（通信与信息系统专业论文）新型高速列车无线追踪系统研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 目前在中国国民经济中铁路不仅承担着大规模陆地上货物运 输的重要使命，而且还扮演着旅客运输的重要角色。因此，如何安 全而又有效地提高铁路现有线路的通过能力，缩短列车运行的追踪 距离以加大行车密度，这不仅是摆在铁路工作者面前的难题，也是 为铁路行车指挥工作带来新挑战。 本文基于b r a g g 光纤光栅传感原理，提出了一种新型的无线高 速列车追踪模型。该模型将有线传输和无线传输有机结合起来，充 分的利用现有的铁路的通信资源( 光纤网络) ：并同时考虑到无线 传输( g s m 无线通信网络) 的实时性，可以更加有效地实现列车 的追踪。该模型可以在理论上对今后的工作起到指导作用。 在模型的仿真过程中考虑到信道特性，结合实际中列车的运行 特点，选用双径r a y l e i 曲信道模型，采用q p s k 的基带调制，整 个系统采用m o n t c a r l o 仿真模型；同时结合理论分析，搭建了相应 的仿真平台，设计了对应的功能模块并采集数据。最后给出结论并 对此进行分析。 关键词：b r a g g 光纤光栅传感器，g s m ，双径r a y l e i 曲信道 第l 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 a b s t l a c t r a i l w a yc u r r c n t l yn o to n l yt a k e sg r e a tt a s k so nl a r g es c a l e t e h s t r i a lf 碡i 曲t a g e ，b u ta l s od oi tf o r 幽ep a s s e n g 。lh e r e i n ，w h a ta r e d i m c u l t s ，、v h i c hp u to nt h er e s e a r c h e r s ，i sh o w t oi m p m v es a f e l ya 1 1 d e 脏c t i v e l yt h ec r o s s i n g c 印a c 耐o fe x i s t e d1 i n c ，s h o r t t 1 1 et r a c i n g d i s t a n a 1 1 di n c r e a s et h ed e n s i 哆o ft r a i n ；m o r e o v e r ，i t san e w c h a l l e n g ef o rt h et a i ns c h e d u l e t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san e wt y p ew i r e l e s s 扛a c i n gs y s t e mo f h i 曲s p e e d 拉a i nb a s e do n 吐l et h e o r yo fb r a g gf i b 盯f a t i n gs e n s 。r s t h em o d e lo fs v s t e mc o m b i n e st h ew i r e l i r l et r a n s h i s s i o nw i t h w i r e l e s st r a n s m i s 潞no 曜a n i z e d l y 肌du t i l i z e s l ee x s “r e s o u r c eo f c o m m u n i c a t i o nf o rr a i l w a y ( o p t i c 羽n e t w o r k ) ；a t 也es 黜et i m e ，t h i r 出 o v e rt h er e a l - t i i i l ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n( g s m w i r e l e s sn e t w o r k ) ，w h i c hi sm o r ee 饪色c t i v et or e a l i z e 廿屺t r a c i r 蟮o f t 喊n m o s to fi m p o r t a n t ，t h em o d e lc a nb ea ni n s t r u c t i v ee c tf o rt h e f u t u r eo n 血e t h e o r y l m o r e o v e r ，t h j n ko v e rt h ec h 甜a c t e r i s t i c so fc h a m l c li nt 1 1 ep r o c e s s o fs i m u l a t i o na n dt h er e a ld r c u m s t a n c e ；t a k em et w o 一、v a yi h y l e i g h c h a n n e lt ob ec o n c e m e d a sf o rt 1 1 ec o d e ，h e r ei sq p s kb a s e b a n d m o d u l a t i o n t h ew h o l es y s t c ma d o p t sm o m c a r l om o d e l ，m e 孤t i m e c o m b i n e sm et h e o r e t i c a la n a l y s i s w ea l s os u p 也ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o np l a t f 0 衄，d e s i g nt 1 1 e i rn m c t i o n a lm o d u l a ra i l dc o l l e c tt h e d a t u m f i n a l ly w eg i v et h ec o n c l u s i o na n da i l a l y s i s 。 l “yw o r d s ：b r a g g 助e rg r a t i n gs e n s o l g s m ，1 _ w o w a yr a y i e i 曲 c h a n n e l 第2 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 随着国民经济的飞速发展，铁路运输在国民经济中的地位越 来越重要。同时伴随着新的通信技术、信息技术和光纤等技术的 持续飞速发展，它们为新型列车追踪系统提供了新的技术支持。 因此，铁道部也相应的采取了五次大提速以及加快铁路信息化进 程的举措。而在此新形势下针对高速列车追踪系统的研究也就随 之产生。由于列车追踪系统是一个综合各种技术的大系统，用以 保证铁路运输的安全性和有效性。 列车的运行指挥的调度是复杂的系统性的工作，针对铁路信 息化的要求，建立一个合理而有效的列车追踪控制系统是首要的 工作。对于该系统的不同功能环节，首先要解决有用列车信息的 采集问题。目前的工作主要是借助于安装在轨道两旁的轨道电路 来完成的，但是由于人为的破化和外界环境的影响，使得控制中 心得到的数据不能够使用或者不能有效的使用。其次就是控制中 心到列车的信息发送和管理，通常的是通过铁路上的d m i s 和 t m i s 系统共同完成的，上传或是下载数据到正在行驶的列车。 t m l s 和d m i s 各自是一个复杂、庞大的系统，但是在实际的 运行指挥过程中二者又是相互联系的。t m i s 包括：确报信息系 统、编组站信息系统、货运营销及生产管理信息系统、车辆管理 信息系统、铁道部调度信息系统、集装箱追踪信息系统、大节点 货车追踪信息系统等子系统。对铁路来说，这里涉及5 万多公里 铁路营运线，2 2 0 0 个铁路信息采集点；此外，还包括机关局域 网、企业内部网、运输信息查询及综合办公自动化系统等辅助系 统，综合上述各系统，铁路建立起来了高度集中的、易于管理与 第5 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 维护的网络管理系统和网络运行中心，形成开放、稳定、可靠、 安全的全国性i p 网络，不仅能支持铁道部现有的业务应用，还 可以满足未来的增长需求。所以，t m i s 在可靠性与容错性、网 络延迟、可用性和安全性等方面，都有很高的要求。d m i s 也是 个庞大的系统工程，其基层网直接连接各车站和区间的信号设 备，为确保行车安全和网路运行安全，d m i s 必须做到自成体系、 安全运行，同时要做好与t m i s 的接口标准和界面分工，要做到 资源共享、优势互补；各局d m i s 工程按照铁道部的总体目标平 衡发展；加强对d m i s 通信通道的建设和管理，确保传输的端口、 通道速率、通信质量和冗余手段的需要；加强硬件配置，进一步 优化系统，提升档次，车站值班员终端设备必须双机热备，以满 足d m i s 高安全、高稳定、高可靠的要求；要确保网络安全，防 止网络瘫痪和中断，防止网络浅密，杜绝网络间的自由互访；编 制统一的用户手册和维护管理办法，切实做好对行车调度人员和 电务维护人员的技术培训，确保用好、管好设备。 综上所述，通过该系统就可以将列车的诸如位置信息和完整 性信息进行监测，为列车调度员和决策者提供了一个更加直观的 方式。但是，上述方法并不能保证实时性，因为所有的信息都是 分区间获得并且通过数据网传输的。 虽然目前铁路已有各类单一功能的列车信息采集系统，如车 号自动识别、计轴等等，但尚未有适于高速铁路的实时追踪的和 能够检测列车完整性的综合系统。因此，本文提出的追踪模型中 考虑在列车调度中合理的引入无线通信环节使得通信实时性增 加。同时在理论分析基础上给出此模型的系统的结论。但并不是， 唯一的考虑无线方式，此处将列车区间的信息采集和传送都采用 第6 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 b m g g 光栅光纤和光纤传输网来实现，这符合未来的全光通信的 要求。 本文提出的模型的意义在于：用光纤光栅综合光缆实时精确 的传输列车各种数据，实现全铁路干线上列车的自动追踪，为铁 路通信体制由电向光的转变奠定了基础；采用无线发射和接收的 方式对列车基础数据进行采集，将无线列调向底层延伸，为在移 动列车中采用闭环通信提供了前期的研究基础；最后的理论分析 中提出了对列车追踪模型中的新的完整性的检测方法，为安全行 车提供了保障，同时为研究多个列车实时追踪的行为和在实验室 内进行列车仿真提供了理论基础和实验依据。 第7 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章高速列车追踪系统研究 目前，为了提高列车运行速度、安全系数和加大行车密度， 包括我国在内的世界各国都在不断的研制和开发新的列车控制 系统。特别是随着新技术的推广使用，对于高速铁路的列车控制 系统的研究越来越引起世界各国的高度重视。无庸置疑，发达国 家尤其是美国、同本、德国和瑞典等国在此项技术方面处于领先 的地位。他们都在研究高速铁路下列车监控和追踪的问题，并取 得了一定的成果。并且一些成果已经得到了应用，并且达到了既 定的要求。 通常的追踪过程是借助于安装在机车和车辆底部的无线发射 装置将列车参数等通过无线方式传到地面无线接收站经编码后：通 过漏泄波导综合光缆将列车信息编码传送到列车调度指挥中心进 行处理；调度中心得到列车速度、节数、类型等相关信息，从而判 定列车完整性和实现列车的实时追踪。然后，通过现有的系统信息 和控制命令反馈给前车和后车；此时，列车就会相应的调整速度和 加速度，以及采取并l 止等保护性的动作。 2 1 国外高速列车追踪模型 目前，国内外铁路科技工作者都在进行相关技术的研究。其中， 欧洲的列车安全与列车控制系统( e t c s ) ，德国的e r l m s ( 欧洲铁 路运输管理系统) 、f z b ( 无线列控系统) 和g s m r 铁路数字移动无 线通信系统，法国的实时追踪自动化系统t a s h 强e ) 处丁领先地 位；即使拥有先进公路交通的美国，凭借在科技领域的领先技术 位；即使拥有先进公路交通的美国，凭借在科技领域的领先技术 第8 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 也提出了相应的追踪模型；而对于忧患意识更加强烈的日本，为了 充分利用现有的铁路资源最大限度的满足国民的需要，建立了完整 和先进的列车追踪体系。因此，下文有必要对上述各国的相关领域 的发展作一个简单的介绍。 2 1 1 欧湘高速列车追踪模型 欧洲建立了欧洲列车安全与列车控制系统，即e t c s ( 欧洲铁 路控制系统) 。它由以下四个主要系统构成： 1 ) e u r o c a b ：一个机车装置，在此通过一个专用的e t c s 总线系统将己连入的所有部件与可靠的列车计算机 e v c ( 欧洲活力计算机) 相连接。 2 ) e u r o r a d i o ：列车与沿线无线资料中心( r b c 即无线 电组中心) 之间的g s m 无线通信链路。 3 ) e u r o l o o p ：用于线性数据传输的系统，其传输距离可 达几百米。它是所谓的泄漏电缆，也是一种同轴电缆， 由于设计上的措施它的外皮对于电磁场有部分的通 透。此类应用的频率范围为8 0 m h z 到l g h z 。e u r o - l o o p 主要用来传送用于分析的不连续传输资料的信息。 4 ) e u r o b a l i s e ：用于不连续数据传输的系统。根据设计 的不同，通过e u r 沪b a l i s e 将位置有关资料( 位置标 记、道路倾斜度、速度限制) 或是与铁路有关的信号 资料传送到列车上。叫r o b a l i s e 子系统是完全引入 e t c s 系统的关键前提条件。它是一个电感耦合的射频 识别系统，采用非谐性反馈频率。b a l i s e 的电源取自 于一部正在通过的牵引机车，利用2 7 。1 1 5 m h z 的i s m 第9 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 频率上的电感耦合来实现。对牵引机车的数据传输在 4 。2 4 m h z 的频率上进行，并且当列车速度高达每小时 5 0 0 公里时仍可确保资料电报能够正确读。 德国的e r t m s ( 欧洲铁路运输管理系统) 和f z b ( 无线列控系 统) 、g s m r 铁路数字移动无线通信系统。g s m r 是欧盟目前正 在积极推动发展的欧洲铁路无线网m o m n e 的基础设备。g s m r 不仅将代替模拟无线通信系统( 如列车无线、调车无线、维修无线 等) 而且能成为无线列车控制系统安全可靠的传输手段。近几年来 在颠图加特至布鲁赫扎尔高速铁路上，试验了“d i b m o f ”综合 数字移动通信系统，即把公共的数字移动通信系统( g s m ) 扩大到铁 路上( 称为g s m r ) ，认为该系统适于铁路的进步发展的要求， 特别是保证传输资料的完整性、可靠性和适应性，并作为欧盟项日 “欧洲铁路运输管理系统( e r l m s ) 7 的核心技术，成为欧洲统一的无 线通信系统，实现欧洲高速列车运营一体化。 法国的高速铁路实时追踪自动化系统( a s t r e e ) 是行车指挥系 统的一部分，具有综合功能的性质，但仅限于行车调度和电力调度。 整个系统由三层结构的微机系统构成。a s t r e e 是法国国营铁路 ( s n c f ) 研究设计的一种综合控制与管理系统，这是从1 9 8 6 年开 始构想设计，希望达到a c t s 第五级水平。该系统中应用无线系统， 工作频率为4 5 0 m z ，符合u i c 标准，而且也符合既有系统，可以 节省投资，因为基地台覆盖距离为4 英里，它是双向传输，最大每 分钟可传送2 0 个消息。信道间隔为1 2 。5 k h z ，它的调制方式为四 分之一交叉相移键控( s q p s k ) ，速率为2 4 0 0 b p s ，无话务时，全部 信道传输数据，有话务对，话务优先数据业务，僵它只能利用信道 的3 4 。在无话务时，数据传输容量为8 个2 5 5 b i t 帧秒。为提供 第1 0 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 通信系统的可靠，一种办法是双套冗余系统，另一种办法是第二套 系统采用l o c s t a r 卫星，第三种办法是使用些微波。为了提高无 线传送的可靠性，所以采用差错检验及重复传输。此外还有正向纠 错( f e c ) 加到发射的各帧，它的目的不是为了安全性而是为要限 制与减少不必要的列车制动，因为怕传输有错误；用f e c 的目的是 实在行车密度较小的地区，不再设置话音装置，这是为了减少投资， 因为在不同话盲区保证有f e c 后就不会盲目停车。 2 1 2 北美高速列车追踪模型 为了提高铁路运输系统的效率和安全性，并降低成本，1 9 8 3 年北美铁道协会决定开发一种先进的列车控制系统( a t c s ) 以取代 现有行车指挥系统。协会先后成立了体系框架结构、通信、车载设 备、调度中心等1 0 个委员会，以行车指挥为中心，制定系统的整 体框架，划分出功能模块及制定其问接口标准和通信协议。 a t c s 主要包括：车载设备、线路维修车载设备、沿线设备、 数据通信网、调度中心等模块。其最大的特点是分布式、模块化和 灵活性。a t c s 按照复杂程度可以分为4 个功能级，分别称作1 0 级、 2 0 级、3 0 级和4 0 级，以便不同的线路根据具体情况选用。1 0 级 系统属于电气集中系统，由调度端的微机装置提供联锁逻辑，通过 无线移动电话实现调度端和机车的通信；2 0 级系统装备了双向通 信系统，使得调度端和机车之间可以传输些关键数据；3 0 级系 统引入了列车定位和识别系统，可以跟踪列车的位置，完成列车自 动控制、辅助司机驾驶、机车安全系统等高级功能：4 0 级系统引 入调度端对沿线设备的控制，即沿线设备与调度端中心计算机间的 数据传输。 第1 1 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 a t c s 的优越性主要体现在： ( 1 ) 通过合理安排列车越行与交会的地点、次数及辅助司机 执行最优驾驶策略等，降低机车能耗，节约能源。 ( 2 ) 调度台及时通报来自列车和轨道旁的精确数据，调度中 心和车载计算机随时监测事故发生的隐患，并及时采取措施消除隐 患从而大大提高安全性。 ( 3 ) 提供更有效的运行图和运行调整方案及引入移动闭塞， 从而增加既有线路的通过能力。 美国的另一种先进列车自动控制系统( a a t c ) 。a u a t c ( a d v a n c e d a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 是由美国b a r t ( b a ya r e ar a p i d t r a n s i t ，旧金山港湾地区高速铁路) 与休斯航空公司( h u 曲e s a i r c r a f tc o m p a n y ) 自1 9 9 2 年共同开发的基于无线的列车控制系 统。其功能类似于欧洲的e r t m s e t c s 、日本的a t a c s 系统。a a t c 利用了美国军用高精度定位系统( e p l r s ) 来实现列车追踪，通过 测量列车首尾部的无线装置与沿线设置的地面无线装置之间无线 电波的传播时间，确定出列车位置。系统的特点是地面( 即车站) 设有智能系统。车站监视多个列车的运行状况并灵活地利用这些 信息实现列车的节能运行。 2 1 3 日本高速列车追踪模型 c 0 m t r a c 系统是功能较全的一个行车指挥系统，c o m t r a c 系统 由信息处理和进路控制两部分组成，信息处理计算机( e d p ) 为2 台大型计算机，其中1 台为备用。进路控制计算机有3 台，1 台备 用。c o m t r a c 和s m i s 系统共享端机，端机设在车站、列车段和检 修段等场所。日本铁道技术研究所( r t r i ) 于1 9 8 7 年开始着手研 第1 2 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 究一种基于微机无线的列车辅助控制系统( c a r c t ) 。该系统由三个 组成部分：车载系统，地面系统，列车与地面之间交换信息的无线 电传输系统。 在车载系统中有三个子系统：列车位置检测，列车控制，无线 电传输。其功能是决定保证列车安全运行的列车速度，实现间隔控 制、车站综合安全和进路控制及平交道口控制。 地面系统也有三个子系统：无线电传输，列车跟踪控制，列车 运行模拟。无线电传输系统己使用泄漏同轴电缆够用以传输数据。 在隧道内则由于准微波传播性能比较好，它可以不加其它特殊措施 而传输4 k m ，所以隧道内用这种传播媒体。 该系统中车位检测是采用车轴转数计算转计距离方法，为了防 止由于车轮打滑等造成误差，所以至少在三队轴上测定，然后用软 件修正。 该系统安装在山阳新干线距起点9 0 0 k m 的新岩围至德山之间， 在三卜闭塞分区内敷设了5 7 k m 的泄漏同轴电缆。车载设备在新大 阪至博多之间列车上，它每天运行2 3 次。地面配置三套系统，每 套包括：与泄漏同轴电缆连接基地台进行列车跟踪控制设备，模拟 移动台，列车运行模拟设备。无线传输控制系统中，它的输入输 出信息都是1 6 0 b i t ，经变换成高级数据链后的格式为2 0 0 b i t 。数 据的传输速率为4 8 0 b p s 。无线电系统的编码器把数据分为1 3 2 b i t 再加一个4 0 b i t 的标志序列和4 8 b i t 的b c h 标志，无线电台经数字 调制后的数据传输速率为8 0 0 0 b p s 。传输控制采用周期为o 2 秒的 查询方式。地面与列车之间为1 2 5 k h z 通道。 第1 3 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 2 2 国内列车追踪模型的研究状况 国内的列车追踪系统采用微波调制技术，已经建成车号识别系 统，能够正确地识别出机车、车辆的标识信息，并提供给t m i s 、 d m i s 系统，实现对全路列车、机车、车辆追踪管理，但是由于成 本等问题，车号自动识别系统仅在局间分界口全面使用。本系统采 用低成本方式设计了一整套适合中国铁路的系统，实现了高速列车 的实时追踪。 高速列车追踪系统主要包括：数据传输、信息处理等子系统。 每节车辆或机车的底部都安装有电子标签，监测点安装有地面读出 装置的微波收发天线，发射射频信号。当列车到来，进入地面读出 装置所发射射频信号的作用范围，安装在车辆上的电子标签可以接 收到射频信号，当列车车辆经过微波天线上方时，电子标签将接收 到的部分微波反射回地面读出装置，反射回的微波信号携带了电子 标签内存储的电子资料。阅读器接收到电子标签发送的信息进行调 制后通过漏泄光缆传送至微机处理系统，解调还原为原始信息。信 息处理系统在对采集到的信息进行分析处理之后做出决策，再将决 策信息传回列车控制中心，由列车追踪控制中心指挥列车的运行。 追踪系统的基础是车号自动识别系统。车号自动识别系统 ( a t i s ) 是在列车运行过程中，采用微波反射调制和计算机技术， 正确地识别出机车、车辆的标识信息，并提供给t m i s 、d m i s ( 铁 路运输调度指挥管理系统) 、车辆管理信息等系统，建立铁路车号、 车次信息自动化采集报告体系，实现对全路列车、机车、车辆实时 追踪管理。 车站车号自动识别系统由地面识别设备( a e i ) 实时接收运行 第1 4 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 中的货车、机车上的标签信息，通过专线传送到c p s 服务器，c p s 再将资料转发至列检所和铁路分局。系统通过进站口a e i 对车号自 动采集，代替了人工抄录车号；对出站口的车号采集，可及时核对 车站作业结果，并向下一站报告列车信息，为t m i s 车站系统提供 真实可靠的车次、车号等基础资料，克服了t m i s 依靠人工上报资 料的处理方式，避免了人工干预。 车站系统主要由a e i 、c p s 服务器( 集中控制管理设备) 组成。 a e i 由安装在轨道间的地面天线、车轮传感器、读出主机( 工控机， 安装在轨道旁机房中) 及机内的r f 射频装置等组成。 目前车号自动识别系统已经在局间分界口全面使用，它是实现 货车实时追踪的重要基础。局间分界站a e i 设备已全部安装完毕并 实现向部电子中心传输资料，目前，全路局间分界口基本上都实现 了实时识别和确认货车车次、机车车号、货车车号等信息，并及时 向部传送。结合车号自动识别系统开展货车实时追踪，实现全路各 分界站、编组站、大型区段站、大型货运站共4 0 4 个车站的大节点 式追踪，进而实现全路2 2 0 0 个车站范围的追踪。 虽然中国在列车追踪系统的研究过程中稍稍落后于国外的同 行，但是中国的相关领域科研学者仍然在不遗余力地进行相关的研 究。在此领域首屈一指的是北京交通大学，在以中科院院士简水生 为首的，以刘云教授等诸多的教授和学者参与的研究团队不仅在国 内较早的进行相关领域的研究和仿真，而且还不断地提出新的方法 和总结出新的实践经验。 第1 5 页共6 5 页 北京交通大学坝士学位论文 第三章无线高速列车追踪系统设 计1 ，t 3 1 概述 无线高速列车追踪系统既然是一个综合大系统，那么为了更好 的研究和理解所提出的追踪模型，我们给出实际中的系统组成结构 图。同时由于追踪系统是描述前车与后车的相互协作和影响的关 系。因此，为了简化仿真研究的整个过程突出重点，我们建立了相 应的简洁的系统仿真结构图，其系统结构图如图一所示： 图3 1 系统体系结构 第1 6 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 考虑到对应于上述的系统模块的列车追踪系统仿真模块可以 在实验室环境下更加准确的实现对高速列车追踪的仿真。我们依据 现场环境来搭建了实验平台，采用了与现场环境相符的传感设备、 软件环境和硬件环境。针对上述系统框图，我们还设定相应的功能 模块和具体的实现。 f b g 组模块：是整个系统的信息收集模块，主要是利用b r a g g 光纤光栅对温度和压力的线性变化特性。感应对列车作用在传感器 上的应力变化。 控制中心：实现车辆运行情况的g i s 显示：通过g p i b 卡读取 光纤设备传来的数据，并判断两辆列车的相对位置以控制列车速 度；利用r s 2 3 2 串口传出控制命令。 基站( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 对应仿真系统中的无线发射 模块( 地面) 和无线接收模块( 车载) 。无线发射模块( 能与中心 控制器的r s 2 3 2 串口的直接通信，接收控制命令并以无线方式发 出。无线接收模块将无线接收控制命令，并传送到列车速度控制模 块的单片机系统。 列车速度控制模块：翻译控制命令，并实现对列车速度的控制。 3 2b r a g g 光栅传感系统 光纤光栅是近年来国内外着力研究、探索其机理并扩展其应用 的种新型的全光纤无源器件。光纤b r a g g 光栅传感器( f b g s ) 是 用光纤( b r a g g 光栅f b g ) 作敏感元件的功能型光纤传感器，可以 直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理 量和化学量的间接测量。它除了具有普通光纤传感器重量轻、耐腐 第1 7 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠等优点外，还具有其独立的优点， 如探头尺寸小，其直径与光纤等同：易于与光纤耦合，耦合损耗小； 波长调制型，抗干扰能力强：集传感与传输于一体且具有更强的复 用能力，易于构成传感网络：测量对象广泛，易于实现多参数传感 测量等等。正是由于这些其他传统传感器无可比拟的优点，使得光 纤得以广泛的应用。 因此，随着光纤光栅传感器及其应用技术的出现，使之成为光 纤通信、光纤传感以及在各相关领域中具有变革意义的新一代技 术，同样使得利用它的数据可以更加有效的对被控对象进行调控。 因此，本文提出的列车追踪系统是基于b r a g g 光纤光栅传感器，以 及相关的光通信技术。 3 2 1 光纤光栅成栅技术 由于光纤光栅的重要性被大家所共识，因此为了充分的利用光 纤光栅，各种不同的成栅技术也不断出现。目前，在b r a g g 光纤光 栅成栅技术中，比较典型的有：双光束干涉写入技术，相位掩膜写 入技术，逐点写入技术和在线成栅技术等。为了更好的理解光纤光 栅的工作原理，下面简单的介绍一下各种不同的成栅技术。 1 ) 双光束于涉写入技术 图3 2 双光束干涉写入原理 第1 8 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 由上图所示，两相干紫外光束相交于光纤上。相干涉得出的光 栅周期( 栅距) 为： ：丛 2 s i 硼 ( 3 1 ) 厶为紫外光波长；为空气折射率；f 为光栅极数；p 为入射 角。可见，只要改变光束的入射角口就可以得到不同周期的光栅。 光源一般为准分子激光器，经倍频后提供2 4 0 n i i l 波长附近的紫外 光，并被分成二束等强度光束，重新汇合后，在纤芯产生干涉条纹， 干涉条纹垂直于光敏光纤，经一对透镜后，其强度得到加强。干涉 型技术具有可随意调节b r a g g 波长以及简单灵活等特点，但要得到 较高的反射率的光栅，则对光源有较高的要求。这种方法是1 9 8 9 年g e r y m e l t z 首先提出并完成实验的，在不同的光纤上写入了谐振 波为5 8 i n m 的光栅。 2 ) 相位掩膜写入技术 利用相位掩膜写入光栅是目前极有前途的一种方法。国内现在 也开展了这项研究。它是用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤 上。相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。经紫外光曝光 后便可写入周期为掩膜周期一半的b r a g g 光栅。相位掩膜光栅衍射 图样不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关。因此，对光 源的相干性要求不高，缺点是制作掩膜复杂。 3 ) 逐点写入技术 此种方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期人 曝光一次，通过控制光纤移动速度可以写入任意周期的光栅。该方 法对光栅的周期容易控制，但是由于写入光束必须聚焦到很紧密的 第1 9 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 一点，因而般只适于写入长周期光栅，目前所能达到的最短周期 的光栅是三级光栅。 4 ) 在线成栅技术 这是最新出现的一种成栅方法。它是在光纤拉制过程中对没有 包层的裸光纤直接写入光栅。该项技术一旦成熟，就可以实现大批 量生产，从而大大推动光纤光栅技术实用化的进程。该项技术的关 键是要对所使用的准分子激光器输出光束截面进行改进才能满足 实用的要求。目前针对此种成栅技术是值得研究的一个课题。 3 2 2 光纤光栅传感原理 光纤光栅的出现是实现全光通信成为可能，而光纤光栅在应用 上另一方面就是光纤传感技术。本文所采用的b r a g g 光纤光栅，是 一种单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型 b r a g g 光栅。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生 b r a g g 光栅效应。其工作原理是：当一束光送进b r a g g 光纤光栅时， 根据光栅理论，在满足b r a g g 条件的情况下，就会发生全反射，其 反射光谱在b r a g g 波长 处出现峰值。光栅受到外部物理场( 如应 力、应变温度等) 的作用时，其栅距a 随之发生变化，从而改变了 后向反射光的波长五。根据五变化的大小就可以确定待测部位相应 物理量的变化。当把多个不同中心波长的光纤光栅按一定规律排成 阵列，就构成了多点分布式的传感系统。 而以上诸多的特性与光栅的物理特性又是息息相关的。通常光 纤是圆形对称的结构，光栅反射的峰值波长称为b r a g g 波长，满足 下式： 第2 0 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 ao =2 no 人 ( 3 2 ) 其中为纤芯的有效折射率；a 为光栅的栅距。 心) 刊o + 硼十c o s 辱) ) ( 3 3 ) 其中，为曝光前的光纤芯折射率；”为光致折射率偏移幅 度：z 为光纤轴向坐标；a 为光栅的栅距。相应的光栅的中心波长 为： 兄；2 厅。，r a 为了满足b r a g g 条件，必须是全反射。因此根据此条件，给出 了二偏振分值波长与应变的解析式： 此处为与传播方向垂直的二偏偏振方向中的一个分量，无和 五位丁传播方向垂直的平面上的二偏振方向坐标；毛，：和气。，为原波长的 对应分量； 和为弹光系数张量：，2 和吩为应变张量。 温度的变化和外界应力的变化可以使光纤b r a g g 光栅的改 变。由于光纤材料热光效应以及光线的热胀冷缩和应力的改变使得 光栅的栅距人发生改变从而导致b r a g g 波长丑发生变化，产生波 长的漂移矗；因此b r a g g 光栅中心波长厶随外界温度和轴囱应变 力的变化的解析式为： 凡= 2 a 1 一( 譬) 【g 】：一飚，+ 9 1 ：) 】) 之+ ( 呸十善) 毋( 3 5 ) 第2 】页共6 5 页 )4 3( 、m、册 乓 + 嘶 斩 啦 缸 + + 吼 坎 培 蟮 1 2 1 2 一 一 片 芍 + + ，儿p0，。 缸 勋 = f i 五 忍 北京交通大学硕士学位论文 式中为光纤材料的泊松系数， 己为光纤在轴向上的应变 量，为光线的温度膨胀系数：丧为光纤的热光系数；r 为温度 变化量。 由式( 3 5 ) 可以看出，b r a g g 光栅传感器的反射波长与温度、 应力是线性的关系。对于锗硅光纤，考虑应力和温度的作用时，解 析式( 3 5 ) 又可以表示为： = 2 胛0 a ( 0 7 8 i + 6 6 7 1 0 - 6 f ) ( 5 ) 因此由反射波长的变化量厶就可以求出所测温度和应力的 大小。 3 2 3b r a g g 光纤光栅传感器的应用 很显然光纤光栅有许多的优点，这些使它不仅仅局限于电子信 息领域，而是扩展到了许多的相关领域和非相关领域。近年来，国 内外有关b r a g g 光纤光栅传感器的应用研究活动非常活跃，也取得 了相当多的实用成果。 由于b r a g g 光纤光栅传感器的独特优点使得它们很容易通过 粘贴于结构表面或者嵌入结构内部，实现对结构状态的实时分布式 监测。在电力工业， b r a g g 光纤光栅传感器像其它传统的光纤传 感器一样，具有良好的抗电磁干扰性，因此它们也是电力工业中进 行有关参数( 如温度、应力、电压、电流等) 监测的理想传感元件； 除此之外在能源化工领域，基于传统电测类传感器和传统光纤传感 器无可比拟的优点，可以有效地实现长距离油气管道状态以及管道 油气泄漏的分布式实时在线监测。 第2 2 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 3 3g s 卅r 技术在铁路上的应用 3 3 1 系统综述 铁路综合数字移动通信系统是基于e t s ig s m 标准。为满足铁路 特殊需要，相应的补充如下内容：g s m 业务：语音广播业务；语音 组呼业务；增强多优先级与强拆：通用分组无线业务铁路特定应用： 为支持功能寻址和基于位置的寻址，在列车与地面之间交换地址和 定位信息；紧急呼叫；调车作业模式；多司机通信；移动终端之间 的直通模式功能；铁路专有特性、网络参数和标准；机车台、人机 界面和其他接口：环境规范；系统配置( 编号方案、优先级、用户 详细信息、闭合用户组等) 。 g s m r 系统对应于g s m 系统可由下列网元组成：基站子系统 ( b s s ) ；网络子系统( n s s ) ，该系统主要由移动交换中心( m s c ) 、 拜访位置寄存器( v l r ) 、组呼寄存器( g c r ) 和归属位置寄存器( h l r ) 组成：通用分组无线业务( g p r s ) 子系统，由g p r s 网关支持节点 ( g g s n ) 和g p r s 业务支持节点( s g s n ) 组成，支持移动分组业务： 移动台( m s ) ，由移动设备( m e ) 和用户识别模块( s i i 卡，包含 用户特定信息) 组成；运营和维护中心( o m c ) ，用于管理网络； 计费中心；确认中心( a u c ) ；e i r 、s c p 。 n s s 内部与n s s 之间的信令为7 号信令( s s 7 ) ，支持移动应用协 议( m a p ) 。为支持铁路特定的文本消息应用，应设置短消息服务 中心和小区广播短消息中心。同时，g s m r 网络还应提供与以下网 络相联的外部接口：铁路专用固定网络；公众电信网：其他铁路信 息系统。 铁路综合数字移动通信系统可为c t c s 提供无线承载业务。除 第2 3 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 g s m r 功能外，应为铁路移动台之间提供直通模式。铁路综合数字 移动通信系统为外部应用提供标准接口。车上内部话音和数据通 信：车载记录。 为了更好的实现铁路专用网，国家为铁路g s m r 划分了一定 的频率范围：8 8 5 8 9 0 9 3 0 9 3 5m h z 。并且要求设备能够工作在以 下频段内。语音广播和语音组呼功能：所有移动台都应支持在g s m 相关规范中定义的语音广播和语音组呼业务。这些业务用于：在调 度区域内，调度员向列车组语音广播；在指定区域内，列车或列车 编组成员向调度员或其他移动台语音广播；在预定义区域内，列车 司机和调度员之间进行语音组呼；在预定义组成员之间进行语音组 呼，组成员一般位于本地区域内。 增强多优先级与强拆：满足紧急语音组呼、不同类型和不同级 别通信业务的服务需求。 功能寻址：根据功能号而不是m s i s d n 号码的寻址。采用 g s m 刈e 结构化的补充业务数据( u s s d ) 功能实现f 0 1 1 0 wm e 业务， 允许建立和终止从功能号到m s i s d n 号码的呼叫转移。 基于位置的寻址：允许列车司机使用单键建立与调度员和其他 维护人员的联系。当列车在不同调度区行驶时，调度员会发生变化， g s m r 网络应提供基于列车位置的呼叫寻址方式。g s m r 网络应 提供列车所处小区的位置信息。为提供更精确的基于位置的寻址， g s m r 网络应提供与外部定位系统的接口。 外部定位系统包括：g p s ：查询应答器；提供定位信息的地面 系统。 直通模式：铁路移动台可以支持直通模式，移动台在不使用 g s m r 基础设施的情况下，能够与本地其他移动台进行通信。该 第2 4 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 模式在以下情况下使用：没有可提供的g s m r 基础设施：g s m r 基础设施失效。 3 3 2 机车台功能规范 g s m r 系统规范定义了从移动台到机车台等各个功能模块的 结构和标准，考虑到本文只是在下行链路过程中与列车通信时才使 用g s m 网络。因此本节主要描述机车台的系统要求以及功能特性 的实现方法。由规范可知，机车台的逻辑结构如下图所示。 图3 3 机车台的逻辑结构和接口 其中图中，g s m r m t ：g s 1 一r 为移动终端；d m m t ：直通模式 移动终端；姗i ：人机界面。 机车台接口包括： g s m r m t 空中接口：应满足互操作性，并符合g s m 规范。 第2 5 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 d m m t 空中接口：直通模式是可选的，但是在采用该接 口时，必须满足互操作性要求。 g s m r m t 一铁路综合数字移动通信系统应用接口：允许 机车台分别选择g s m r m t 和铁路综合数字移动通信系统应用设备， 均应支持 g s m0 7 0 7 。 d m m t 一铁路综合数字移动通信系统应用接口：允许机 车台分别选择d m m t 和铁路综合数字移动通信系统应用设备。 列车接口单元和机车台数据接口应符合具体的规范要 求。 3 3 2 1 与司机呼叫相关的功能 主要有：呼叫调度员，呼叫区域内的其他司机，发送铁路紧急 呼叫，呼叫车站值班员，多司机通信，呼叫车组人员，呼叫其他授 权用户，接收文本短信息，进入推出调车作业模式，进入推出直 通模式。 1 、呼叫调度员。通过人机界面操作，机车台应采用“铁路运 营”优先级，向相应的调度员发起呼叫。机车台应采用u u s l 给网 络传递呼叫司机的功能号。 2 、呼叫区域内的其他司机。在收到“呼叫区域内其他司机” 的请求后，机车台应采用“铁路运营”优先级，使用“全部列车” 组识别号发起语音组呼。机车台应采用u u s l 给网络传递呼叫司机 的功能号。 3 、发送铁路紧急呼叫。在收到“铁路紧急呼叫”的请求后， 机车台应发起铁路紧急呼叫。机车台应采用u u s l 给网络传递呼叫司 机的功能号。 4 、呼叫车站值班员。在收到“呼叫车站值班员”的请求后， 第2 6 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 机车台应采用“铁路运营”优先级发起语音组呼。机车台应采用 u u s l 给网络传递呼叫值班员的功能号。 5 、多司机通信。对于没有有线连接的同一列车的多机牵引， 在机车之间可建立一条永久的无线连接。 在同一列车上有多辆机 车的情况下，应通过g s m r 的多方通话方式建立无线连接。 下图描述了多方通话建立过程。 开始 事务机粤机发起另一1 本务机司机保持 多方通话 个点对点的呼叫 - 1 i ； 壤 加入另一个用1 方通话机请_ 多i r ， 户? 结束 图3 4 发起多方通话 多方通话应由本务机车发起、建立，使用功能号与其他机车保 第2 7 页共6 5 页 北京交通大学硕士学位论文 持联系，功能识别号在呼叫建立前应注册。多方通话具有“铁路运 营”优先级，在通话过程中，机车台应显示“多个司机”提示。 6 、呼叫车组人员。在收到“呼叫车组人员”的请求后，机车 台应根据所选择的列车乘务人员和列车车次确定功能号，采用“铁 路运营”优先级，发起g s m r 点对点话音呼叫。 7 、呼叫其他授权用户。机车台可以用作标准的g s m r 电话，司 机应能呼叫有效的电话号码，该号码受闭合用户组、呼叫阻塞或其 他条件的限制。 8 、接收文本短消息( s m s ) 。机车台应能接收、显示以及存储 文本短消息。 9 、进入退出调车作业模式。机车台应支持调车作业模式。 1 0 、进入退出直通模式。机车台可支持直通模式。