（安全技术及工程专业论文）基于TCN的列车机车GPS定位及远程专家诊断系统.pdf

目录 a b s n a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f h i g l l s p e e dr a i l w a y ，t h ev e h i c l e c o n t r o ls y s t e md e v e l e p e st o w a r dn e 竹o r k sc o n t m ls y s t e m 舳d m o r ea i l dm o r e f e q u j r e m e n t si m p o s e d o nt h em a i n t e n a n c eo f v e h i c k s n o to n l yt h ef a u l t st h a th a v ec o m ei n t ot r u es h o u l db e f o u n di nt j m e ，b u ta l s ot h ep o t e n t i a lf a u l t ss h o u db e t h i ss y s t e ma d o p t st h et c nb a s e do ni 乃n w o r k sn e t w o r k sa i l d m o d u l a r l i z e se v e r yf u n c t i o n t 1 1 ef i l n c t i o n so ft h i ss y s t e ma r et o 舀v e t h ep o s i t i o no f t h et r a i ni nt h eg i s ，t ot m n s f c rt h ed a t ao ft h et r a i nt o t h ed a t a b a s ei nt h er e m o t et e l e c e n t r e b y m o d e mw i r e l e s s c o m m u n j c a t i o nt e d m i cg p r s ，t os t o r et h ed a t aa n da n a l y z et h e mt o g i v et h er e a ls i t u a t i o no ft h et r a i n a n dt h i ss y s t e mc a n m o n j t o rt h e t r a i ni nr e a lt i m ea n di tc a ng i v ea na l a 册i na d v a n c ea n db r i n g f o r w a r dt h es o l u t i o n sb yt h er e m o t ed i a g n o s t i c se x p e r ts y s t e mi f t h e i a r ef a u l t s k e y w o r d ：t c n ，l o n w o r k s ，g p s ，g p r s ，r d e s i l i 第一章概 论 第一章概论 伴随着中国经济的迅猛发展，近年来人口的流动性越来越强， 每年各个黄金周都对我国的交通造成了极大的压力。而来自民航、 公路和水路运输的竞争，对一向以“老大哥”自居的铁路客货运输 造成了巨大的压力。在这种情况下，铁路急需加快自身的发展， 提高运力和服务质量，以赢得竞争。这就对机车的控制系统提出 了更高的要求，主要表现在： ( 1 ) 保证各机车的动力系统能够同步协调运行： ( 2 ) 能够实现司机对整个车组的各部分的控制： ( 3 ) 系统响应实时快速，满足列车控制的要求； r 4 ) 实现机车各部分运行状态的实时监控； ( 5 ) 提供简洁、明确的旅客信息： ( 6 ) 系统应具有可扩展性，能够方便可靠的接入新增设备。 这些功能的实现使得控制系统变成了一个庞大而功能完备的 系统，我国目前所采用的控制系统无法满足此要求。因而，一段 时期以来，该系统成为了困扰广大机客车生产厂家的一大难题。 随着信息技术的迅猛发展，计算机网络迅速波及到社会生活 的各个角落，铁路运输业也不例外，欧美机车车辆行业的各大制 造厂商纷纷发展起来了各自的列车控制网络，并得到了广泛的应 用。网络成为了机列车控制系统的一个完美的解决方案。因此， 在国内还没有成熟的产品的情况下，各厂家纷纷将目光投向了国 外。但是，由于国内外技术落差的存在，国外厂商在卖给我们列 北京交通大学顾士学位论文 车控制系统的同时，也开出了天价，使得控制系统成为了一个奢 侈品，同时在系统的安装、调试和维护等方面也存在各种各样的 问题。因此，开发出我们自己的产品追在眉睫。随着机车车辆技 术的不断发展，列车控制逐渐多样化，发展具有开放性、可靠性 高而功能完备的机车控制系统也是国内厂商所拭目以待的。在目 前的情况下，尤其是在铁路系统专有g i s 尚没有建立的情况下， 对列车进行全球定位还没有进入实际的大规模应用中，不能够对 列车的实际运行方位和轨迹进行动态的直观的显示。而对列车的 检测和故障处理，目前完全是靠人工在现场进行，并受到诸多因 素的困扰。本文将就此展开讨论。 1 1 课题背景 随着我国国民经济的迅速发展和西部大丌发的政策，国家也 逐步加大了对西部地区的基础建设的投入，青藏铁路的建设是其 中的重中之重。青减铁路沿线的低温、低氧、高海拔等恶劣环境， 对设备及司乘人员提出了更为严格要求，尤其是在青藏铁路建设 初期司机主要靠内地支援的情况下，更要注意防范。由于青藏线 恶劣的地理环境，要求尽量减少室外设备，地面设备，线路设备， 而且对有限的线路无源设备和部分车站道旁设备也应尽量做到利 用车载设备进行动态的检测与故障定位，尽量减少检修人员的室 外作业量，采用其它手段完成各种设备的在线检测和故障定位， 及时消除隐患。要维持青藏线的正常运行，运行数据是必不可少 的，而青减线的电力和通信状况，增加了运营数据传送和处理的 难度。对于青减线，有几点不利的因素。首先，增加了室外设备， 另外，只有当列车通过车站时才能给出列车完整信息，而当列车 1 0 第一章概 论 运行在线路上时，在3 0 4 j dk m 内是没有列车完整信息的。因此 需要采用其它手段对这些数据进行获取、传输、保存，并对潜在 的故障进行预警，提出解决方案。 1 2g p s 定位及远程专家诊断系统的应用前景 我国的卫星定位导航技术经过十几年的完善，己进入应用行 业的高速发展时期，应用领域也已十分广泛，从传统测量应用及 军工相关应用已渗透到许多崭新的行业。通信行业用卫星导航定 位技术做时间同步；电力、有线电视、城市地下管道采用卫星导 航定位技术布设线路；交通、运输部门用p 星导航定位技术等相 关集成技术营建n 1 s 系统和监控系统；公安、银行、医疗、消防 等用卫星导航定位技术营建紧急救援或报警系统；汽车、船舶用 卫星导航定位技术导航；g i s 数据提供商用卫星导航定位技术采 集地理信息相关数据，并提供位置信息相关服务( l b s ) i i j ；广 播电视行业用卫星导航定位技术与罗盘制造卫星电视定向接收天 线；在电子商务领域，卫星导航定位技术甚至应用于c r m 客户 管理和物流配送体系中；而电脑制造商、通讯设备商正在推动通 讯、电脑、卫星导航定位接收器一体化的各类移动信息终端应用 【2 j 0 但是在铁路l ，g p s 现在还没有得到很好的应用，仅部分车 辆采用了g p s 定位技术，因此研究g p s 技术在铁路上必将有很好 的应用前景。 目前，对列车的诊断还停留在现场诊断的模式。尤其是在恶 劣天气的情况下，维护人员处于极端恶劣的工作环境，甚至有可 能对故障情况存在误判断，造成严重事故。并且目前没有很好的 北京交通大学硕士学位论文 机制，对故障提出预警。如果能够对列车的运行数据、设备使用 情况等进行记录分析，对运行数据的发展趋势进行预测，如果发 现有出现故障的趋势，及时报警并提出排除故障的方案；对其它 同批次的机车、车辆及时进行检查，以消除隐患，这正是远程专 家诊断系统的精髓所在。 1 3 本论文的主要研究内容和方向 本文主首先对基于l o n w o r k s 的列车通信网进行了初步的探 讨，并以此为基础，将g p s 引入列车的运行监控，并提出了对机 车车辆进行远程专家渗断的解决方案。 第二章在对各本文涉及到的技术进行介绍的基础上，提出了 系统的整体解决方案。第三章和第四章分别对系统的车载终端和 地面监控中心进行了详细的设计，包括软件设计和硬件设计。第 五章对系统进行了总结，并提出了系统需要完善并可以改进的探 讨。 第二章系统总体分析设计 第二章系统总体分析设计 2 1 t c n 简介 近儿年，国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了动车 组、2 0 0k m h 高速列车，以及目前处于开发研制阶段的内燃摆 式动车组、3 0 0k l n h 高速车、城市轨道车等。这些新型机车车 辆需要对列车的运行状态和故障信息作出快速准确的判断和处 理，而传统的机车车辆控制技术已完全不能满足这方面的要求， 因此必须配备列车通信控制网络产品，方能实现整个列车的而常 运行。然而目前国内尚无现成的列车通信控制网络产品，一些机 车车辆制造工厂为了尽快占领新型机车车辆市场，纷纷从国外进 口具有网络功能的控制系统，如出口伊朗的地铁车、现正在运营 的内燃动车组等，分别引进了a d t r a l l z 瑞士分公司、德国s j e m e n s 公司及r 本新泻公司的产品，以解燃眉之急。 2 1 1 列车通信网络t c n 概述 随着动车组的兴起，列车控制技术已从单台机车控制逐步向 列车网络控制方向发展，列车网络控制已成为高速列车、动车组 的必备技术之一。列车网络控制的主要任务有： 实现各动力车的重联控制； 实现全列车( 动车和拖车) 所有由计算机控制的部件联网 通信和资源共享； 实现全列车的制动控制、自动门控制、轴温监测及空调控 北京交通大学颈十学位论文 制等功能； 完成全列车的自捡及故障诊断决策。 为了使各种铁路机车车辆能够互相联挂，并且车上可编程电 子设备能够互换，国际电工委员会( i e c ) 和国际铁路联盟( u i c ) 联合制定了一项标准列车通信网络t c nf 仃a i nc 。 m m u n i c a l i 。nn e 撕o r k l ，即c 6 1 3 7 5 项标准。同时e e 也引 用该项标准作为列车通信网络标准e e l 4 7 3 t 。网络总体结构 包含两级：连接各车辆的列车总线( 1 r a i nb u s ) 和连接一节车辆内 或车辆组各设备的车辆总线( v e h i c l eb u s ) ，见图1 1 。该项标准的 制定为今后开发列车通信网络提供了参考，同时也促使产品尽快 与国际接轨。 图2 1 1 9 9 7 年，美国铁路协会( a a r ) 已经把b n w o r k s 技术作为 a a r 标准( s _ 4 3 2 0 ) 。1 9 9 9 年8 月，i 棚w o r k s 控制网络技术正式 成为在列车通信方面新的l e e e l 4 7 3 2 1 9 9 9 标准的一部分，即 i e e e l 4 7 3 2 l 。它和前述的i e e e l 4 7 3 t 共同形成列车网络控制 的标准【3 1 0 2 1 2 采用l o n w o r k s 的技术可行性 1 4 第二章系统总体分析设计 同现有的各种现场总线相比，l 0 n w o r k s 网络完全满足了未来 发展对列车机车控制网络系统的要求。 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等 的 互操作性：网络协议需要完整到任何制造的产品都可以实现 互操作 通信媒介：为了满足未来的列车机车通讯，应该可用任何传 输媒介进行通信，包括双绞线，电力线，光线，同轴电缆，无线 电波和红外光波，并且多种媒介应该在同一网络中混合使用 网络结构：应该能够使用现有的网络结构，如主从式、对等 式、a s 模式等 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑结构单一形式的限制， 用户可以任意选择网络拓扑结构 目前流行的现场总线，如f f 、o n 等，都达不到上述要求， 而l o n w o r k s 网络却可以完全满足上述要求。另外，l o n w o r k s 支持垂询、更新自动发送、定时发送等多种网络数据的涛问方式， 并有非确认、非确认重复、确认和请求响应等服务方式，可设定 优先级发送，因而可根据需要定做实现最佳的系统响应。 从目前因内外机车控制总线发展的情况来看，幻n 、v o d ，s 技术 已经成为i e 髓的t c n 标准，并在美国、日本等投入实际运营【3 1 。 综上所述，采用l o n w o r k s 技术实现机车的控制是可行的。 2 1 3l o n w o r k s 基本术语 2 1 3 1 神经元芯片 l o m o r k s 技术的核心是n e u f o n 芯片或称为神经元芯片。 北京交通大学硕士学位论文 它主要包括3 1 5 0 和3 1 2 0 两大系列，其中3 1 2 0 系列芯片中包括 e 2 p r o m 、r a m 、r o m ，而3 1 5 0 系列芯片中则无内部r o m ，但 拥有访问外部存储器的接口i4 1 。n e u r o n 芯片内部固化了完整的 l d n t a l k 通信协议，确保节点间的可靠通信和互操作。 n e u r o n 芯片内部结构如图2 2 所示i 引。 图2 2n e u r o n 芯片内部结构 n e u r o n 芯片内部有三个c p u ：m a cc p u 、网络c p u 和应用 c p u ，如图2 2 所示。c p u 一1 是m a cc p u ，完成介质访问控制 ( m e d i aa o c e s sc o n t r 0 1 ) ，处理l o n t a l k 协议的第1 和第2 层，包 括驱动通信子系统硬件和执行算法。c p u 一1 和c p u 一2 用共享存 储区中的网络缓存进行通信，正确的对网上报文进行编解码。 c p u 一2 是网络c p u ，它实现功n t a l k 协议的第3 到第6 层，处理 网络变量、寻址、事务处理、权限证实、背景诊断、软件计时器、 网络管理和路由等。同时，它还控制网络通信端口，物理地发送 和接收数据包。该处理器用共享存储区中的网络缓存区与c p u 一1 1 6 第二章系统总体分析设计 通信，用应用缓存区与c p u 3 通信。c p u 一3 是应用c p u ，它完成 用户的编程，其中包括用户程序对操作系统的服务调用【5 】【“。 2 1 3 2l 伽t a l k 协议 l o n w 0 r k s 技术所使用的通信协议称为h n t a l k 协议。 l o n r i 址k 协议遵循由国际标准化组织( i s o ) 定义的开放系统互连 ( o s i ) 模型。它提供了o s i 参考模型所定义的全部七层服务， 支持灵活寻址。表2 1 给出了对应七层o s i 参考模型的l o n t a l k 协议为每层提供的服务【7 l o 表2 1 h i r r a l k 协议层 o s i 层目的提供的服务 7 应用层应用兼容性l o n m a r k 对象，配置特性标准网络变量类型， 文件传输 6 表示层数据翻译网络变量，应用消息，外米帧传输，网络接口 5 会话层远程操作请求响应，鉴别，网络服务 4 传输层端端的可靠传输应答消息，非应答消息，双重检查，通_ f j 排序 3 网络层传输分组点对点寻址，多点之间广播式寻址，路由消息 2 链u c 子层帧结构帧结构，数据解码，c r c 错误检查 路层m a c 子层介质访问p 坚持c s m a ，冲突避免，优先级，冲突检测 i 物理层物理连接介质，电气接口 2 1 2 3l o n w o r k s 系统开发工具 k m b u i l d e r 开发工具包括开发l o n 节点和l o n 网络测试样 机所需的所有工具和部件【8 。 l d n b u i l d e r 开发平台包括l d n b u j l d e r 开发工具、i d n m a n a g e r d d e 服务器、单通道p c l 0 n t a l k 适配器p c i 肽。 l 0 n b u i l d e r 开发工具的主要特点如下【9 】： 用一条指令在大量的节点上编译连接和加载应用程序。 用h n b u i l d e r 网络管理器将节点集成到网络上，即在丌发过 程中安装网络，使应用程序的网络化开发如同运行在单个节点上 北京交通大学硕士学位论文 的应用程序一样简单。 用l 0 n b u i l d e r 协议分析器件是和分析网络通信，将简化应用 程序的网络化测试 用l 0 n b u i l d e r 多用途i o 包在不同的i 0 设备上测试n e u mc 应用程序，这样不使用用户硬件便可进行l o n w o r k s 应用程序的 实验和测试。 用l o n b u 湖e f 路由器和收发器与外部网络上的用户节点进行 通讯，提供测试网络操作的真实环境。 开发工具包括l o n m 卸a g e rd d e 服务器，使得h n w o r k s 网 络上增加基于w i n d o w s 的图表化用户界面变得容易。 l o n w o r k sn o d e b u 丑d e r 开发工具包括一套开发l 0 w o r k s 设备的工具，这些工具包括一整套基于w i n d o w s 的设备开发软 件，一个p c 接口卡，一个i 脚w o r k s 节点测试样机和两个l o l l w o r k s 收发器，用它们可以开发检测i j 0 n w o r k s 设备。n o d e b u i l d e r 开发 工具是l o n b u i l d e r 平台极好的配套设备。 n o d e b u i l d e r 的主要特点如下： 用n e u mc 中的组网和实时嵌入式扩展语句，简化了控制网 络的应用开发，缩短了丌发程序的时问【：1 0 】。 自动生成可互操作的n e u r oc 源代码模板和设备定义。 在l 0 w o r k s 设备上用一条指令完成n e u i oc 应用程序的编 译、连接和加载，提供了一次成功的n e u r oc 应用程序的建立和 加载，提高生产性能【1 1 】。 集成化的n e u mc 调试器，运行时提供n e u mc 应用程序的 源级显示。 集成化的网络变量阅览其，运行时提供l o n w o r k s 应用程序 第二章系统总体分析设计 的网络显示，简化了对b n o r k s 设备的测试和其互操作性的验证。 l d n m a n a g e rd d e 服务器，提供有周全的帮助和开发生产的 联机参考【1 2 l 【1 3 】。 2 1 3 采用l o n w o r k s 的技术可行性 同现有的各种现场总线相比，l o n w o r k s 网络完全满足了未来 发展对列车机车控制网络系统的要求。 开放性：网络协议必须是开放的，并且对任何用户都是平等 的 互操作性：网络协议需要完整到任何制造的产品都可以实现 互操作 通信媒介：为了满足未来的列车机车通讯，应该可用任何传 输媒介进行通信，包括双绞线，电力线，光线，同轴电缆，无线 电波和红外光波，并且多种媒介应该在同网络中混合使用 网络结构：应该能够使用现有的网络结构，如主从式、对等 式、c s 模式等 网络拓扑：应该不受总线型网络拓扑结构单一形式的限制， 用户可以任意选择网络拓扑结构 较之目前流行的现场总线，如f f 、c a n 等，都达不到上 述要求，而l 0 n ，o r k s 网络却可以完全满足上述要求。另外， l o n w o r k s 支持垂询、更新自动发送、定时发送等多种网络数 据的访问方式，并有非确认、非确认重复、确认和请求响应等服 务方式，可设定优先级发送，因而可根据需要定做实现最佳的系 统响应。 从目前国内外机车控制总线发展的情况来看，l d n w o r k s 技术 已经成为i e e e 的t c n 标准，并在美国、日本等投入实际运营。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 综上所述，采用l o n w o r k s 技术实现机车的控制是可行的。 2 2 关于采用g p r s 公网进行无线数据传输的研究 2 2 1 各种无线数据传输方式的比较 2 2 1 1g s m 与g p r s g p r s ( g e n e r a jp 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，是第二代移动通信技术g s m ( g 】o b a ls y s t e mf orm 。b j l e c 。 m m u n i c a t i o n s ) 向第三代移动通信( 3 g ) 过渡的中间技术，是在g s m 系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它的基本 功能是在移动终端和i t e m e t 网络的路由器之间传输分组数据。 在不断完善的过程中，其核心网络部分也己经作为第三代移动通 信w c d m a 规范中分组域的重要基础【1 7 l 。 与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点在于引入了分 组交换能力，具有数据传输速率高、一直在线和费用低等特点。 g p r s 是g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现 有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率。g p r s 采用与g s m 相同 的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相 同的t d m a 帧结构1 1 6 】。因此，在g s m 系统的基础上构建 g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改 动，只需作软件升级。 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供 无线分组数据接入服务。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据 网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从 而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。 g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定 2 0 第二章系统总体分析设计 的信道资源。如果把空中接口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用 来传送数据，那么数据速率最高可达1 6 4 k b s g s m 空中接口的 信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业务占用。当 然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信 道。 最初的g s m 数据业务是基于电路交换的数据业务，提供 9 6 k b p s 的接入速率，这也是目前网上设备都支持的一种业务。此 后出现了基于s m s 的数据业务，实现小数据量业务的i i l t e r n e t 接入、收发e m a 凡等业务。g s m 电路型数据业务的最近进展 就是h s c s d ( 高速电路型数据业务) ，它提供多个时隙的捆绑能 力，支持上行和下行非对称的资源分配，提供最高5 7 6 k b p s 的 接入速率。由于电路交换的固有特点，使得在提供g s m 数据业 务时具有资源利用率低、使用成本高等不可避免的问题，这也是 分组移动数据业务出现的原因【。 g p r s 是g s mp h a s e2 + 阶段引入的一种基于分组的数据业 务，它能够实现从室中接口到外部网络之问的分组数据传输， g p r s 可以接入基于t c p ，i p 的外部网络和x 2 5 网络。g p r s 的主要特点是：g p r s 向用户提供从9 k b p s 到多于1 7 1 2 k b p s 的 接入速率。更为有效地利用无线资源可动态地向单个用户分配位 于同一载频上的1 到8 个时隙。无线接口资源可根据业务流量 和运营者的选择在语音和数据业务之间共享。g p r s 支持上行和 下行的非对称传输更为有效地实现和i p 网络的互通。g p r s 从 协议结构上提供了和i p 网络的互通功能。另外g p r s 可以更为 便捷地实现和x 2 5 网络的互通。g p r s 能向用户提供i n t e m e t 所能提供的一切功能，g p r s 对于l i l t e r n e t 的其它组成部分来 北京交通大学硕上学位论文 说，只是一个普通的子网。用户在拥有一个电话号码的同时将拥 有一个固定的或动态分配的l p 地址。g p i 峪用户的建立时间更 短。g p r s 运行者可以将用户的业务流量作为收费标准。g p r s 向 用户提供比g s m 数据业务更为丰富的数据业务( 还包括补充业 务和短消息业务1 ，支持四种q o s 。 g p r s 在g s m 原有网络的基础上叠加了一层网络组成 g s m ，g p r s 网络，g p r s 在g s m 网络的基础上增加了s g s n 、 g g s n 、p c u 、计费网关( 可选) 、边缘网关( 可选) 等实体，同时通 过g p r s 骨干网实现各实体之间的连接i 捌。 图2 - 3 g p r s 传输不意图 g p r s 系统为广泛的数据业务提供了有效的支持。在目前迫 切需要大容量网络服务来支持快速高容量的数据传输的情况下， 投资g p r s 系统可以使网络运营者在向u m t s 过渡时，保护好 已有的投资。g p r s 系统可以提供每秒高达1 7 1 2 k b 的理论数据 传输率，而更具实际意义的是它将“分组交换”这一新的用户数据 传输概念引入g s m 领域。 g p r s 利用分组技术，传输高速数据、低速数据和信令，使 网络资源和无线频谱资源得到更好的利用。 定义了新的g p r s 无线信道，并更加灵活地分配这些信道。 第二章系统总体分析设计 每个丁d m a 帧被分1 8 个时隙，这些时隙可被所有用户共享， 且上行和下行信道分离。并且利用所定义的不同编码方式，可以 给用户提供比特率在9 1 7 0 k b p s 之问的数据传输。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互连互通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特 殊应用，如远程信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能 支持偶尔的大量数据的传输。它采用四种信道编码方案以支持不 同的数据传输速率 g p r s 能在o 5 s 一1s 之内恢复数据的重新传输，并按流量计费。 3 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网二升级，可充分利用全国范围的电 信网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接 入网络的部署。 4 传输速率高 g p r s 的数据传输速度可达到5 7 6 k b p s ，最高可达到 1 1 5 k b p s 1 7 0 k b p s ，是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前 g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务 的速度甚至呵以达到3 8 4 k b p s 。这意味着在数年内，g p r s 用户能 和l s d n 用户一样快速地上网浏览，同时也使些对传输速率敏 感的移动多媒体应用成为可能。目前中国移动建成的g p r s 网络， 用户接入速度大概在3 4 k b p s 一4 0 k b p s ，支持的理论上最高速率为 1 7 1 2 k b d s 【2 0 l 。 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 2c d m a c d m a 又称为码分多址，由美国高通公司最先开发出来，是 为现代移动通信网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。在1 9 9 9 年1 1 月，国际电联n u f i n t e m a t i 。n a l l c l e c 。m m u n j c a t j 。n u n i 。 n ) 最终确定了第三代移动通信系统州 2 0 0 0 ( i n t e m a t i 。n a lm 。 b j l e t e l e c 。m m u n i c a i j 。n 2 0 0 标准。它由两个部分组成：核心网 c n ( c 。r en e 佃o r k ) 和无线接入网鼬( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ) ，无 线接入主流技术采用宽带c d m a ( c 。d e d j v i s i 。nm u l t i p l e a c c e s s ) 技术，支持包括语音、数据、图像及多媒体等数据速率高达2 m b p s 的综合业务【1 9 】。 c d m a 原理：采用扩频技术，多址接入的实现是通过给每个 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 码。此码字用来将用户的信号转换成宽带扩频信号。接收机使用 相同伪随机码再将此宽带信号转换成原始带宽信号，而其他用户 的宽带信号仍保持宽带信号。在此过程中，叮能产生的窄带干扰 也会被抑制。 宽带c d m a 技术是第三代移动通信的发展方向和潮流，为迎 合这种通信潮流，各大电信公司和组织向国际电信联盟u 提交 了多种标准。其中以中国的t d s c d m a 、爱立信为首的欧洲 w c d m a 和美国高通公司的c d m a 2 0 0 0 三个标准是最有优势的 标准，都有可能成为未来第三代移动通信系统的主流标准，主宰 未来的移动市场。考虑目前中国联通使用3 g 网络技术是 c d m a 2 0 0 啦lx ，而其余技术网络在中国还未建成。 第二章系统总体分析设计 2 2 2 采用g p r s 的可行性研究 2 2 2 1g s m ，g p r s 和c 肼雌数据传输技术比较 以上介绍了当前蜂窝移动数据传输的三种技术。目前的车载 终端的数据传输主要是以g s m 技术发送短信的方式来实现数据 的传输，因此如果要求数据的实时传输，就必将发送大量的短信， 累计起来的运营费用相当惊人。另外以短消息方式传输的智能交 通终端产品由于通讯方式的限制，存在着不可逾越的缺陷，主要 表现在： 通讯时延：短信通讯时问短则数秒，长则数分钟，不能满足 实时性要求高的应用要求，必须辅助d t mf 语音信道； 单次通讯数据量受限制：受短消息通讯机制的限制，一条短 信有效数据载荷只有1 6 0 个字节左右，这在要求大数据量传输的 系统应用中很不利； 短信通道堵塞延迟问题：在通讯高峰时段，短信信道堵塞将 会造成延迟甚至信息丢失； 中心建设较复杂：车辆监控运营中心必须与无线运营商签订 通过专线特服号收发短信协议，并且要负担d d n 专线的设备和 月租费用，从而增加中心建设的复杂性和成本。 以上短消息终端系统所存在的问题在g p r s 终端应用系统中 将不复存在，在终端成本与短消息终端基本一样的情况下，利用 无线互联网机制进行数据传输的g p r s 网络在实时性、流量、资 费方面都有很大的优势，而g p r s 系统中心的建设也变得非常简 单，只需a d s l 上互联网即可。 在第三代移动通信系统中，c d m a 领域还没有形成一个完整 北京交通： i = 学硕上学位论文 的分组网络标准体系。尽管，在t s 9 5 b 中己经可以支持分组业务， 但没有统一的标准。c d m a 2 0 0 0 系统的关键技术进步之一是分组 网络，从这个角度来说，c d m a 一1x 系统也仅仅于g p r s 相当， 也就是说目前的c d m a _ 1x 为什么被有些人称为2 7 5 6 系统。而 且当前g p r s 技术已很成熟，网络覆盖完全。目前，国内只有中 国联通建立了3 g 网络，采用c d m a 2 0 0 0 1x 技术。就像g p r s 开始在g s m 网引入分组数据业务一样，c d m a 2 0 0 0 1x 为c d m a 网引入了分组数据业务，所以确切地说，它还不能称为3 g ，这也 就是联通为什么称它为c d m a 1x 。因而论文选择g p r s 作为! t s 蜂窝数据传输技术。而且，只要在、发计中，考虑今后网络升级问 题，也就便于以后终端升级为传输速率更高的c d m a 网络终端。 2 2 2 2g d r s 网络对系统存在的影响 在本系统中，由于需要传输的是频繁的、小量的数据，即使 是大数据量的传送，也是临时性的，因此采用g p r s 作为无线数 据传输的手段，能够较好的满足系统的需求。但是由于采用的是 公共网络，其存在的一些弊端不可避免的会对系统存在一定的影 响。 g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点，g s n 具有移动路由 管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄存器，完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转 换。g s n 有两种类型：一种为s g s n ( s e i n gg s n ，服务g s n ) ， 另一种为g g s n ( g a t e w a vg s n ，网关g s n ) ，s g s n 的主要作用 是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和g g s n 之间 完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它 第二章系统总体分析设计 可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和l 气n 等。 有的文献中，把g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数 据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。g p r s 工作时，是通过 路由管理来进行寻址和建立数据连接的，而g p r s 的路由管理表 现在以下3 个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接 收数据的路由建立；以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况，当移动终端产生了一个p d u ( 分组数据单元) ， 这个p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过 l l c 层处理为l l c 郑通过空中接口送到g s m 网络中移动终端所 处的s g s n 。s g s n 把数据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进 行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并 保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处 理。在第二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动终端 时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。 数据网用户发出的数据单元( 如p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好 的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移 动终端所在的s g s n 上g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再 经过l l c 层处理为l l c 帧单元，最终通过空中接口送给移动终 端。第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移 动用户。这种情况下的数据传送必须要经过归属地的g g s n ，然 后送到移动用户a 。 目前网络支持c s 2 编码，r l c 层每信道速率1 3 4 k b p s ，应用 层速率约1 2 k b p s 。目前手机一般是c l a s s4 等级，即“3 + 1 ”，下 2 7 北京交通大学硕士学位论文 行速率可达3 6 k b p s 。无线上网卡一般是c l a s s1 0 或c l a s s1 2 ， 捆绑4 个信道，速率可达4 8 k b p s 。基站小区中，可以设置最多8 个固定数据信道( 专做数据用) ，动态信道( 用完即释放) 则视载 频容量而定。如某小区信道有4 5 个，一般话音占用1 0 个，则剩 余3 5 个信道可用。移动服务提供商不可能把语音信道空闲之后的 所有信道分配给某一个用户使用。而且g p r s 业务属分组业务， 用户仅在数据传输时才占用信道，同时小区的每信道最多达8 个 用户复用，司1 以充分保证大量用户同时在线。因此，从这一点上 来看，g p f s 在大量用户使用的时候，存在信道争用的问题。 另外还有网络质量的问题。作为采用电磁波为载体的无线通 信网络，不可避免的会受到干扰，这种干扰包括对终端设备的干 扰、基站的干扰等，这些都会造成g p s 网络的质量下降，在严重 时有可能造成网络中断，也就是我们常说的掉线。 g d r s 虽然存在以上问题，但是对系统的影响并非致命的，而 且通过其它技术手段，可以将以上问题的影响减小到最少。 2 3g p s 简介 全球定位系统( g p s - g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国研制并 建立的新一代以卫星为基础的星基无线电导航定位系统，具有全 球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。整个 系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备等3 大部分。 g p s 卫星星座的基本参数为卫星数2 1 + 3 ，即2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星。卫星轨道面的个数为6 个，卫星高度为 2 0 2 0 0 k m ，轨道倾角为5 5 0 ，卫星运行周期为1 1 h 5 8 m i n ，载波频 第= 章系统总体分析设计 率为1 5 7 5 4 2 m h z 和1 2 2 7 6 0 m z 。卫星通过天顶时，卫星可见时 间为5 b ，在地球表面上任何地点任何时间，高度角在1 5 0 以二七时， 平均可同时观测到6 颗卫星，最多可达9 颗。其全球连续覆盖性 和很强的抗干扰能力等优点使它在车辆导航的定位中占有首要地 位，并是整个车辆定位导航系统的核心技术。 g p s 的工作原理是：有三颗卫星，分别以每颗卫星所在位置 为球心，以卫星到用户的距离为半径，作三个球面，三球面的交 点就是用户的位罱。用户接收发自卫星的信号并测量接收时刻相 对卫星发出信号时刻的延迟，时间延迟乘以信号传播的谏度就得 到卫星至用户的距离。用户必须装备与卫星相同精度的原子钟才 能精确测出它们之问的位置。如果同时有四颗卫星的话，那么就 不需要装备原子钟。不仅可以精确定位，还可以估计出用户的时 钟偏差。 2 4 系统方案原则 对于实现整个机车控制的系统来说，系统需要完成各种各样 的功能，在一个节点完成所有功能是不可能的，但是，受到系统 资源、网络带宽和可靠性方面的限制，节点不宜太多，因此应遵 循一定的原则来设计节点，达到系统最优。 2 4 1 可靠性原则 在工业应用中，可靠性是一个系统在设计的过程中首先要考 虑的问题。 2 4 2 节点标准化原则 北京交通大学硕士学位论文 根据n e u r o n 芯片的处理能力和系统控制的需要，将节点按硬 件接口的不同类型( d i 、d o 、灿、a o 、f i 、p w m 等) 进行搭 配，组合出适应性广，易于标准化的节点。使之适合于不同的应 用。 2 4 - 3 功能模块化原则 将系统按功能划分，尽量将同一个功能或相近的功能放在一 个或几个节点内完成，并采用尽量少的节点，这样可以减少节点 之间的数据传递，节省网络带宽。同时这也使得一些具有通用性 的功能模块可以迅速的移植到其它系统中。 2 4 4 网上数据量最少原则 尽量将具有数据关系的应用功能放在一个节点中，按照该原 则实现则可以将网络上的通信量降到最少，这样可降低通信冲突 的概率，提高通信效率和通信可靠性。 2 4 5 分布式安装原则 为发挥网络的优势，可以将节点安装在与检测和控制点较近 的地方，这样可减少信号的长线传输，提高系统可靠性。设计出 来的系统是采用全分布的安装方式，因而称之为分布式安装原则。 2 - 4 6 选用原则时的权衡 以上五个原则是节点设计时要遵循的，但是对于不同的应用 会有不同的侧重。同时为保证控制系统能够方便的在不同车型上 移植使用，节点标准化原则和功能模块化原则都是要遵循的，而 为保证通信响应的实时性，减轻网络负载，则要遵循网上数据最 少原则。而分布式安装原则的采用则要在能够很好的解决系统的 电磁兼容性和安装方式后方可采用。因为系统在集中安装时更容 易解决系统的电磁兼容性问题。但是无论什么样的应用，可靠性 第二章系统总体分析设计 是系统首先要保证的。 2 5 系统方案 经过以上分析，将整个系统设计分为车载终端和地面监控中 心两部分。 系统以采用l o n w o r k s 的列车通信网为基础，在车载部分的 传输过程中，通过车上的l o n w o r k s 网络进行信息的传递；在车 载部分与地面部分的通信过程中，基于g p r s 通用分组无线业务， 将机车与远程地面控制中心相联系。g p s 全球定位系统采集机车 的位置信息，包括经度、纬度、海拔、速度等，通过l o n 网显示 在机车显示屏上，并将这些信息通过g p r s 无线传输到地面控制 中心；根据需要将机车运行参数，包括轴温、油压、主辐发电机 电压等以及故障信息，也实时传送到地面控制中心；地面控制中 心将数据和控制指令通过g p r s 发送到机车主机，并将采集到的 机车运行数据经过处理后转储到数据库中，有待于对机车的运行 状况进行分析、备查( 并向经过认证的用户开放，在权限允许的 范围内对数据库中的数据进行查询) ，在机车发生严重故障时及时 通过短信等通讯手段通知到相关技术人员，并将收到的g p s 信息 实时显示到电子地图上，直观的显示出机车当前的位置信息以及 运行轨迹。 车载终端的详细设计见第三章，地面监控中心的详细设计见 第四章。 车载终端的研究 第三章车载终端的研究 3 1 概述 车载终端有四个模块组