（安全技术及工程专业论文）机车远程信息传输与分析系统设计及研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , u s i n gt h en e wt e c h n o l o g ya n dr e l a t e di m p r o v e di n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nr u l e st ot r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o no fr e m o t el o c o m o t i v ei nt i m e ，p r o v i d e d t e c h n i c a la n dt h e o r e t i c a l 鲫p p c i nf o rt h ef a u l td i a g n o s i sa n dp o t e n t i a lr i s k st op r e d i c t r e m o t el o c o m o t i v e 。 f i r s t b a s e do nc o m p a r i s o na n da n a l y s i sa l lk i n d so ft h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n s e tu pag p r sw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na ss y s t e mo v e r a l lp r o g r a m m eb a s e do n a u t o m o t i v eu n i ta n dt h eg r o u n dc o n t r o lc e n t e r ，a n dp e r f o r m e dt h er e l a t e dh a r d w a r e d e s i g na n dd e b u g g i n g 。a tt h es a m et i m e ，t om e e tt h ea n a l y s i so ff a i l u r ei n f o r m a t i o n ， d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt oi n t e r n e t b a s e dh i e r a r c h i c a ln e t w o r ks h a r i n g 。 s e c o n d ，i nt h i sp a p e r ，i n d e p t ha n a l y s i sa n da s s e s s m e n to ft h ei m p a c to fav a r i e t yo f f a c t o r si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，i m p r o v e di n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o np r i o r i t yr u l e si nt h e p r i n c i p l eo fr i s kr e d u c t i o na n dt h ei n c r e a s e ，r a i s e dt h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，a n d r e d u c e dt h er i s ko ff a i l u r ec a u s e db yt h ed e l a yi nt h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o n 、f o r d e t e c t i o ni nt i m e 、b e i n go fg r e a tp o s i t i v es i g n i f i c a n c eo ns a f e t y 。 r e m o t ei n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n da n a l y s i ss y s t e mo fl o c o m o t i v et h r o u g h e x p e r i m e n ta n dc e r t i f i c a t i o ni nq i n g h a i - t i b e tl i n ea n db e i j i n gd o n g f e n g2 7r o l l i n g s t o c kp l a n t ，t e s to p e r a t i o no fb a s i cs t a b i l i t y ，p r e l i m i n a r ym e tt h en e e do fe n g i n e e r i n g 。 k e y w o r d s ：r e m o t el o c o m o t i v e ；w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ；s e c u r i t y ：p r i o r i t y p r i n c i p l e ；a n a l y s i ss y s t e m 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： 签字日期：年月日 导师签名： 签字日期：御7 年i 月阳 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师谭南林教授的悉心指导下完成的，谭南林教授严 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。在此衷心感谢三年来 谭南林老师对我的关心和指导。 谭南林教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向谭南林老师表示衷心的谢意。 谭南林教授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。 在实验室工作及撰写论文期间，苏树强老师、张乐乐老师、张勇、周长涛、 李国正、刘永新等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们一并 表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母、亲人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 丛卫志 2 0 0 7 年1 2 月于北京交通大学 北京交通大学硕士学位论文 1 引言 1引言 随着计算机网络技术在我国的不断发展，我国已经进入了一个高速发展的信 息化时代。在信息化社会中，数据所扮演的角色和作用已经越来越重要。同样， 在铁路行业中，如果通过对机车数据实时的传输分析，我们可以得知机车部件的 实时工作状况，同时可以进行全面的故障先兆分析，及时获知机车设备部件的故 障隐患。因此，本文所要研究的工作就是如何可以实时准确的将机车远程信息传 输到地面控制中心，为远程机车的故障诊断和潜在风险预判在第一时间内提供大 量机车数据信息。 1 1机车远程信息传输与分析系统研究目的和意义 机车远程信息传输与分析系统将无线数据传输技术与计算机网络技术相结 合，通过无线网络技术将生产厂商、用户和机车设备联系起来，通过对机车数据 实时传输分析，使生产厂商能够随时远程监控机车及其重要零部件的运行状况， 对可能出现的故障进行预测，并给与用户及时有效的指导，大大提高机车故障诊 断效率以及预判能力。同时由于本系统具有将机车远程信息实时存储的功能，为 机车将来的维修及其改进工作提供了丰富的数据资料和更有力、更可靠的技术支 持。 机车远程信息传输与分析系统的设计及研究具有十分重要的现实意义。首先 它为我们提供了大量的机车在应用过程中的数据信息，为对机车进行定量分析提 供了第一手数据资料。第二，地面技术人员通过数据曲线可以得知机车部件的应 用状况，对于部件将要出现的问题，地面技术人员通过电话提醒司机采取相应应 对措旌，因此可以降低重大事故发生的概率。第三，通过对机车整个寿命周期的 监控，同时通过对同一批次不同机车各种数据的比较，从而分析出影响机车寿命 的原因，这对于延长机车的寿命周期具有非常重要的指导意义。第四，该系统的 应用不仅提升了整个机车的技术水平，同时还为机车质量和性能的提高提供了非 常重要的数据资料，为用户提供了更加有力、可靠的技术保障。第五，用户可以 通过i n t e r n e t 网络连接进入该系统，查看机车的历史数据信息。可以预先避免故障 的发生，或是及时有效地排除故障。第五，通过用机车远程信息传输与分析系统 来传输远程机车信息，节约了很高的一笔经济费用和大量的人力资源。 北京交通大学硕士学位论文 1 引言 1 2 机车远程信息传输与分析系统国内外研究现状 1 2 1 机车远程信息传输与分析系统国外研究现状 机车远程信息传输与分析系统早在欧洲、美国和日本就有不同形式的应用。 例如；美国g e 公司开发的电传动内燃机车数据传输系统( c a t s ) “”，t a r s 机车分 析报告系统，基于商业无线通讯网络的机车远程监测系统等。日本开发了车载监 测诊断系统，并已经在2 0 0 系新干线高速列车上使用。德国为其i c e 高速列车殴计 了计算机辅助故障管理系统。现在国际上已经设立了铁路刀= 放系统互联网络 ( r o s i n ) 例，并制定了标准即铁路开放式维修系统r o m a i n “。2 0 0 2 年，西门子已 在荷兰完成了具有c p r s 功能的网络控制系统。国际铁路联盟u c i 也打算采用基于 c p r s 的欧洲列车自动控制系统( e t c s ) ”1 来代替欧洲各国现有的互不兼容的列车控 制系统。 高速铁路的发展使铁路装备技术水平跃上了新的台阶。目前，发达国家已经 从传统的地面信号显示传递行车命令，机车司机按行车规则操纵列车运行的方式 发展到了根据地面发送的信息自动监控机车速度且自动调整列车运行和追踪f b j 隔 的方式。实现这方式的关键技术是机车自动控制系统。 发达国家凭借科技实力、资金、基础元器件等的支持，以及多年来在专用微 机设计方面的经验，在车载微机系统研究和设计、制造等方面具有显著的优势。 国外机车车辆信息系统主要具有如下特点嘲： ( 1 ) 维修管理的必要手段。机车车辆维修信息系统已经成为发达国家机车车 辆管理的必要手段，计算机信息查询和信息输入已经成为维修作业中必不可少的 工序和环节； ( 2 ) 集中管理、分工明确。机车车辆维修信息系统是一项复杂的系统工程，需 要集中管理、统筹安排、分工协作。发达国家维修中的一切重大问题由公司总部 统一决策，权利高度集中，维修信息系统也不例外； ( 3 ) 重视信息处理，分析及决策软件开发。建立机车车辆信息系统的目的主 要是为了提高维修管理水平，为科学决策提供手段和依据： ( 4 ) 重视信息系统方面的基础工作。为了协调工作，避免重复，准确、简炼、 规范文档各种代码标准化及其他基础工作则显得十分重要。 1 2 2 机车远程信息传输与分析系统国内研究现状 近年来，随着我国经济的发展和科技的不断进步，我国在机车信息传输方面 有了长足的进步。 2 北京交通大学硕士学位论文1 引言 同时，随着计算机水平的不断提高和无线网络通信技术的发展壮大，国内许 多高校和科研单位都开始致力于机车远程信息无线传输技术的研究。如铁道科学 研究院、西南交通大学、哈尔滨铁路科研所和航空5 0 2 所等多家科研机构都在该领 域进行了探讨研究。目前，大秦铁路和青藏铁路试验段都已实现了基于g p r s 数据 业务的列尾信息传送、调度命令传送、车次号传送等业务，并且完成了相关的测 试工作。 虽然近年来我国在机车安全监控技术领域的研究已经有了较大的进步，缩短 了与国外先进水平的差距。但严格地讲，这方面的研究在理论上和系统结构上并 没有实现实质性的重大突破，主要表现在：同： 。 ( 1 ) 系统采用的信息量不够。列车安全监控系统要有效工作，必须依赖于大 量的机车、车辆、行车线路距离和地形坡度、地面信号等各种信息。 ( 2 ) 尚未形成比较完整的列车安全监控的理论体系。我国铁路运营条件复杂， 机车种类和性能各异，线路情况差别很大。 ( 3 ) 没有充分应用人工智能的理论和方法，采用更加科学的机车安全运行状 态评价方法和更加完善的人机交流手段( 如采用文字、图象、语音等多媒体技术) ， 提示司机安全驾驶行车。 1 3 本文研究的主要内容 本论文所研究的机车远程信息传输与分析系统，在远程机车车载单元利用无 线数据传输技术将远程机车信息传回地面控制中心，在地面控制中心通过w e b n 匣务 器将机车信息接收并存储到网络数据库中，同时w e b 月e 务器将机车信息以w e b 网页 的形式通过i n t e r n e t 发布出去。这样，机车厂家、铁路局、机务段和技术工作人 员都可以通过浏览网页对远程机车的性能及主要部件的工作状态和可能出现的故 障作出及时分析和判断。 本文重点研究了以下方面的内容： 第一，通过对原机车远程信息传输与分析系统的分析研究，提出了关键技术 的改进方案：增添了机车远程信息大数据量信息的本地存储功能、手机短消息报 警功能和地面控制中心通过i n t e r n e t 的实时发布功能； 第二，通过对g p r s 无线数据分组业务的分析与研究同时结合机车故障等级 状况，研究发现在g p r s 信道过窄的情况下原有机车远程信息的传输模式存在一定 程度的不完善性。提出了一种综合考虑机车故障优先级和等待时间两方面因素的 一种机车远程信息传输的新的优先级规则，并通过实验验证了改进后的优先级规 则即便在g p r s 信道过窄的情况下同样能够将机车信息在一定时阃内传输到地面控 北京交通大学硕士学位论文1 引言 制中心； 第三，通过相关软件和硬件的设计，同时实现了机车远程信息传输与分析系 统的其他辅助功能。 4 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 2 1机车远程信息传输与分析系统整体结构 机车远程信息传输与分析系统按照不同功能可以划分为车载单元和地面控制 中心两部分。车载单元由a v r 单片机模块和索尼爱立信g p r s 模块两部分组成，地面 控制中心由w e b 服务器和网络数据库服务器两部分组成。整个机车远程信息传输与 分析系统通过无线数据传输技术，将远程机车与地面控制中心相联系，将车载终 端采集的机车数据，传回到地面控制中心，其中机车的故障信息和累计参数信息 存入数据库，作为机车故障诊断或者对机车性能分析的主要依据。而机车的状态 信息直接通过w e b 与监测人员进行交互，以便地面技术工作人员能够随时监控机车 的运行状况。 机车远程信息传输与分析系统总体结构与各模块布局如图2 1 所示： 图2 i 系统总体结构图 f i g 2 it h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 在图2 1 中，代表的是铁路局、机务段和机车厂家等，他们可以通过i e 浏览 器随时监控远程机车的运行状况；代表的是w e b 服务器，它的作用是把远程机车 的各种数据进行后台计算处理，将处理结果以网页的形式在互联网上进行发布； 是一个网络数据库服务器，它将远程机车的故障信息和累计参数信息进行分类 存储，一方面作为对远程机车运行状况判断的标准，另一方面为同后的机车性能 指标分析提供准确，大量的数据信息。关于他们的详细工作原理，将在后继章节 5 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 中做详尽说明。 2 2 系统车载单元的主要功能 车载单元是整个机车远程信息传输与分析系统中的数据来源，该单元是整个 系统的一个关键子系统，它从机车上获得分析所需的原始的数据信息，包括机车 号、机车工况、故障代码、机车速度、柴油机转速、主整流器速率、主整流器电 压、主整流器电流以及制动功率等，车载单元按照一定格式存贮这些数据信息同 时把这些数据信息发送到无线传输网络上；无线数据传输网络主要完成把车载单 元发送到其上面的数据传输到地面控制中心的传输任务：地面控制中心则是完成 信息的接收、分析统计和发布的功能，实现机车数据分人、分时、分车、分区段 的统计与结算，使厂家、路局和机务段等各级单位可以通过共享数据库中与各自 有关的信息。 2 2 1 系统车载单元a v r 单片机模块的主要功能 车载单元a v r 单片机模块是本系统中通过r s 一2 3 2 串口直接与远程机车相连接 的部分，它的主要功能是在机车远程信息传输与分析系统中起到一个控制数据传 输的作用。车载单元a v r 单片机模块将收到的数据发送给g p r s 模块，由g p r s 模块将 机车各种数据发送到地面控制中心。车载单元a v r 单片机模块如图2 2 所示。 幽2 2a v r 单片机模块 f i g 2 2a v rm c um o d u l e 车载单元a v r 单片机模块通过r s - 2 3 2 与机车微型计算机控制系统连接之届，工 作方式是按照一问一答的方式来工作的，具体的工作方式是：确认车载单元a v r 单 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统豹总体方案 片机模块和机车微型计算机控制系统连接正常后。每次由车载单元的a v r 单片机模 块模块发送控制命令，机车微型计算机控制系统收到控制命令之后，会按照相关 命令进行动作，同时会给车载单元a v r 单片机模块一个返回值，车载单元a v r 单片 机模块收到返回值之后，首先进行判断，如果返回值是正确的，就发送下一个命 令给机车微型计算机控制系统，如果返回值错误，车载单元a v r 单片机模块会重新 发送该条控制命令给机车微型计算机控制系统，直到收到正确的返回值为止。若 机车微型计算机控制系统连续3 次返回值都是错误的，那么车载单元a v r 单片机模 块就会报警停止工作，由技术人员来确认车载单元a v r 单片机模块与机车微型计算 机控制系统是否处于正常工作状态。 为了防止控制命令及其返回值与机车数据相混淆，我们在控制命令及其返回 值的帧头和帧尾都加上了封装来进行打包以示和机车数据的区别。机车远程信息 传输与分析系统中车载单元a v r 单片机模块和机车微型计算机控制系统事先约定 好的控制命令如表2 一l 所示。 表2 - i 控制命令 t a b l e 2 一lc o n t r o l c o m m a n d 机车远程信息传输与分析系统中车载单元a v r 单片机模块和机车微型计算机 控制系统的控制命令返回值如表2 2 所示； 7 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 表2 - 2 控制命令返回值 t a b l e 2 2r e t u r nv a l u eo ft h ec o n t r o lc o m a n d 2 2 2 系统车载单元g p r s 模块的主要功能 图2 3 g p r s 模块 f i g 2 3g p r sm o d u l e 车载单元g p r s 模块在机车远程信息传输与分析系统中通过r s 一2 3 2 串口与a v r 8 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 单片机模块相连接，它的主要功能是实现车载终端设备和地面数据中心之间的通 信，起到一个传输信息和数据的桥梁作用。车载单元g p r s 模块如图2 3 所示。 机车微型计算机控制系统传送到地面控制中心的数据，地面控制中心对机车 微型计算机控制系统的远程控制命令等信息都是通过车载单元的g p r s 模块登录无 线网络来实现传输的。 当地面控制中心需要给机车微型计算机控制系统发送控制命令或者数据信息 时，只需要按照特定的方法把数据发送到i n t e r n e t 网络上，地面控制中心发送的 控制命令或数据就会传送到车载单元的g p r s 模块，g p r s 模块会把这些信息原封不 动的通过r s - 2 3 2 串口传输到车载单元的a v r 单片机模块，由车载单元的a v r 单片机 模块将这些信息封装打包之后送给机车微型计算机控制系统。 当机车微型计算机控制系统要传输控制命令的返回值或者要传输机车的数据 信息时，这时机车微型计算机控制系统首先将这些数据信息通过r s 一2 3 2 传送给车 载单元的a v r 单片机模块，然后由车载单元的a v r 单片机模块打包打包封装之后通 过它另外一个r s 一2 3 2 串口将数据传送给车载单元的g p r s 模块，g p r s 模块收到这些 数据信息之后，将数据信息发送到预先指定好的一个i n t e r n e t 网络i p 地址中，然 后地面控制中心通过软件编程将数据读出。 2 2 3 系统车载单元存储模块 车载单元存储模块在机车远程信息传输与分析系统中通过r s - 2 3 2 串口与c 5 1 单片机模块相连接，如图2 4 所示。 豳2 4 存储模块 f i g 2 4s t o r a g em o d u l c 9 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 它的主要功能是实现车载终端设备完整准确的记录实际机车运行时的数据， 和g p r s 传输的优缺点互补。为后面的分析提供完整的数据信息。 该模块采用单片机c 5 1 控制，在系统启动时，通过双口r a m 读取主机时钟。 有两路r s 2 3 2 i = 1 ，通过这两个串口来接收机车实际运行时的数据，然后将时钟和 数据打包以后存储到s d 卡中。该模块中还包含了一个n v r a m ，是为了保留一部 分初始数据，断电的时候不会丢失。 2 3 系统地面控制中心的主要功能 如图2 1 所示，机车远程信息传输与分析系统的地面控制中心的功能是接收、 分析处理系统车载单元发送回来的各种机车数据信息。将机车各种状态信息通过 系统地面控制中心的_ | 1 r e b 服务器发布到i n t e r n e t 网络中，方便各个厂家或者技术人 员实时查询远程机车的当前状态。同时将故障信息和累积量信息存入后台的网络 数据库，作为日后对远程机车进行状态分析或者潜在故障预测故的依据。 系统地面控制中心可以将机车远程信息生成报表，实时动态绘制出机车不同 工况下各种设备的数据曲线，把这些曲线提供给司机就可以指导司机比较合理正 确的操作，为正确合理的评价司机的操作，评价机车的车质状况提供比较可靠的 依据。 2 3 1 系统地面控制中心w e b n 展务器的主要功能 系统地面控制中心w e b 服务器主要有以下几个功能：第一，系统地面控制中心 发送控制命令给车载单元或者系统地面控制中心接收车载单元传送回来的数据都 是通过系统地面控制中, d w e b 服务器来实现的；第二，远程机车的数据信息是由地 面控制中心w e b 服务器利用应用软件存储到网络数据库中的；第三，机车厂家、路 局或者机务段看到的w e b 网页是由系统地面控制中心w e b 服务器发布出去的。系统 地面控制中心w e b 服务器和网络数据库以及机车厂家、路局等的连接情况如图2 5 所示。 系统地面控制中心和车载单元互相传输数据的过程是通过如下方式实现的： 首先，在地面控制中心的w e b 服务器上安装一个通过d e l ，p h l 6 编写的应用软件作为 地面控制中心和车载单元互相传输数据的媒介。当系统地面控制中心要发送控制 命令或者数据给车载单元时，将这些信息填写到应用软件的发送窗口，点击发送 按钮之后这些信息被发送到i n t e r n e t 网络中，然后通过映射传输到已经接入无线 网络中的g p r s 模块然后通过串日通信传输给车载单元的a v r 单片机模块，从而实 现了地面控制中心发送数据给车载单元的过程。车载单元给地面控制中心发送数 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 据刚好和上述过程相反，如果车载单元有数据发送给地面控制中心，地面控制中 心w e b 服务器上的应用软件接收窗口会自动显示收到的数据并且存储到网络数据 库中。 图2 5 w e b 服务器连接图 f i g 2 5t h ep i c t u r eo fw e bs e r v e rc o n n e c t i v i t y 地面控制中心w e b 服务器将车载单元发送过来的机车数据信息接收并且存储 到网络数据库之后，网络数据库中的相关标志位改变，表示有新的数据存储进来。 地面控制中心w 即服务器上面的j s p 应用程序预先已经连接好了网络数据库，此时 通过扫描网络数据库的标志位发现变化之后，就会将网络数据库中那些新添加的 标志位变化的数据读取出来，通过对i e 浏览器的重画，将网络数据库中新添加的 数据实时显示出来供机车厂家、铁路局、机务段和维修技术人员参考，为他们预 测机车各个设备的潜在风险和故障诊断提供实时可靠的数据信息。 2 3 2 系统地面控制中心网络数据库的主要功能 系统地面控制中心网络数据库服务器的主要功能是：存储地面控制中一o w e b 服 务器发送过来的远程机车数据、定期对数据库中机车数据进行备份、保证网络数 据库在互联网中的安全和保证网络数据库系统用户名和密码验证的安全。 地面控制中, & w e b 服务器将远程机车数据发送到系统地面控制中心网络数据 库之后，按照机车信息表、机车故障信息表和机车累计参数表等各种表单将机车 信息按照预先定义好的数据格式存储到网络数据库中，同时将系统地面控制中心 网络数据库中相应表单的新增数据标志位翻转，以便告知地面控制中心w e b 服务器 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 中的j s p 脚本程序有新的机车数据存储进来。 随着互联网不断发展和普及，网络数据库的应用越来越广泛，网络数据库的 安全问题日益突出，因此，保证系统地面控制中心网络数据库的安全问题具有十 分重要的意义。系统地面控制中心的网络数据库安全控制模式溯如图2 6 所示。 图2 6 网络数据厍安全控制模式 f i g 2 6t h es c c u r i t yc o n t r o lm o d eo fn e t w o r kd a t a b a s e 为了加强系统地面控制中心网络数据库的安全，首先在地面控制中心网络数 据库上加装防火墙作为网络数据库的第一道防线。其主要作用是监控可信任网络 和不可信任网络之间的访问通道，可在内部与外部网络之间形成一道防护屏障， 拦截来自外部的非法访问并阻止内部信息的外泄，但它无法阻拦来自网络内部的 非法操作。防火墙根据事先设定的规则来确定是否拦截信息流的进出，但无法动 态识别或自适应地调整规贝q ，因而其可提供的安全程度很有限。 其次，当机车厂家、铁路局、机务段和维修技术人员访问系统地面控制中心 网络数据库时要先通过数据库应用程序进入到数据库系统，这时数据库应用程序 将用户提交的用户名与口令( 口令密文) 交给数据库管理系统进行认证，在确定其 身份合法后，才能进入下一步的操作。当要对数据库中的对象( 表、视图、触发器、 存储过程等) 进行操作时，也必须通过数据库访问的身份认证，只有通过了数据库 的身份认证才能对数据库对象进行实际的操作。 机车厂家、铁路局、机务段和维修技术人员访问通过身份认证之后，只是拥 有了进入应用系统和数据库的“凭证”，但他们在应用系统和数据库中可以进行 什么样的操作，是要受到“访问控制”和“存取控制”权限约束的。其中“访问 控制”与应用系统相关，决定当前用户可以对应用系统中哪些模块、模块中的哪 些工作流程进行管理：“存取控制”与数据库相关联，决定当前用户可以对数据库 中的哪些对象进行操作，以及可以进行何种操作。“访问控制”和“存取控制” 可以将用户的应用系统访问范围最小化，数据对象操作权限最低化。而利用这种 视图、触发器、存储过程等方法来保护数据和对一些敏感数据的“加密存结”则 是数据库管理系统提供的安全策略。 北京交通大学硕士学位论文2 机车远程信息传输与分析系统的总体方案 当机车厂家、铁路局、机务段和维修技术人员通过身份认证进入到数据库后， 采用审计追踪作为保证地面控制中心网络数据库安全的一道重要防线。审计是一 种监视措施，跟踪记录有关数据的访问活动。审计追踪把用户对数据库的所有操 作自动记录下来，存放在审计日志中( a u d i tl o g ) 记录的内容一般包括：操作类 型( 如掺改、查询、删除) ，操作终端标识与操作者标识，操作日期和时间，操作 所涉及到相关数据( 如基本表，视图、记录、属性等) ，数据库的前象和后象等。 利用这些信息，可以进一步找出非法存取数据库的人、时间和内容等。 最后，是对地面控制中心网络数据库设置数据库备份恢复策略。计算机同其 他设备一样，都可能发生故障。计算机故障的原因多种多样，包括磁盘故障、电 源故障、软件故障、灾害故障以及人为破坏等。一旦发生这种情况，就可能造成 数据库中数据丢失。因此，我们采取的地面控制中心网络数据库备份恢复策略， 可以保证在发生故障时，利用备份技术、事务日志技术或者镜像技术将地面控制 中心网络数据库还原到j 下常状态。 与此同时，定期或不定期地对地面控制中心网络数据库进行备份复制( 建立冗 余数据) 。可以将地面控制中心网络数据库中的数据复制到本地机器上，也可以通 过移动存储设备( 如u 盘或移动硬盘等) 复制到其他机器上。 北京交通大学硕士学位论文3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 在机车远程信息传输与分析系统中，通信技术是其中最为关键的技术手段。 机车远程信息传输与分析系统的车载单元采用的是无线通信技术，机车远程信息 传输与分析系统的地面控制中心采用的是i n t e r n e t 通信技术。选用哪种无线通信技 术，这种无线通信技术从费用角度考虑是否划算，该无线通信技术如何与i n t e m e t 通信技术进行连接，从而实现机车远程信息传输与分析系统的车载单元和地面控 制中心的通信，这些问题直接影响机车远程信息传输与分析系统的可靠性和稳定 性，本章将重点讨论研究上述这些问题并提出一种调度算法来解决系统中大数据 量一起等待传输的情况。 3 1系统无线数据传输方案选择 目前可应用于无线数据传输的无线通信技术有很多种，经济可靠且易于使用 的主要有g s m 短信通信、g p r s 分组通信以及c d m a 数据传输。下面对这几种无线通信 技术分别进行介绍，通过对比比较选择出最适合机车远程信息传输与分析系统的 无线数据传输方案。 3 1 1g s m 无线数据传输技术分析 g s m 移动通信网络是目前应用最为广泛的第二代移动通信网络，目前世界上大 概有7 5 的手机使用g s m 标准。和其他第二代通信网络一样，g s m 网络采用的是电路 交换技术。除了以1 3 k b p s 传输语音之外，还提供几种数据业务，包括短消息( s m s ) 、 寻呼业务、传真业务和传统的数据传输0 1 。 g s m 网络的主要优点是网络覆盖率高、用户资源丰富，从而开展相应的增值业 务潜在用户群大；安全性能好，通过鉴权、加密以及数字通信系统固有的特性达 到安全目的；g s m 短信通信方式具有硬件模拟易于采购、技术成熟稳定、容易集成 等优点。 在我国的一些应用中，许多人提出一种g p s g s m ，s m s 的方案，但是由于g s m 网络的数据传输能力较低( 只有9 6 k b p s ) ，它的s m s ( 短消息) 模式所能提供的一次 通信量有限( 只能提供1 个字符或者7 0 个汉字) 。对于目前传输汽车行驶信息等少 量数据尚可，但远远不能满足机车远程信息传输与分析系统要求传输的数据信息 量以及将来系统升级的需求。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 3 1 2c d m a 无线数据传输技术分析 c d m a 又称为分码多址。由美国高通公司最先开发出来，是为现代移动通信网 络和未来多媒体时代的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而 设计的一种移动通信技术。它采用扩频技术，通过给每个用户安排一个具有良好 的自相关特性和弱的互相关特性的伪随机代码来实现多址介入。c d m a 的设计容量 远远尚于现有数字系统。从技术上讲，c d i a 通过在衰落环境下提供强大的运行和 透明软切换改善了业务质量，容量的增大源于采用了一种改进的编码增益调制方 式、话音激活性、三分扇区和同一频率在每个小区和所有扇区的附庸。c d m a 利用 多径衰落来提高通信和话音质量，每个移动台选择3 个最强的多径信号并把它们相 干叠加产生一个增强信号。因此，射频信道的多径衰落在c d m a 中反而成了优点， 而窄带系统中衰落则会引起信号质量的严重下降。通过使用软切换，c d m a 消除了 用户在小区边界以及在两个小区之间快速越区切换呼叫时发生的乒乓效应。乒乓 效应会导致切换噪声，增加交换设备的负载，提高发生掉话的概率。c d m a 软切换， 即在与小区连接的同时保持与目前服务小区问的平滑切换，而用户察觉不到这种 变化呻1 。 3 1 3g p r s 无线分组数据通信技术分析 当前的移动电话以话音业务为主，并在相当长的时间仍将占据主导地位，世 纪之交开启的通用分组无线业务g p r s ，作为迈向第三代个人多媒体业务的里程碑 业务，将使移动通信和数据网络合二为一，它将使i p 业务顺利引入更为广阔的移 动市场，同时也将使移动网络能够提供更多的增值业务。 g p r s 是在现在的g s 峨多动通信系统上发展起来的一种移动分组数据业务，其核 心网络基于分组交换，无线接入网络则依托现有的g s m 系统，能以高达1 7 1 2 k b i t s 的传输速率实现分组交换数据业务，可以满足移动用户通过分组数据移动终端接 入i n t e r n e t 或者其他分组数据数据网络的要求，还可以实现通信资源共享，大大 提高信道的利用率，降低通信成本，g p r s 可以实现移动用户“永远在线“，使手 机无需拨号即可上网，并可根据数据流量而不是通话时长收费。 g p r s 将移动通信和数据网合二为一，将基于i n t e r n e t 协议( i p ) 的业务引入 到广阔的移动市场，g p r s 应用包括多媒体信息传送，设备的远端维修和控制等， 通过引用g p r s 可以延长投资巨大的g s m 网络系统的生存周期，一方面能够在g s m 网 络上实现从窄带电路型交换到窄带分组型的平稳过渡，为现有用户提供快速的移 动数据接入方式，另一方面又能为3 g 业务的建设和开展积累经验。 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 ) ，也称为通月无线分组业务，是一种 北京交通大学硕士学位论文3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 基于g s m 网络系统的无线分组交换技术，它突破了g s m 网络只能进行电路交换的思 维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分 组交换。可实现数据的告诉处理，提供端到端的，广域的无线i p 连接，并以“分 组“的形式将资料传入用户手中。由于该技术属于第二代g s m 与第三代移动通信 ( 3 g ) 之间的过渡技术，故也被称为2 5 g 移动通信技术。 g p r s 是在现有的g s m 网络系统基础上在叠加的一套分组交换系统，与互联网或 者企业网相连接，相移动用户提供数据业务。该系统可以充分利用现有的g s m 网络 系统，使运营商在全国范围内推广此项业务，这是g p r s 的一个较大的优势。与传 统的基于电路数据交换的业务相比，g p r s 具有很多优点，具体如下： 始终在线、传输速率高、等特点。也就是： ( 1 ) 永远在线，用户无需为每次的数据访问建立呼叫连接； ( 2 )高速传输，一个手机可以同时占用几个信道，目前传送速率可以达到 3 0 k b i t s 。 g p r s 可以提供高达1 1 5 k b s 的传输速率( 最高速度可达1 7 1 2 k b s ) 。相信在数 年内，通过便携式电脑，g p r s 用户能以用i s d n 用户一样快的速率上网浏览，同时， 一些对传输速率敏感的移动多媒体应用，也将称为可能。 ( 3 ) 资费合理，“发呆”免费。 用户只需按实际传送的付费，而无需的整个链路占用期间付费。实际上，g p r s 用户可能连接的时间长达数个小时，却只需支付低廉的连接费用，可使用户的使 用费用大大降低。 ( 4 )资源利用率高 g p r s 用户只有在发送或者接收数据期间才占用资源，这意味这多个用户可以 高效率的共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。 同时，g p r s 终端用户成本较低，可以成为一种面向大众市场的数据技术，尤 其g p r s 采用的分组数据交换技术是第三代网路采用的方式，它不仅能满足高速分 组的数据业务要求，而且是下一代移动通信实现宽带多媒体数据业务的重要基础。 为移动通信的发展提供了更顺利的道路。 3 1 4 系统无线数据传输方案确定 通过以上对g s m 无线数据传输技术、c d b l a 无线数据传输技术和g p r s 无线分组数 据通信技术的介绍分析，我们决定采用g p r s 无线分组数据通信作为机车远程信息 传输与分析系统车载单元的无线数据传输方案。用g p r s 分组数据通信的最主要原 因是g p r s 网络既能满足当前通信需求，又具有良好的扩充能力。g p r s 系统能够直 接采用t c p i p 数据包格式接入i n t e r n e t ，这样为将来机车远程信息传输与分析系 1 6 韭裒变通大学硕士学位论文 3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 统中大数据量通信提供了可能，而且还便于机车远程信息传输与分析系统地面控 制中心向车载单元以及i n t e r n e t 同步发布信息。 采用g p r s 分组数据通信而不是采用c d m a 等较为先进的第三代移动通信方式的 原因是因为g p r s 的相应产品比较成熟。各大通信设备商都已经生产了g p r s 模块， 如西门子的m c 3 5 i ，爱立信的g p r s g m 4 8 模块等。而i s 一9 5 这样的第二代c d m a 技术的 通信系统的相关产品相比之下还不够出众。而且考虑到移动运营商的相关情况， g p r s 分组数据通信也更值得信赖。 采用g p r s 分组数据通信会为机车远程信息传输与分析系统车载单元带来资源 利用率高、传输速率高、接入时间短、简化系统开发等优点。而且，在设计过程 中，已经考虑到今后网络升级问题，便于以后车载单元终端升级为传输速率更高 的c d 姒网络终端。 3 2g p r s 网络掉线问题分析与研究 机车远程信息传输与分析系统车载单元g p r s 模块登录无线g p r s 网络之后，可 以进行正常的数据传输和通信。但是经过一段时间之后，我们再次进行数据数传 和通信的时候，有时数据无法传输，通信失败，通过对硬件排查以及对各个节点 的测试，最后发现导致数据无法传输的原因是g p r s 网络已经掉线。显然，g p r s 网 络掉线这种问题的发生，十分影响机车远程信息传输与分析系统的稳定性和可靠 性。因此，对g p r s 网络掉线问题很有必要进行深入分析研究。 3 2 1g p r s 网络掉线的原因 ( 1 ) 由于干扰造成的g p r s 网络掉线 机车远程信息传输与分析系统车载单元中的g p r s 模块接收的g p r s 网络无线信 号是通过电磁波传播的，基站通过发送电磁波来和g p r s 模块建立连接，从而达到 数据无线传输的目的，电磁波的干扰会对g p r s 模块产生不良影响。当空中的某些 电磁波的干扰超过一定程度时，g p r s 模块接收到的信号强度降低到标准值以下之 后，g p r s 模块就会退出g p r s 无线网络】。 ( 2 ) 由于屏蔽造成的g p r s 网络掉线 随着我国经济实力的不断发展，各个城市中的建筑物越来越高，越来越密集， g p r s 网络无线信号在传输过程中很容易被阻挡而减弱。另外，现在绝大多数建筑 为都是以钢筋混凝土作为骨架建筑丽成的，使得无线信号的屏蔽和衰减更加厉害。 比如从地上进入到地下室、进入电梯间或者进入一些基站较少的地区就会出现这 样的情况。基站是通过无线信号的直射、折射、反射和饶射而穿越建筑物的，所 1 7 北京交通大学硕士学位论文3 机车远程信息传输与分析系统关键技术研究 以如果建筑物很多很乱的话，就会造成信号的一强一弱，很容易造成g p r s 网络掉 线。 ( 3 ) 由于越区失败而造成的g p r s 网络掉线 g p r s 网络是通过基站发射无线信号为用户服务的，基站的范围是有限的。所 有基站组合起来就是一个网络系统。每个基站都有自己的范围，超过这个范围之 后，机车远程信息传输与分析系统车载单元中的g p r s 模块就要更换基站来连接 g p r s 网络，从而保持g p r s 模块始终处在g p r s 网络中。当g p r s 模块超越一个服务小 区到达另外一个服务小区之后，g p r s 网络信道也要从原来的服务小区更换过来， 但是如果此时新的服务小区很忙，没有多余的信道分配给g p r s 模块，此时，服务 小区的切换就会失败，g p r s 模块就会退出g p r s 网络，从而掉线m 1 。 ( 4 ) g p r s 网络“自动”掉线 g p r s 的无线网络运营商( 中国移动) 为了充分利用网络资源，在g g s n 服务器 内部是设置判断时间( 一般为2 0 - 3 0 分钟) 的，如果在设置的判断时自