r t a n tt os t u d ya n da p p l yd a t ab u s i n e s s o f g s m t h et h e s i s sb a c k g r o u n di st h ep r o j e c to f r e a lt i m em o n i t o rs y s t e mf o rs t a t eo f l o c o m o t i v e - a p p l i c a t i o n o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gp r e s e n ts i t u a t i o na n dp r o g r e s s f o r l o c o m o t i v e r e p a i r , a n ds t u d y t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo f r a i l w a y ，a i m i n ga tt h ec o m m u n i c a t i o no fd a t am o n i t o r e df o rl o c o m o t i v ea n dt h e c e n t e ro f f a u l t d i a g n o s i so n t h eg r o u n d ，i tc o m p a r e sw i t ha n dd e m o n s t r a t e sf o rt h e s c h e m e ，a n dd r a w sac o n c l u s i o nt h a ts m s ( s h o r tm e s s a g es e r v e r ) o fg s mi s f e a s i b l e i na d d i t i o n ，o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h es m s o fg s m t h e o r y , t h et h e s i s b r i n g sf o r w a r dt o aw h o l ed e s i g no fr e a lt i m em o n i t o rs y s t e mf o rt h es t a t eo f l o c o m o t i v e ，i n c l u d i n gl o c o m o t i v e l o c a t i n gs e t ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n dm o n i t o r c e n t e ro nt h eg r o u n d ，a n di ti n t r o d u c e st r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro ft h es y s t e mi n d e t a i l a f t e r w a r d s ，t h et h e s i s d i s c u s s e st h ed e s i g ns c h e m eo ft r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r , i n c l u d i n gh a r d w a r es c h e m ea n ds o f t w a r es c h e m e ，a n di ts t u d i e sc o d eo f s h o r tm e s s a g ei n - d e p t h t h et h e s i sa l s od i s c u s s e ss h o r t m e s s a g er o u t i n g ，t i m e d e l a y , b l i n d a l g ai ns p e c i a l t y a tl a s t ，b a s eo f r e a l i z i n gt h es y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t i sd o n e ，a n dw eh a v e a n a l y z e d t h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：g s m s m s f a u l t - d i a g n o s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第l 章绪论 铁路提速后对机车的安全性能提出了更高更严的要求，对机车运用状态 实行实时监测对提高机车运用质量，保证行车安全和实现机车的“状态修” 都十分必要。本文构建的机车监测数据无线传输系统目的正是推进机车“状 态修”的进程，而构建实用的机车运用状态实时监测系统的前提是了解机车 的维修现状和发展趋势，以及我国铁路无线通信技术的现状和发展情况。 故障诊断技术是迅速发展的项新技术。随着社会的发展和科技的进步， 控制系统及设备的复杂程度日益提高，如何保证控制系统设备安全运行，已 成为一个十分迫切的问题。故障诊断技术是保障控制系统设备安全运行的基 本措施之一，它能对控制系统及设备故障的发展作出早期预报，对出现故障 的原因作出判断，提出对策、建议，避免或减少事故的发生。机车运用状态 实时监测系统正是以机车监测数据为基础，以无线通信技术为依托，以故障 的诊断为目标“t 。 1 1 机车维修现状和发展趋势 尽管从2 0 世纪6 0 年代开始，技术装备的维修已广泛深入地推行“以可 靠性为中心( r c m ) ”的维修制度。但在机车车辆维修领域内，目前仍然是计划 预防修的大框架。整车或大部件定时或定运行里程进行不同等级的维修。多 年的实践和经验积累已使机车车辆计划预防修体制相当成熟，各国铁路在此 大框架下，根据机车车辆的特点实旌分层次的大修( 轻大修、重大修和重造1 、 换件修和集中修。许多铁路公司在计划预防修的大框架下，实施灵活的状态 修，机车入厂( 段) 后，不再大拆大卸，而是根据计算机信息系统提供的履历， 通过必要的检测诊断来决定部件是否拆卸、更换或修理。对一些重要零部件 严格实行寿命管理。 出于商速列车运行速度离、运输密度大、维修停时短、利用率高的特点， 德国铁路对高速列车i c e 的维修采取了新维修策略。在运营期间维修采用诊 断维修。在高速列车运行期间常常出现偶然故障，排除这些故障比消除磨损 型故障更具有意义。为了有计划地实旌这种维修，而产生了诊断维修。应用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 这种维修的先决条件是列车在进入维修段以前，将运行中出现的所有故障已 详细及时的通报给维修段。在列车进段前- - d , 时制定出维修计划，按照轻重 缓急( 规定了5 个优先级别) 进行处理维修，这种诊断维修已成功的完成了i c e 列车的非计划维修，总计费用约占总维修费用的6 0 ，工作量的9 5 以上，从 而极大地提高了列车的利用率，使每列车年运行公里达5 0 万l ( 以上。 近l o 余年来在我国机车车辆维修领域内涌现出一批技术成果。在技术诊 断方面，对原有检测诊断设备进一步完善、改进，合理使用，例如润滑油光 铁谱分析诊断标准的制订与完善，内燃机车综合检测装置的充分利用等。另 一方面开发出众多性能良好、使用便捷的部件检测装置，如机车车辆轴承地 面检测装置、电力机车弓网动态检测装景、机车轮箍在线探伤方法与装置、 提速机车转向架试检装置以及利用高压水或射流技术的部件清洗装置等。在 机车车辆维修信息系统方面取得了突破性进展。柳州铁路局建立了机车检修 综合管理系统，并在全铁路推广：聊城北、北京、山海关、大同西、上海等 机务段应用计算机网络技术对维修作业过程进行控制管理，为实现机车检修 现代化管理奠定了基础。尽管1 0 余年来我国机车车辆修制改革取得了丰硕成 果，但必须清醒地认识到与发达国家相比还相当落后。目前国内机车系统性 监控诊断设备研制才刚刚起步，但已有公司丌发出技术先进、可靠性较高的 机车子系统的微机检测及诊断设备，如武汉广远铁路科技开发研究中心开发 研制的柴油机气缸工作状态监测诊断设备、柴油机主轴承工作状态监测诊断 设备等，在现场使用得到肯定与好评。根据当前世界内燃机车技术发展的趋 势和可能性，微机自动监测、控制与故障诊断技术将是一个重要的发展方向 与研究方向，随着科学技术的突飞猛进，微机自动监测、控制与故障渗断技 术的不断发展成熟，势必将越来越有利于建立机车状态监测、故障诊断管理 系统，并逐步实施机车的状态修”，。 1 2 我国铁路无线通信技术现状与发展趋势 1 2 1 我国铁路无线通信技术现状 我国有7 万多公里的铁路线，铁路各运营部门都需要使用无线通信手段 辅助提高运输效率，保障运输安全。铁路是我国较早发展无线通信系统的部 门，但目前铁路应用的移动通信系统相比国内其它部门已显落后。中国铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 正处在选择新一代数字移动通信制式的关键时期。技术相对成熟、满足日盏 增长的运输生产需要、符合未来发展的要求是在选择中所遵循的基本原则。 新兴的移动通信技术在铁路系统中有着巨大的发展空间。 中国铁路无线通信系统不仅要实现无线列车调度、铁路站场调车通信、 铁路区间移动通信等话音通信功能，同时还承担了车次号传输、列车尾部风 压数据传输、道口预( 报) 警等很多数据无线传输任务，在铁路运输安全生 产中发挥着越来越重要的作用。但是，由于铁路既有的单信道模拟制式无线 通信设备主要是为满足话音通信设计的，长期以来一直存在着枢纽地区同频 干扰严重，信道接入困难、语音不清晰和数据与话音争夺信道、相互干扰等 问题，而且几万公里铁路沿线还一直沿用这落后不便的区间通话柱方式进行 沿线作业和救援抢险，已经不能适应技术发展和日益增长的运输生产需要。 1 2 2 我国铁路无线通信技术发展趋势 随着铁路系统的发展，和无线通信系统的发展，不断发展的无线通信技 术将会越来越多的应用到铁路系统中去。 在机务部门大力提倡应用无线通信技术大力提高机车检修水平的同时， 铁路系统的其它部门也必将提高各自的现代化水平。所以在铁路通信方面， 建立铁路综合无线通信系统是大势所趋。 铁路综合无线通信系统将会具有全新的特点。其特点如下： 一是综合性很强。由于模拟单信道的通信制式，过去的列车移动电台只 是为行车调度服务，其它部门限于投资和铁路特有的环境，都不能完成移动 中的信息交换。而铁路综合无线通信系统的列车电台要为大部分与列车有关 的部门服务。不仅可以完成列车调度的语音通信，还可为其它运营部门提供 重要的数据信息。例如机务部门为了提高机车运用效率、降低维护成本需要 把列车的运用状况数据通过列车电台及时传输到地面机务维护中心：工务部 门为了及时了解轨道线路状况要把列车晃抖数据传输到地面工务调度台，新 型的列车电台要有综合的通信能力。 二是移动数据的传输功能。综合列车电台不仅传送语音还具有数据传输 能力。应配置多个数据接口，可以传输列车机车信号数据：机务部门列车运 行状态数据；工务部门表示路基状态的车辆晃抖数据；运输部门列车尾部风 压数据；调度需要的列车定位数据等。 三是虚拟地址通信。有些列车需要连续运行一千多公里，经过几个铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 局管辖区域，其车载数据要传输到不同的部门。通信联系中呼叫对象( 呼叫号 码) 是不固定的，呼叫地址通常采用虚拟方式，即呼叫地址不针对一个固定用 户，而是一类用户，由控制中心根据主呼用户的位簧把呼叫路由到确定的地 址。这也是我国铁路特有的通信方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章通信方式的选择 机车的移动性决定了系统必须采用移动通信方式来构架机车监测数据无 线传输系统。 2 1 数据通信系统 依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息 即为数据通信。它可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之 间的数据消息传递n ，。 2 1 1 数据通信系统模型 图2 1 是一个简单的通信系统模型，数据通信系统的基本作用是完成两 个实体间数据的交换。 源系统 目的系统 图2 一l 通信系统模型 该模型中的关键部分是： 源端：产生待发送数据的设备。 发送器：对信号进行转换和编码，以产生能在特定传输系统中传输的信 。 号。 传输系统：连接源端和目的端的传输介质或复杂网络。 接收器：从传输系统接收信号并将其转换成目的端设备能处理的信号。 目的端：从接收器输入数据，并能还原成原信号的设备。 2 1 2 移动通信简介 所谓移动通信，就是在运动中实现的通信。移动通信是指通信双方至少 有一方在移动中( 或者临时停留在某非预定的位置上) 进行信息传输和交换， 包括移动体( 车辆、船舶、飞机或行人) 和移动体之间的通信，移动体和固定点 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 固定无线电台或有线用户) 之间的通信“1 。 它可分为陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信。移动台可以是 汽车、船只、飞机和卫星等，构成这种通信的系统称为移动通信系统。 随着人类社会的发展，信息传递日益频繁，移动通信正是因为具有信息 交流灵活、经济效益明显等优势，得到了迅速的发展，移动通信的主要特点 为： 移动通信必须利用无线电波进行信息传输； 移动通信是在复杂的干扰环境中进行的； 移动通信可以利用的频谱资源有限，而移动通信业务量的需求却与日 俱增： 移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效： 移动通信设备( 主要是移动台) 必须适于在移动环境中使用。 本系统所要采用的移动通信方式有多种形式的选择。可以采用无线数传 电台方式、集群移动通信方式、g s m 蜂窝移动通信方式和移动卫星通信方式 等。下面将对以上各种移动通信方式进行分析比较。 2 2 无线数传电台系统 微波通信是一种先进的通信方式，它利用微波来携带信息，通过电波空 间同时传送若干相互无关的信息。它具有传输容量大、长途传输质量稳定、 投资少、建设周期短、维护方便等特点。而建立在微波通信和数字通信基础 上的数字微波通信，同时具有数字通信和微波通信的优点，更是受到各国的 普遍重视。数字微波通信、光纤通信和卫星通信一起被称为现代通信传输的 三大主要手段。 数字微波通信具有以下主要特点： 传输容量大： 可与程控数字交换机直接接口，组成传输与交换一体化的综合业务数 字网( i s d n ) ，有利于各种数字业务的传输： 与电缆、光纤、卫星等通信系统相比具有投资省、见效快、机动性好 等特点； 微波信道比较容易通过有线信道难以通过的地区，如高山、河流等地 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 区。与有线信道相比，抵御自然灾害的能力较强a 下面分别介绍抗干扰能力较强的短波、超短波通信系统。 短波通信： 短波通信的传播距离较远，受地形限制较少，但受电离层的影响，通信 质量差和信道稳定性差，而且受气候的影响大，在实际应用中很少采用。 超短波通信： 超短波通信的信号传输比较稳定，质量较好，又具有一定的绕射能力， 是我国目前水情自动测报系统中应用最多、技术上也较成熟的通信方式，但 传播距离较近，且受地形限制，在山地通信时需设置中继站。 采用无线数传电台，缺点在于需要自己构建无线网络，存在占用频率资 源的问题，同时由于不可能采用覆盖全线的大功率电台，仍需采用级联方式， 使得系统可靠性、灵活性和可扩展性受到影响。 2 3 集群移动通信系统 所谓集群通信系统，即系统所具有的可用信道可为系统的全体用户共用， 具有自动选择信道的功能，它是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务 的无线调度通信系统。 集群移动通信系统属于调度系统的专用通信网。最简单的调度通信网是 由若干个使用同一频率的移动电台组成的。其中一个移动台充当调度台，由 它用广播方式向所有其它的移动台发送消息，以进行指挥与控制。这种调度 通信网通常以单项传输为主( 调度台向移动台传输) ，各移动台只能在获得调 度台的许可时，才能发送信息；否则，就会形成众多移动台争用同一频道而 相互干扰。为了避免调度台向任一移动台发送信息时，其它无关的移动台都 会收到此信息的缺点，可以为每个移动台配置一个“选呼”电路赋予每个移 动台以不同的地址编码，即“选址通信系统”。为了增加调度通信网的功能， 为用户提供方便，人们自然会想到建立具有指挥台和具有双向通信能力的专 业调度系统。问题是专用通信网的用户非常多，如果在各个行业中，各种企 业和事业单位都要求建立自己的专用移动通信网，那么，日益紧张的频率资 源是无法支撑的。 集群系统的用途和特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 集群通信系统属于专用移动通信网： 集群通信系统根据调度业务的特征，通常具有一定的限时功能，一次 通话的限定时间大约为1 5 6 0 秒( 可根据业务情况调整) 。 集群通信系统的主要服务业务是无线用户和无线用户之间的通信： 集群通信系统一般采用半双工( 现在已有全双工产品) 工作方式，因 而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道； 集群系统中，主要是以改进频道共用技术来提高系统的频率利用率。 基于专用信令的集群系统，其信道申请、维持、释放等过程及其占用的 时间无法确切知道，仅通过试验的手段获取粗略的数据，对系统的扩容是一 个较大的障碍。 2 4g s m 蜂窝移动通信系统 蜂窝通信网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域( c e l l ，在蜂窝系 统中称为小区) ，各小区均用小功率的发射机( 即基站发射机) 进行覆盖，许多 小区像蜂窝一样能布满( 即覆盖) 任意形状的服务地区”。 g s m ( 全球移动通信网) 是近年来发展迅速的数字式移动通信网络，其g s m 短消息业务是移动通信部门利用g s m 网络在提供电路交换的各种电信业务和 承载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。其简便快捷的性能 和相对低廉的收费赢得了广大用户的青睐，同时也为远程监控提供了一种新 的技术手段。 g s m 网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信误码率低，利用g s m 的 短消息功能进行远程监控，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控 的新领域。并且，完全利用g s m 公众移动通信网络，每月仅需支付普通移动 用户基本月租费和短消息服务月租费，无需昂贵的架设无线网络韵投资费用。 随着g s m 网络的各种新技术的不断推出，构筑在g s m 网络上的远程监控系统 必然能与移动通信技术的发展同步，因而具有广阔的应用前景。 2 5 移动卫星通信系统 利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 通信，具有独特的优越性。由于接收信号电平与通信传输距离的平方成反比， 利用同步卫星实现海上或陆地移动通信时，为了接收来自卫星的微弱信号， 用户终端所用的天线必须具有足够的增益，甚至使用伺服平台，保证天线能 不随载体晃动而准确的跟踪卫星。 当卫星系统中的用户呼叫地面网络中的用户时，主呼用户先将呼叫信号 发送到卫星，由卫星转发给地面汇接站，再由地面汇接站转送到有关地面网 络中的被呼用户，双方即可建立通信链路以进行通信”。 卫星通信的传输质量好，传输距离不受限制，覆盖面积大，受地形、气 候的影晌小，组网灵活，但卫星终端设备成本较高。另外，虽然系统采取按 时收费，还依然有较高的使用成本，实际应用也不是很广泛n l 。 本系统的无线通信方式的选择本着通信方案的先进性、可靠性、实用性、 实时性和经济性的设计原则，并结合本系统的特点。相比之下，g s m 蜂窝移 动通信系统的g s m 短消息业务是最佳选择。 先进性：采用先进的g s m 技术，g s m 技术作为第二代( 2 g ) 移动通信技 术的主流得到了迅速的发展，g s m 移动网络在我国已经具有非常广泛的覆盖 范围。同时随着移动通信技术的发展，g s m 网络也在不断地向前发展，如已 经在g s m 网络技术基础上实现的基于分组的g p r s 通信，并且继续向3 g 方向 发展。因此，采用g s m 移动通信技术实现远程监测系统的远程通信是具有先 进性的。 可靠性：g s m 移动通信网络作为一个商用的电信运营级网络，其可靠 性是相当高的，电信运营商在建设网络时已经充分考虑了网络的可靠性和稳 定性，信息发送和接收安全可靠。因此用这种商用可靠的网络作为我们应用 系统通讯支持平台，其可靠性是非常有保障的。采用成熟的工业级g s m 模块 和g s m 网络直接通信方式，整个系统的可靠性在本质上和机理上均得到提高。 同时，软件可在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个频道切换，远离工频、抗干扰性能较 强。 实用性：g s m 作为一个成熟实用的网络，已经为广大的用户提供服务， 其能够满足用户需求，实现资源共享，信息交流，提高业务能力和工作效率 的实用性是显而易见的。 实时性：短信息服务每条信息的最大长度是t 4 0 个八位组，可以承载 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 6 0 个英文字符或7 0 个汉字，可以满足设备定时测量数据传输的需要。g s m 模块采用标准的串口进行数据的传输，g s m 模块发送接收最高波特率可达 1 1 5 2 k b p s ，默认波特率9 6 0 0 b p s ，可通过软件进行设定，如2 4 0 0 b p s 、4 8 0 0 b p s 等。此外，在g s m 网络正常的情况下，g s m 模块从发送一条短消息到接收到 发送确认信号，大约需要l 2 s 的时间间隔。 经济性：首先，采用g s m 移动通信方式在网络建设上不需要投入，也 不用租用通信线路，g s m 收发器系统可以采用目前免月租费的专用卡；其次， 根据移动公司短消息的收费标准，发送一条信息的费用为0 1 元，接收者不 收费，因此。对本系统来说。每月的实际使用费应是：( o 1 发送消息总条 数) 元。这种系统运行通信费用与其它通信方式相比具有非常好的经济性。 总之，g s m 短消息业务有如下优点：( 1 ) 标准化程度高，接口开放，联网 能力强，能国际漫游：( 2 ) 支持点到点双向的短消息业务；( 3 ) 保密、安全性 能好，具有鉴别、加密功能；( 4 ) 价格便宜。尤其是g s m 网支持的数话兼容功 能更适用于车辆监控调度，无须基本投资。在我国，g s m 公用数字移动通信 网是覆盖面最大、系统可靠性最高、话机保有量最大的数字移动蜂窝通信系 统。利用g s m 传输监测信息是一种最经济、合理、有效的通信方式。它的使 用，可充分发挥各系统业务服务的特点和资源优势，以最小投资和运营费用 实现移动目标的定位、监控与调度。g s m 模块在短信息方面的应用最具优势， 短消息具有随时在线( a l w a y so n l i n e ) 、无需拨号、价格便宜、覆盖范围广等 特点，特别适合于需频繁传送小流量数据的应用如车辆调度安全导航，监控 监测等领域m i 。 故本系统采用g s m 短消息业务作为系统的无线数据通信方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 第3 章机车g s m 无线监测系统 3 1 机车g s m 无线监测系统概述 本系统主要分为车载子系统和地面子系统两大部分，系统总统结构图如 图3 - 1 。车载子系统由数据采集模块、数据存储及发送模块构成。各个数据 采集模块之间用c a n 总线连接。数据发送采用g s m 移动终端来完成数据通讯， 波特率最高可达1 1 5 2 k b p s 。数据采集模块的采样精度为1 2 位，采样频率高 于5 0 h z 。地面子系统由数据接收模块，数据库和数据分析模块构成。数据接 收模块和车上部分的数据发送模块一样都采用g s m 终端，由计算机读取g s m 终端接收到的数据并存储到数据库中。数据分析模块根据数据库中的数据完 成机车监测参数的曲线绘制、故障实时分析诊断、部件病历管理及寿命预测、 机车病历管理等功能。地面子系统的软件平台为w i n d o w s2 0 0 0 + s q l s e r v e r 2 0 0 0 ，软件开发工具为d e l p h i 7 o ”。 数据发送模块 数据存储模块 c a n 总线控制器 ( 车载移动台)( 地面监测中心) 图3 一l 监测系统总体结构图 3 1 1 车载移动台 车载子系统由数据采集模块、数据存储和发送模块构成，数据采集模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 首先要涉及到数据采集点的确定问题。 数据采集点主要集中于三大模块：微机柜模块、监控装置模块和温度采 集模块。其中数据采集点包括制动管压力、公里标、机车速度以及牵引电机 轴温共5 0 个量。由于数据采集采用1 2 位a o 转换芯片，在采集点编号参与 存储的情况下，每采集一次需要( 5 0 x 3 = 1 5 0 ) 个字节的存储空间。 由于数据采集点较多，存贮器的选择便成为一个突出的问题，需要考虑 成本、体积、可靠性、功耗、数据、安全性等诸多方面，若采用r a m 或e e p r 嘶， 会受印制板面积、微处理器寻址空问、功耗等诸多方面的限制，因此本系统 采用一种叫做闪烁存贮卡( c o m p a c tf l a s hc a r d ，简称c f 卡) 的存储芯片。 数据发送模块，利用g s m 模块的短消息通信功能，完成数据包的发送工 作。 3 1 2 地面监测中心 地面子系统由数据接收模块、数据库和数据分析模块构成。地面监测中 心采用工控机进行数据的接收工作，在对数据包进行解析后存入相应的数据 库中，地面系统中对机车监测数据的综合分析处理模块，包括机车运用状态 实时判断和故障诊断和定位，可以显示整个监控区间内所有装有本监控系统 的机车的实时运用状态，并且可以在不同的显示屏上分级显示。还可以在数 据存储的基础上实现机车和部件的履历管理、寿命预测，逐步实现机车的“状 态修”n n 。 3 。2 机车f i s m 无线监测系统的通信网络 在机车监测系统中，车载台和监测中心的通信系统的可靠性在很大程度 上由所采用的通信网络所决定。在我国，由于g s m 通信网的覆盖面积及其可 靠性均占据了绝对的优势，我们的g s m 无线监测系统正是依附于该网，采用 g s m 短消息的数据交换形式架构而成的。 3 2 1 我国移动通信发展现状 我国的移动通信是从军事移动通信起步的。民用移动通信发展较晚，大 致分为早期、7 4 系列、8 0 系列三个阶段。2 0 世纪5 0 年代末到7 0 年代中主 要用于公安、邮电、交通、渔业等少数部门作专用网。1 9 7 4 年才开放了四个 民用波段，制定了通用技术条件，开始研制频道间隔为5 0 k h z 和l o o k h z 的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 7 4 系列产品。1 9 8 0 年制定了频道间隔为2 5 k h z 的性能指标、测试方法和环境 要求等部颁标准，开展了8 0 系列设备的研制。 我国公共移动通信起步于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 7 年在广州、上海率先采 用9 0 0 q z t a c s 标准的模拟蜂窝移动通信系统，开通了蜂窝移动通信业务。它 一经问世，就受到了广大用户的欢迎，并迅速发展到全国各省。从1 9 9 4 年9 月至1 9 9 5 年底短短一年多，中国电信就有1 5 个省、直辖市、自治区开通了 g s m 数字移动电话业务，并采用中国七号信令完成联网自动漫游。 在发展g s m 的同时，我国积极跟踪c d 姒技术的发展。2 0 0 0 年中国联通 计划在移动通信上投资2 8 9 亿，主要用于c d m a 网络建设，覆盖国内大部分的 重要城市并开通运营。 我国信息产业部2 0 0 2 年1 2 月1 6 日公布的数据，我国移动电话用户在 2 0 0 2 年1 1 月底已经超过2 亿户，从普及率来看，国内移动电话仍有很大的 发展空间，移动电话用户数不久将超过固定电话用户数。 为了改变我国以往在制订技术标准方面跟着国外标准跑的局面，我国政 府主管部门高度重视第三代( 3 g ) 移动通信的发展，积极制定具有我国自己知 识产权的3 g 标准。1 9 9 9 年1 1 月在芬兰召开的i t u 第1 8 次会议上。我国自 己的3 g 标准t d _ s c d m a 技术正式作为3 g 的三种主流标准之一。我国将迎 来移动通信发展的新高潮。 3 2 2g s m 移动通信系统 欧洲数字蜂窝系统的发展始予1 9 8 2 年。欧洲邮电主管部门会议( c e p t ) 设立了移动通信特别小组( g s m ，即g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) ，开始了泛欧数 字蜂窝通信系统的制式标准的研究。1 9 8 8 年提出了主要建议和投标方案。进 入9 0 年代以来，各国厂家陆续制造各自的g s m 系统。1 9 9 2 年开始投入商用。 到9 0 年代中期，g s m 标准的数字蜂窝通信系统几乎覆盖整个欧洲，并向全世 界发展。现在把g s m 系统称为全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) “。 3 2 2 1g s m 系统的通信服务种类 承载服务 承载服务的内容包括：受限话音，异步双工数据，同步双工数据，分组 的组合与分解，同步双工分组数据等。 电信服务 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电信服务的内容为：电话，短消息、可视图文v i d e o t e x ，图文电视，话 音，传真等。 附加服务 附加服务可向用户提供许多高级服务功能，从而为用户带来方便。g s m 提供的附加服务内容多达2 8 项，其中有号码识别、免费电话服务、移动接入 跟踪等。 3 2 2 2g s m 移动通信系统的网络结构 g s m 蜂窝系统的网络结构如图3 - 2 所示。 豳 固一- 幽镭萌 门 ? 1 、 l p s t n 曰显登 剥 、l ， 图3 2g s m 蜂窝系统的网络结构 由图可见，g s m 蜂窝系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和 网络子系统。基站子系统( 简称基站b s ) 由基站收发台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成；网络子系统包括：移动交换中心( m s c ) 、操作维护中心( o m c ) 、原籍位 胃寄存器( 札r ) 、访问位置寄存器( v l r ) 、鉴权中心( a u c ) 和设备标志寄存器 ( e i r ) 等组成。一个m s c 可管理多达几十个基站控制器，一个基站控制器最多 可控制2 5 6 个b t s 。由m s 、b s 、和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该 网络由m s c 与公用交换电话网( p s t n ) 、综合业务数字网( i s d n ) 和公用数据网 ( p d n ) 进行互连。 3 2 2 3g s m 系统中的移动台 数字式移动台( 孵) 是由收发信、信号处理、终端接口三大部分组成的。 收发信部分包括天线、发送、接收、数字调制解调；信号处理部分还可分为 信号处理和控制两部分。发送信号的处理包括：语音编码、信道编码、加密、 t d m a 帧形成、调频。接收信号的处理包括：解调、均衡、信道分离、解密、 信道解码、语音解码。控制部分的功能是对整个电台的控制和管理，包括定 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 时、调频、收发信、基带信号处理、接口等的控制。这些控制是由微处理器 来实现的。终端接口部分包括话音模拟接口( a d 、d a 、话筒、扬声器) 、数 字接口( 数字终端适配器) 、人机接口( 显示、键盘、s i m ) 。 3 2 36 s m 通信系统中的短消息业务 短消息服务( e qs m s ：s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 是通过手机发送和接收有 限长度的文本信息的功能。文本信息是诃语、数字和字母的组合，一条短消 息可以包含1 6 0 个英文字母( 7 - b i t 编码) 或7 0 个非拉丁字母( 1 6 - b i t 编码) ， 如中文汉字或阿拉伯字等u n i c o d e 编码。历史上第一条短消息是1 9 9 2 年在英 国通过沃达丰( v o d a f o n e ) 公司的g s m 网络从一台p c 发送到一部手机上的”= 。l 。 3 ，2 3 1s 惦的发展历程 从1 9 9 2 年1 2 月的第一条短消息开始，在此后的几年内短消息的用途类 似于寻呼的功能用于通知用户语音邮件到达，因此并没有得到广泛的应 用。从1 9 9 8 年开始，短消息的市场有了根本性的变化。由于话音业务的增长 明显放缓，发展移动数据业务的呼声日益高涨。欧洲的一些运营商逐步将目 光投向了短信息服务。s o n e r a 、v o d a f o n e 、m a n n e s m a m n 等公司先后大力推行 短信息业务，力求造就新的业务增长点，从而迅速掀起了一场短信息热潮。 欧洲短信市场的火爆和日本i - m o d e 的神话，刺激了中国的运营商大力发展短 信业务，2 0 0 0 年9 月中国移动与新浪、搜狐等著名网站联合为全球通手机用 户提供“全球通奥运快讯”互连网信息点播服务。这次成功使初尝短信市场 果实的中国移动和中国联通下定决心大力发展短信市场。从2 0 0 0 年开始，尤 其是在2 0 0 1 年中国短信市场空前火爆，运营商和服务提供商都从中分到一杯 羹，证实了现阶段发展短信业务这一策略的正确性。s m s 的发展将经过增强 消息业务向多媒体消息业务发展。 3 2 3 2s m s 体系结构 1 短信中心： 短信中心本身是运行在服务器上的一个应用程序，短信中心的实质是一 个数据库应用程序，其核心进程担负着通过移动交换机连接并发送、接收短 信息底层编码的任务，它收到一条数据后将其放入数据库中，同时另一个进 程试图将这条数据放入发送队列将其发送出去，如果成功，这条信息将被删 除以释放数据库空间，但统计信息将保存。如果不成功，受q 根据设置的时间 间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 在评价短信中心性能的时候，人们常以其每秒钟发多少条为标准。短信 中心的功能应符合e t s ig s m 规范0 3 4 0 ( v 4 9 1 ) 的要求，必选功能如下。 ( 1 ) 短信息的存储能力。 短信中心有能力对用户提交的短信数据进行存储，其存储的基本内容包 括： 短信1 n 条( 文本、长度) ： 短信的时标： 短信的优先级； 短信的有效期： 发起者和目的地地址： 应用类别( 移动发起，移动终止，或者移动至移动) ： 信息来源( 移动台、语音信箱或人i e 自动台) ： 对移动台提交的短信息要记录是否需要状态报告： 短信的发送状态： 失败原因。 ( 2 ) 短信息的提交和转发。 短信中心具有短信提交和转发的功能。 短信息提交：当短信息被提交给短信中心后，短信息中心在确认消息 有效后，将短信息及时保存，并向发送者回发确认信息。 短信息转发：短信息中心取出应该发送的消息，并确保在一个时刻向 一个移动台发送一条消息。如果转发失败，则短信中心接收从网络侧回发的 失败原因。短信息中心不再向接收侧发送，直至从网络接收到提醒消息或短 信息中心采用定时重试机制。 ( 3 ) 消息优先级。 对于骼终止的短信息，短信中心至少应将短信息分为高优先级和普通 优先级。指配为高优先缴的消息，短信中心进行如下处理： 强制转发尝试，即使m s 为暂时缺席或无存储容量也应尝试转发： 高优先级的短信息应优先发送。 ( 4 ) 有效期。 当发送一条短消息时，应由发起者规定消息应尝试转发的有效时间。当 有效期逾期时，短信息中心应将消息从发送队列中删除，作为历史记录保存 西南交通大学硕士研究生攀位论文 第l7 页 到信息库中，并根据用户设定可选的产生状态报告。 当发起者未规定短信息有效期时，短信息中心可设置默认值( 一周) ，该值 可由运营商通过操作维护终端进行灵活设定。 ( 5 ) 重复转发尝试。 短信息可进行两者重复转发尝试： 短信息中心得到通知，峪已激活或m s 有能力接收短信息时，短信 息中心尝试重复转发； 短信息中心进行定时自动重复转发，并且短信息中心应能够根据网络 侧回发的不同错误原因值设定不同的重复转发时间问隔。 ( 6 ) 流控功能。 短信中心具有短信息的流控功能，以防止失败的业务对于g s m 网络的冲 击。 ( 7 ) 短信息路由。 短信中心有能力通过对短信息的目的地址，以及短信息内容中的明文部 分进行路由的能力，以分发短信息到相应的业务系统。 ( 8 ) 系统日志。 短信中心具有日志功能，对于接入、中断等情况应具有详细的记录。 ( 9 ) 告警功能。 短信中心具有告警功能，对于连接的中断应产生告警信息，提醒操作人 员注意。 ( 1 0 ) 统计功能。 短信中心对于不同的服务类型进行统计，以方便管理者掌握不同的s m s 业务。 ( 1 1 ) 用户核查能力。 对于移动台发起的短信息，短信中心应能核查主叫m s 的识别，判断它 是否为本短信中心归属的用户。 ( 1 2 ) 支持汉字短信业务的能力。 汉字短信息编码方案应符合g s m 规范0 3 3 8 ( v 5 2 0 ) ，即支持新短信 息编码方案u c s 2 ： 其条件是人工输入汉字短信息的终端应支持u c s 2 编码的汉字： 短信息中心应支持m s 至m s 汉字短信息业务的透明传输。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 13 ) 支持二迸制形式的短信息业务的能力。 短信息的编码方案应支持对于二进制形式的短信息，以支持加密数据业 务。 ( 1 4 ) 虚拟短信中心。 在建网初期，对各本地移动网可共用一个短信中心。该业务中心占有多 个号码。虚拟短消息中心能够支持不少于l o 个短信息中心号码。系统中各短 信中心的业务运行和维护管理相对独立、互不影响。 2 短信网关： 短信息网关( i s m g ) 为互联网与短信息中心( s m s c ) 之间的数据交换提供 了一条安全、快捷的通道。短信息网关包括与互联网进行连接的通信软件、 与s m s c 相连的协议软件、业务处理软件、网络管理软件、防火墙软件和为计 费提供原始话单的计费处理软件等。 3 s m s 网络结构： g s m 标准中定义的点对点短信息服务使得短信息能在移动台和短信息 服务中心之间传递。s m s 的网络结构如图3 - 3 所示。 图3 3s m s 网络结构 s m s 网络结构图中，s m e ( s h o r tm e s s a g ee n t i t y ，即短消息实体) ，它可 以接收或者改善短消息，位于固定电话系统、移动基站或其它服务中心内： s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，即短信服务中心) ，负责在基站和s m e 间中继、存储或转发短信息，移动台到s m s c 的协议能传输来自移动台或朝向 移动台的短信息，协议名为s m t p ( s h o r tm e s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ； m s c ( m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r 即移动交换中心) ，负责系统切换管理并控制 圈叵 甲笛 囤 一