（车辆工程专业论文）铁路客车安全信息远程监控系统设计与研发.pdf

北京交通火学_ 程硕士专业学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：经过五次大提速后，目d 口我国铁路干线旅客列车运营最高速度已达1 6 0 k m m ， 今年还即将开行2 0 0 1 ( i r l h 高速动车组。为保障行车安全，必须对关系到客车与发 电车安全运行的关键要素一轴温和发电车运行状态的信息进行实时远程监控。本 文的“铁路客车安全信息远程监控系统”就是应此需求而研发的。 该系统由安装在客车上的车载无线远程数据传控器、发电车上的适配器、地 面上的基站无线收发器和基站控制计算机系统等硬件以及编制、采用的相应软件 构成，适用于w i n d o w 9 8 、2 0 0 0 和x p 系统环境。 通过在室内搭建该系统进行技术可行性试验，随之研制出该系统样机，进行 实车运行试验。在整个研制过程中依靠采用、集成现有技术和自主创新，解决了 五个关键技术：信息传输的编解码技术；短信及内容的压缩解码技术( 自创 z z p r e s s 一1 短信内容压缩编码方式) ；短信设备的收发控制技术：轴温传输的采 集调理电路；短信息到数据库归类、统计分析与显示技术等五个关键技术。 该系统产品实现了在国内g s m 网络覆盏范围内的铁路客车全车轴温、发电车 油位、水位、烟火和巡检开关等数据的采集分析，实时传输、记录、分析和统计 打印等功能：可对旅客列车信息实现2 4 小时不间断的定时遥测、门限值报警遥测 和遥控即时测试，其远程传输采用压缩解码技术；地面基站控制中心可随时查询、 图示、打印任意车厢和任意轴位轴温在任意时间段的变化曲线和统计数字；查阅、 图示、打印任意发电车的任意时间段的油量、水量、烟火和巡检开关状态。这些 功能的实现，将旅客列车运行安全保障系统提升到一个新高度。该系统产品经过 国家和行业的检测单位检测，各项指标合格。目前该系统产品已随车总计运用了 4 6 0 万公里，用户反应良好，取得了很好的社会经济效益，填补了我国铁路系统这 个领域的空白。 关键词：客车：发电车；轴温探测：远程监控；无线数据传输 分类号： 北京交通大学：【= 程硕： ：专业学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s i r a c i ： a r e rt h es p e e di n c r e a s e di nn v es t e p s ，t h eh i g h e s tn l n n i n gs p e e do ft h ep a s s e n g e r c a ri nc h i n e s em a i nr a i l w a yl i n e sh a sg o t t e nt ol6 0 k m ia n dt h eh i g hs p e e dt m i ne m h i n2 0 0i 耐hw i l lb ei no p e r a t i o n i no r d e rt oe n s u r et h cm n n i n gs a f e t y ，t h ei n f o r n l a t i o n i n c l u d i n gh o ta x l ea n dt h eo p e r a t i o no fg e n e r a t o rc a rw h i c hi sr e l a t i v et ot h es a f e t yo f p a s s e n g e r c a ra n dg e n e r a t o rc a rb em o n i t o r e dr e m o t e l yi nt i m e t h es y s t e mi sm a d eu po fh a r d w a r es u c ha so n b o a r dw i r e l e s sr e m o t ed a t a c o n n d l l e r0 np a s s e n g e rc a r a d 印t e ro ng e n e r a t o rc a r b a s e - s t a t i o nw i r c l e s st r a l ：1 s c e i v e r a i l dc o n t r 0 1 1 e dc o m p u t e rs y s t e mo ng m u n da n ds o f 研a r cc o m p i l e dw h i c hs u i tw i n d o w s 9 8 ，2 0 0 0a n dw i n d o w sx ps y s t 锄 a r e rt h es y s t e mh a se x p e r i e n c e dt h et e c l l i l i c a lf e a s i b i l i t yt e s t ，m em o d e lm a c h i n e h a sb e e nd e v e l o p e da n dt h et e s to nl i n ew a sc 删e do u t b a s e do na d o p t i n ga n d i n t e 孕a t i n ge x i s t i n gt e c h n o l o g ya n di n d 印e n d e n ti n n o v a t i o n ，f i v ek e yt e c h n o l o 百e sh a v e b e e ns o l v e d t h o s ea r ea sf o l l o w s t h ee n c o d ea i l dd e c o d et e c h n o l o g yi ni n f o 肌a t i o n t r a n s m i s s i o n ；t h ec o m p r e s s e dd e c o d et e c h n o i o g yi ns m s ( c r e a t i n gz z p r e s s ld e c o d e s t y i c ) ；s e n d i n ga n dr e c e i v i n g c o n t r 0 1 t e c l l i l 0 1 0 9 yo fs h o nm e s s a g ee q u i p m e n t s ； c o l l e c t i n ga 1 1 dt 【l n i n gc i r c u i to f h o t a x l et r a n s l a t i o n ；c l a s s 讯c a t i o n ，s t a t i s t i ca 1 1 a l y s i sa n d v g a t e c h n 0 1 0 9 yi ns m sd a t a b a s e t h es y s t e mh a sr e a l i z e dm a n yf h n c t i o n ss u c ha sd a t ac 0 1 l e c t i o na 1 1 da n a l y s i s ， t m n s l a t i o n ，r e c o r da n ds t a t i s t i cp r i m i n gi nt i m e ，w h i c hr e f e rt ot l l ep a s s e n g e r c a rh o ta ) ( 1 e ， o i li e v e l ，w a t e rl e v e l ，s m o k e ，f i r ea i l di n s p e c t i o ns w i t c hi ng e n e r a t o rc a lb e s i d e s ，i tc a n r e a l i z et h ec o n t i n u a lr e m o t ei n s p e c t i o ni n2 4h o u r s ，w a m i n gr e m o t ei n s p e c t i o na n d r e m o t ec o m r 0 1t e s tt i m e l yt 0p a s s e n g e rc a ri n f o m a t i o ns y s t e m ，u s i n gc o m p r e s s e d d e c o d et e c l l l l 0 1 0 9 yi nr e m o t et r a n s i a t i o n t h r o u 曲t h eb a s es t a t i o nc o n t r d lc e n t e r t h e v 撕e dc u r v ea n ds t a t i s t i cd a t ao fa n yc 删a g ea n da x l et e m p e r a t u r ec a nb es e a r c h e d ， d i s p l a y e da n dp r i m e da ta j l yt i m e a dt h es i t u a t i o no f o i i1 e v e l ，w a c e rl e v e l ，s m o k ea n d f i r ea n di n s p e c t i o ns w i t c hi ng e n e m t o rc a rc a nb er e a d ，d i s p l a y e da n dp d n t e da ta n y p 酣o d s u c hf u n c t i o n sa b o v ei m p r o v et h er u n n i n gs a f e t ys y s t e mo fp a s s e n g e rc a rt oa n e wl e v e l t h es y s t 锄p r o d u c t sh a v ep a s s e dt h r o u g ht h ei n s p e c t i o nf b mn a t i o n a l i n s p e c t i o nd 印a n m e m sa n de n t e r p r i s e ，a n da l li n d e xw e r es a t i s 聊n g t o d a y t h es y s t e m h a so p e r a t e di n4 ，6 0 0 ，o o o k mo nc a r s ，w i t hg o o df e e d b a c k 肋mc u s t o m s nn o to n l y i v 北京交通大学：l 稃硕士专业学位论文 a b s t r a c t b r i n g st h ee c o n o m yi n c o m eb u ta l s o 矗l l su pt h eb l a n ki nt h i sn e l di nr a i l w a ys y s t e m k e y 、，0 r d s ：p a s s e n g e rc a r ：g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yc a r ：h o t a x l ed e t e c t o r ：r e m o t e c o n t r o l ：w i r e i e s sd a t a1 r a n s m i s s i o n c l a s s n o ： v 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：徐铀导师签名夕套罗芬 签字日期：。叩年年月，工日签字目期：文一7 年乒月伊日 北京交通大学i ：徉硕士专业学位论文致谢 致谢 本论文是在北京交通大学李强教授和青岛铁路分局仇佩信高工的悉心指导下 完成的，在硕士论文的研究和撰写过程中，他们给予我大量指导和帮助，并花费 了许多宝贵精力和时l 日j 进行评阅和修改，使我在学识上有了很大的提高，也培养 了我独立思考和研究课题的能力。两位导师兢兢业业的工作精神、严谨的治学态 度、诲人不倦的品德使我受益匪浅。在本论文完成之际，向辛勤培育我的李强教 授和仇佩信高工表示崇高的敬意和衷心的感谢。 在论文的完成过程中，还得到了孙守光教授、缪龙秀教授、谢基龙教授、刘 志明教授、王文静博士等的关心和指导，他们对本文的论文工作提出了许多有建 设性的意见和建议，使本人受益匪浅。在此谨向他们表示衷心的感谢。 此外，本人还得到了研究室其他同学的帮助，在此也向他们表示诚挚的感谢。 北京交通大学：c 程硕士专业学位论文 绪论 1 1 研究的目的与意义 1 绪论 经过五次提高旅客列车的运行速度后，目前我国铁路客车的平均运营最高时 速已达到1 6 0 公里，今年还即将开行2 0 0 k h l 1 1 高速动车组。随着客车运行速度的 提高，车轴轴颈温度平均值越来越高。在客车运行中，当其轴温增高到一定限度 后，则会引起“燃轴”和断轴重大安全事故。为此，目前在铁道线路边安装了地面红 外线轴温探测系统，在客车乘务室安装了集控轴温报警系统，它们具有监测轴温 的功能，解决了列车轴温在地面和车上的多点监控问题，但不足之处是前者只能 实现不连续的点状检测，后者轴温报警信号的发现则要依赖车辆乘务员循环检测 的密度和责任心，人为因素影响较大。 此外，为提高旅客列车的舒适度，大批新型空调列车投入使用，使用电量大 大增加，于是在旅客列车编组中增加了发电车，实行集中供电。为保障发电车安 全运行，除监控其轴温外，还要对其运行状态( 油箱的油量，冷却水箱水量，烟 火报警信号等) 进行监控。空调发电车上一般配备3 台柴油发电机组，机组的运 转有许多数据需要监控。目前我国的空调发电车运行状态仍采用传统的监控方法。 在空调发电车控制屏上安装了许多仪表、开关、按钮，用于这些数据的监控。柴 油发电机组运行时，有3 0 多个数据需要监控和纪录。按规定发电车运行时每隔1 h 要纪录1 次数据，按每次列车单程运行时间1 2 1 3 h 计算，则一个往返需要纪录 近7 0 0 个数据。人工读取和纪录如此多的数据经常发生差错，加上柴油发电机组 的起动、停机、负载、供电有复杂的程序和要求，操作繁琐不易掌握，时有因为 人为因素造成机组不能正常运转，影响列车正常供电。如何消除人为因素的影响， 减轻操作人员劳动强度，也是亟待解决的问题。 因此，多年来技术管理部门一直在推动研究开发针对旅客列车( 包括发电车) 运行安全的关键因素轴温和发电车运行状态等安全信息远程监控系统。该系 统应可实现车对地，地对车的远程、自动、连续的信息采集、传输、统计分析、 自动报警和实时记录；可自动实时提醒车辆有关人员，实现对关键安全点的多层 次监督。并且不仅要求其监控连续、可靠、报警实时，而且还要求其运行费用比 较低。本人应此要求，在济南铁路局科委立项资助下，主持开展了“铁路客车安全 信息远程监控系统”的研发。 北京交通大学工稃硕：f ：专业学f 迁论文 1 2 国内外研究基本现状与分析 保障列车运营安全性是铁路客运的首要问题，足技术与管理工作中永恒主题， 它是个系统工程。本文所研发的“铁路客车安全信息远程监控系统”就足该系统 工程中的一个子系统。总体上来看我国在这方面落后于国外发达园家，尚处于初 级阶段。但近些年来，特别足全国铁路客运五次大提速后需要的迫切，使这个子 系统的研究工作日趋活跃。 1 2 1 国内现状 目前我国铁路对旅客列车及车辆设备运行状态进行监控的主要方式有： a 地面检测：在铁路沿线按照规定的距离设置红外线温度监测报警装置，对所 有过往车辆的轴箱温度进行检测和监控，以防“燃轴”、断轴【l 】。 b 车载跟踪监测：列车的每辆客车上安装一台轴温报警器，对该辆客车轴温进 行监测。经过长期不断改进，现在又增设了主机集中监测报警和轴温记录打印的 功能，使轴温报警系统具有一定的记忆功能【2 】。 c 火灾报警：主要监控发电车机器间，油箱的运行状态，设置了烟火报警探头， 防止发生火灾。 d 人工监视仪表：通过人工巡视客车及发电车上各种仪表，记录状态参数，并 作出安全性判断。 1 2 2 国外现状 根据有关资料得知，国外有关列车运行的监测方式大致分为3 种，即：地面 监测、轴温集中报警和列车运行状态工业监视。前两种的功能与我国铁路目前使 用的方式大同小异，而运行状态工业监视系统，则是一种智能化、比较先进的系 统，其功能除对车辆轴箱温度进行跟踪监控外，还能对车辆的关键部位给与监控 和监视，并对数据有记忆和分析功能3 1 。如瑞典的e 卜4 c 型系统结构如下： 各信号 传输系统 信号转 换系统 监测及 分析系统 工业 监视系统 警示 系统 北京交通大学： 程硕：b 专业学位论文 绪论 列车是个运行范围很大的移动体，要实现对其远程监控，必然要采用计算机 监控技术及移动无线通信技术。 计算机监控技术是在2 0 世纪6 0 年代出现的，它是计算机技术与控制技术相 结合的产物，是一门综合技术。1 9 5 8 年美国l o u i s i n a 公司第一个将计算机控制技 术用于电厂的安全监视系统；1 9 6 0 年美国m o n s a n t o 公司第一个将计算机监控技术 用于氨厂的监督控制系统；1 9 6 5 1 9 6 9 年计算机控制进入实用阶段。从1 9 7 0 年开 始，计算机控制技术走向成熟阶段，随着集成技术的发展，计算机微型化，1 9 7 5 年后出现了各种有代表性的系统，如d c s ( d i s t 曲u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、c i m s ( c o m p u t e ri n t e 斟a t e dm a n u f a c t i l r es y s t e m ) 、f m s 、f c s 系统。微机监控技术发展 到今天已经相当成熟，这得益于计算机技术和检测控制技术两者的发展【4 】。微机控 制有许多优点，准确，高效，能实现实时监控，能存储和处理大量的数据。微机 监控技术多用于需要对大量状态数据实时监测和控制的系统，它已被广泛应用于 现代交通、航天、制造加工等行业中。 目前移动通信主要有以下几种： a 集群移动通信方式：系统容量小，电台作用范围小，维护成本高。 b 。d s r c ( 专用短程) 通信方式：需要在路网中设置大量路边单元，成本高。 c g s m 公网方式：覆盖范围大，数据保密性好，可实现自动漫游，系统结构 简单，成本低。 利用g s m 传送数据还有以下两种方式： a 语音调制方式：数据经调制利用g s m 的语音信号传送，但由于按电信语音 通话的费率来计算，系统的运行费用很高。 b g s m 短消息方式：数据利用g s m 的短消息信号传送。该方式每次最多可传 送1 4 0 个a s c i i 字符，这对单位时间数据量不大的车辆定位信息来说已经足够， 但对数据量很大的客车安全信息来说，需要进行压缩解码处理。该方式具有价格 便宜、不受通话影响等优点。 1 3 主要研究内容 本论文重点是研究将旅客列车现有的轴温报警系统、发电车的运行状态检测 系统所提供的有关行车安全的各种信息，通过本文拟研发的“铁路客车安全信息远 程监控系统”实现远程采集、传输、自动报警和实时记录。 其主要研究内容及工作为： ( 1 ) 系统的研究设计 在了解国内外现状的基础上提出铁路客车安全远程监控系统的基本框架：设 北京交通大学：l ：程硕士专业学位论文 绪论 计该系统的硬件与编制系统的软件：采用覆盖全国的中国移动g s m 公网的短消息 信号传输该系统的数据。 ( 2 ) 系统产品研制 首先通过在室内搭建该系统进行可行性试验。通过反复试验、修改完善系统 软、硬件构成，实现所需要的功能。在上述试验基础上研制出产品样机。通过实 地试验进一步完善解决一些关键技术问题。最后将比较定型的产品装车进行实车 试验，并及时解决一些新问题。在上述三阶段试验基础上定制出该系统产品的技 术条件和应执行的国家和行业检测、质量标准。 ( 3 ) 产品检测与装车运行 将小批量生产的该系统产品送交经国家、行业主管部门认定的检测机构，按 产品技术条件和相关的国标( g b ) 和铁标( t b ) 进行严格检测。合格后，将 该系统产品分别安装在驶向我国东北、西北、南方、东南沿海各地域的旅客列车 上，进行实车运行考验，并根据试验结果和用户反映来定型产品。 ( 4 ) 产品的社会、经济效益分析 ( 5 ) 结论 北京交通犬学：i ：稃硕：f ：专业学位论文 系统的研究设计 2 1 系统构成 2 系统的研究设计 系统的基本构成如图2 一l 所示。 口口口口曙口u 口口口口四口u 曙三毫 【蟛礓j 离 。一 。 完成仨口州形式的 皇 1 _ ，- 一 。基站控帛j 计算机车统 完成数据信息采集、存艚 信息收发 、 ，分析柱氯打印等功 ll 广1h 图2 1 铁路客车车辆安全信息远监控系统示意图 2 1 1 系统的硬件构成 在系统硬件构成中，除原有的安装在客车上的轴温报警器( 它对所在客车的8 根车轴和环境温度进行监测) 和装置在一辆客车内的集中式轴温报警器( 它完成 各客车轴温监测器数据采集) 外，增装了车载无线远程数据传控器、基站无线收 发器、基站控制计算机系统和发电车安全信息适配器等装置。各新增装置的功能 如下： a 车载无线远程数据传控器安装在列车上，主要功能为：按照铁道部部颁 集中式轴温报警器接口标准，完成对集中式轴温报警器的数据信息采集，对全车轴 温和发电车的油量、水量、温度、烟浓度和人工监测量进行分析；将所有信息压 缩编成g s m 短信格式，经收发卡发送到基站无线收发器。 北京交通大学：亡稃硕士专业学位论文 系统的研究设计 车载无线远程数据传控器 基站无线收发器 b 基站无线收发器一安装在地面控制基站机房内，它可分别与车载无线远程 数据传控器和基站控制计算机系统进行通讯。其主要功能为：确定车载无线远程 数据传控器身份，接入通信( 对于非预定接收对象，拒绝接入) ：按照g s m 通信 技术要求和s m s 短信息通信方式和规定的压缩格式接受信息1 5 】；根据基站计算机 命令，向确定发送对象发送控制命令。它体积小巧，配合笔记本和p d a 可以方便 地实现移动监测、故障实地监控和处理。 c 基站控制计算机系统安装在地面控制基站机房内，主要功能为： ( 1 ) 通过控制基站无线收发器实现与车载无线远程数据传控器的双向通信； ( 2 ) 对收到的短信数据进行合理化检查，对数据传输过程中可能产生的误码， 造成的不合理的数据。要求小范围大冗余度的重传； ( 3 ) 将接收到的数据按要求存入数据库； ( 4 ) 对接收到的信息进行分析处理，如发现超过限定值，即向值班人员报警， 并转入高密度的故障监控状态。 ( 5 ) 系统还可提供通过大屏幕在调度室显示多列车实时信息状态的功能。 ( 6 ) 系统具有为车辆维修管理人员提供各类统计、分析、查询、打印等计算 机辅助维修的功能。 北京交通大学工程硕：l ：专业学位论文 系统的研究设计 基站控制计算机系统 d 发电车安全信息适配器采集车上三台柴油机冷却 水箱水量，两个油箱油量、烟火报警器报警信号、巡检开关 测试信号，经过调理后提供给车载无线远程数据传控器的模 拟测试口，配合实现对发电车安全信息的遥测。 2 1 2 系统的软件构成1 6 1 1 7 l 9 j 发电车安全信息适配器 为实现上述硬件的功能，采用与开发了相应的软件，包括车载无线远程数据 传控器软件、基站无线收发器软件、基站控制计算机系统软件等。其中收发器软 件与传控器软件配套使用，负责与计算机接口数据的转换及客车轴温，发电车油 位、水位、烟火报警等信息的采集传输，是用户不可见部分。基站控制计算机软 件具备可操作的人机界面。适用于w i n d o w 9 8 、2 0 0 0 和x p 系统环境。各软件主要 北京交通大学工程硕士专业学位论文 系统的研究设计 功能如下： a 车载无线远程数据传控器软件主要功能为：在规定的时间进行周期检测： 对采集的轴温和发电车安全信息进行压缩处理；将压缩处理后的信息转化为加 强短信格式，按照时间或报警门限要求发出。图2 2 足其主框示意图： 图2 2 车载无线远程数据传控器软件主框示意图 b 基站无线收发器软件主要功能为：短信的收发处理和身份确认；专业短信解、 译码；车载无线远程数据传控器与基站控制计算机系统的双向通信。 c 基站控制计算机系统软件主要功能为：对轴温数据短信、发电车数据短信的 实时解压缩，实时显示、归类存储。实现对车载无线远程数据传控器的各类测试 设置和人机控制功能。 d 计算机辅助客车维修软件模块主要功能为：对某车各轴轴温，某发电车的各 北京交通大学：i ：程硕士专业学位论文 系统的研究设计 项监控对象数据按时问段、车厢顺号和车厢出厂号等多条件的查询、打印和绘制 曲线图。 2 2 系统的关键技术研究 由上述铁路客车、发电车安全信息远程监控系统构成中可以看出，它集成了 现有的软、硬件和技术，新开发了一些软、硬件。为实现对系统的功能、经济性 等要求，本论文通过自主研发解决了以下关键技术问题。 2 2 1 信息传输的编解码技术【l 1 1 l 1 1 2 】1 1 3 l 目前已有的利用g s m 技术传输的项目，大多采用了嵌入式p c 机平台，和d l l 动态连接库：选用g s m d a r a 和g s m g p r s 传输方式。其开发周期短，容易成 功，但仅在大城市和繁华地区能传输，而且g s m d a l a 和g p r s 传输方式使用费 用比短信高得多，其覆盖面也远小于短信传输方式的覆盖面。此外，采用嵌入式 p c 机，结构复杂、体积大、离不开系统软件版权的约束和性能不够稳定，对环境 要求高，这些瓶颈问题最终都会成为妨碍产品普及与发展的障碍。 本设计研究一开始就定位在用短信传输方式，因为它的价格最低，覆盖面最 大，应用最广，且其技术在不断的发展，7 0 字的s m s 技术、3 千字的e m s 技术， 可传多媒体内容的m m s 技术不断推出，预示着它有很好的发展前景。 本设计研究采用最新推出的的大容量、多端口、自带硬件狗和使用增强指令 的w 玳b o n d 芯片和汉字液晶显示技术。根据国际g s m3 3 9 、g s m0 3 4 0 的技术 规范和语法要求，把采集的设备信息压缩编发成g s m s m s 短信息格式，同时接 受解译s m s 短信息和系统控制系列码句。产品体积小，运行可靠，单机成本低， 使用免维护，排除了以后使用系统软件版权的干扰。 2 2 2 短信及内容的压缩解码技术【1 4 1 1 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 8 本项目系统建立在遍布全国的g s m 公用无线传输通道和成熟的s m s 短信传 输技术的基础之上，目的是可以充分利用现有的社会通信资源，降低用户的系统 投入成本。但遇到的第一个难题就是短信息编码长度的局眼性。国际s m s 短信内 容编码共有t e x t 、b l o c k 和p d u 三种格式，国内因为汉字传输必须使用p d u 格式， 所以p d u 短信格式在国内得到最大范围地应用。p d u 格式每条短信最大可传输 7 0 个汉字或1 4 0 个英文字符。而本项目系统要求传输的信息量为：2 0 节车厢每节 北京交通大学工程硕士专业学位论文系统的研究设计 9 个2 位十进制数的温度值和发电车安全信息共计近3 8 0 位。虽然把这些信息分成 6 条短信也可以实现传输，但传输成本提高、数据传输用时过长、可靠性降低。 本项目在对原s m s 短信传输内容编码格式进行深入研究的基础上，根据系统 的实际需要，对编码方式进行了大胆的创新，自创了z z p r e s s i 短信内容压缩编码 方式，利用基带及中值差偏的复合编码技术大大提高了数据的有效传输率。采用 新的压缩编码方式后，原来一个轴温需要2 个8 位字节来传输，现在只需要半个8 位字节，有效数据密度提高了4 倍多。数据压缩前，一列2 0 节车厢的客车的完整 信息需要5 6 条短信完成传输，压缩后在不改变公用短信传输格式的情况下，可以 实现在l - 2 条短信内传输，这样既降低了传输成本，又保证了数据的可靠性和保密 性。 2 2 3 短信息设备的收发控制技术【1 6 i i ”l 1 2 0 i 【2 1 根据国际g s m0 7 0 5 、a t - c 0 m a n dv 6 o 的技术规范、语法要求和接口通信 协议，设计接口电路、编制系列指令控制g s m 收发卡硬件实现发送、接受、设置 s m s 短信息的各项控制。 2 2 4 轴温传输的采集调理电路1 4 j 根据铁道部的统一技术要求，轴温信息是通过共用广播线实现全车传输的； 采用调制在1 5 0 k h z 附近的f s k 键控编码方式分组发送各车轴温信息。根据技术 要求设计了对应的信号调理电路，可靠的采集解调轴温等信息，为车载机m p u 提 供轴温原始数据。 2 2 5 短信息到数据库的数据归类、统计分析与显示技术【2 2 旧l 控制中心接收到各列车、不同时间和不同类型的安全信息，为了满足控制中 心的自动监控、报警要求和维修查询、曲线和图形演示的要求，必须对各类信息 进行数据库形式的归档整理，建立不同用途的索引等。利用计算机的数据库信息 技术和图形曲线显示技术进行编程，配合大屏幕显示和打印设计，满足各方面的 要求。 1 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文系统的研究设计 2 3 系统设计的主要技术、质量指标 经过研究测试与运行试验后，确定了系统的主要技术、质量指标。 2 3 1 技术指标 a 供电电压：d c 一4 8 v+ 2 5 3 0 ( 车载部分) a c 一2 2 0 v 士1 5 ( 地面部分) b 通讯方式：s m s 、e m s c 工作频带：上行8 9 0 9 1 5 m h z ，下行9 3 5 9 6 0 m h z ， 频带间隔：2 0 0 k h z 频率问隔：4 5 m h z d i cs “卡：符合国际i s 0 7 8 1 6 e 无线数据传输：9 6 尉s f 工作温度范围： 1 5 + 5 5 2 工作湿度范围： 1 0 一9 0 h 贮藏温度范围：4 0 0 7 0 i 符合t b t 3 0 2 1 2 0 0 1 铁道机车车辆电子装置的环境和电磁兼容等相关 要求 j 坝4 控方式：( 1 ) 定时测试，定时报告( 测试定时2 0 _ 2 0 0 秒可调；报告定时 5 分一1 2 小时可调) ( 2 ) 有轴报故障时，立即报告 ( 3 ) 可远程遥控随时测试、随时报告 k 操作要求： 车载台只要连线正常，就可以全自动工作、免人工操作。 地面基台只要有计算机应用基本操作水平的人员即可。 i 坝4 控内容：旅客列车全编组2 0 节车厢的各轴轴温；发电车：三个水箱水量、 两个油箱油量、烟火报警、巡检开关。 2 3 2 质量指标 该装置适用于列车的工作环境，具有较强的抗震、抗干扰、防腐、防尘及耐高 温、湿热和辐射低的特点。 抗震级别：达到t b 厂r 3 0 2 1 2 0 0 1 铁道机车车辆电予装置的要求。 北京交通大学：f 程硕：b 专业学位论文 系统的研究设计 抗干扰级别：达到国标g b 仃1 7 6 2 6 2 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术静电放 电抗扰度试验、g b t 1 7 6 2 6 3 一1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗 扰度试验、g b 厂r 1 7 6 2 6 4 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰 度试验、g b 厂r 1 7 6 2 6 5 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术浪涌( 冲击) 抗扰度试验、 g b 厂r 1 7 6 2 6 6 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、 g b 9 2 5 4 1 9 9 8 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法中提出的要求。 器材元件级别：其关键器件分别为工业级和军品级。 故障几率：数据传输误码率 3 0 0 0 小时 2 4 小结 铁路客车、发电车安全信息远程监控系统的设计是依托遍布全国的g s m 公用 无线传输通道和成熟的s m s 短信传输技术平台，通过集成与自主研发相结合，解 决系统设计中的关键技术问题，设计了软、硬件结合的监控系统，以解决运行中 客车及发电车安全信息的实时监控、连续记录、自动报警、统计分析和辅助维修 指导等问题。 北京交通大学：i = 程硕士专业学位论文系统的研发 3 系统的研发 将本文第二章中所设计的铁路客车、发电车安全信息远程监控系统研制成一 个能实车运用的产品，经历了技术试验、产品试验、实车综合试验三个阶段。 3 1 技术试验 3 1 1 准备工作 收集行业标准、技术规范，了解现行管理制度；测试线路的信号覆盖率和强 度。确定了产品执行的质量标准为： a 1 1 3 厂r 3 0 2 1 2 0 0 l 铁道机车车辆电子装置 b 国标g b t 1 7 6 2 6 2 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试 验 c 国标g b 厂r 1 7 6 2 6 3 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度 试验 d 国标g b t 1 7 6 2 6 4 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度 试验 e 国标g b 厂r 1 7 6 2 6 5 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术浪涌( 冲击) 抗扰度试验 f 国标g b ，r 1 7 6 2 6 6 1 9 9 8 电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗 扰度试验 2 国标g b 9 2 5 4 1 9 9 8 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法 h c p 0 1 5 39 0 0 m h z ) m a 数字蜂窝移动通信系统设备总技术规范 i q ，j t 3 3 2 - j 2 0 0 4 0 1 2 0 0 4 青岛车辆段的企业标准 3 1 2 产品的主要功能 a 地面远程控制中心主叫g s m 网络覆盖范围内的车载移动监测系统实时回传 记录数据； b 列车运行正常时，回传记录数据( 自动控制和手动控制) ； c 轴温异常时，自动触发即时回传数据和向远程控制中心报警； d 记录数据存储容量不小于3 2 k b ； e 车载无限远程数据传控器定时回传记录数据，其时间| 日j 隔可调； f 在地面远程控制中心可随时查询任一车厢、任一轴温在任一时间段的变化曲 北京交通大学_ 程硕：f ：专业学位论文 系统的研发 线和统计数字。 g 实时遥测记录发电车水箱水量、油箱油量、烟火报警信号、巡检开关等内容。 3 1 3 产品主要构成及技术试验 本产品在技术上依托遍布全国的g s m 公用无线传输通道和成熟的s m s 短信 传输技术平台。硬件部分的无线远程数据传控器、无线收发器中的通信模块和控 制单元是新近的高新技术产品。采用今年新推出的高性能多端口、大内存和自带 硬件m p u 芯片实现车载部分的控制。这样可缩小体积、降低成本和提高可靠性。 基层软件部分采用c 5 1 州n ，高层软件采用s u a l 一b a s i c 6 o 、a c c e s s 2 0 0 0 数据库技 术平台，这都是成熟的技术平台。因此可以说产品的基础技术是成熟、可靠的。 本产品采用汉子液晶显示，为使用者提供更多应用信息。采用压缩传输以降 低使用成本( 列车最大编组2 0 辆时，信息量为2 0 2 0 - 4 0 0 字符，按常规汉字短信 需要4 0 0 7 0 字约6 条短信，真正实车使用时，通信费用太高) 。尤其是利用m p u 芯片而非嵌入式p c 系统机实现对g s m 模块的压缩传输控制，技术比较先进，也 是本产品的创新之点，当然也是产品技术试验的重点。 为了验证产品的技术可行性，在试验室搭建了一个试验系统。通过将近一年 的反复试验，不断改进、解决系统的关键技术问题，实现了系统的主要功能，确 定了相关的技术条件，为试制产品创造了条件。 3 2 产品试验 在上述系统设计与技术试验基础上研制出产品，进行了一系列实车、实地试 验，又重点解决了以下技术问题。 在车载无线远程数据传控器试验的过程中，首先是天线的位置，当放置在车 辆一侧时，发现会影响另一侧对g s m 基站的信号接收。其次是无线必须有足够长 度，但过长的天线又会造成高频信号衰减。由试验数据发现丢失轴温报警信号内 容的现象，分析其时间和位置，主要是因为信号太弱和定时发送的矛盾没有解决 好。虽然中国移动g s m 信号覆盖比较好，但青岛车辆段开行的旅客列车在经过陇 海线西出嘉峪关以西的浩瀚戈壁( 6 小时车程) ，皖赣线黄山和景德镇问的叠翠山 峦，闽赣线延闽江的曲折盘绕时，许多地方g s m 信号几乎是被山谷沟壑分割成缝 隙型或围绕车站方圆几十公里孤岛型。就是平原地区也会因为地处铁矿、时逢通 信高峰、g s m 基站故障或晚间信道减少等原因，造成响应延时或不响应。 针对以上问题，通过实地试验和改进，将天线放在车顶，改用低损耗高频屏 北京交通大学： 挣硕士专业学位论文 系统的研发 蔽线，并限制在一定长度内。另外在程序中特别增加了在发送d 口进行信号强度测 试的功能。当信号低于可靠发送阂值时，连续测试天线信号强度，延缓发送，直 到信号强度足够时再发，实践证明效果很好，基本消除了错报误报的现象。经线 路试验选定一个合适的闽值后，只要列车行驶在盲区不超过一个测试周期的，轴 报信息都可以正常发出并接收到。 试验过程中还发现沿途进入不同的地区会接收到广告短信，这占用车载机的 内存和影响到响应速度，严重的会造成死机。通过在程序中做了屏蔽非客车控制 中心控制码的甄别处理，并把接收短信条数也作为定量清内存的考虑因素，使问 题得到了解决。 此外各地基站对不同地方的手机响应时间长短不一，存在着早发的信息晚收 到，晚发的信息早收到的问题。通过采用按发送时间记录和排队的措施，解决了 这个问题。 产品系统的研发过程中，可靠性指标一直是重点关注的内容。为此，在不周 的传输环节，还分别采取了字节的奇偶交验、帧信息的循环冗余码校验，压缩传 输、非法数据判冗余重传等多种纠错手段。试验证明，数据传输可靠、远距离数 据传输盲点少，自纠错能力强。数据传输的可靠性有保障。 3 3 实车运行综合试验 将该系统安装在济南车辆段的济南一乌鲁木齐列车( 途经京沪线、陇海线、 兰新线三大干线) 、青岛车辆段的青岛福州列车( 途经胶济线、京沪线、陇海线、 符夹线、皖赣线、鹰厦线和外福线) 、徐州车辆段的徐州一哈尔滨列车( 途经京沪 线、京沈线、哈大线) 上，进行大编组、每列车挂1 7 2 0 节车厢、长距离试验， 结果发现发送大数据量时通信费用高的问题。为了实时监控，需要缩短发送周期， 但密集测试发送，又会更大地增加通信费。另外车载无线远程数据传控器按设计 是无人值守、免维护的，停车后的一段时间内还不断的发送轴温报警信息也是一 个不小的浪费。 针对以上应用成本问题，采取了可以自定义正常时的发送间隔( 5 分钟到l 小 时) 和在发送方式上，采用故障发、定时发两种发送形式；轴温正常时，按定时 的间隔发，有轴温报警时，按增加密度的间隔发；轴温比较稳定时，间隔可以人 为地设大一点，轴温须重点监控时，间隔可以设的小一点，以适应不同的监控需 求。 要解决车停报停和车开报开的问题，就必须获得车辆是停是开的状态，但车 上没有安装监测车辆速度的传感装置，经研究通过利用轴温与环温的温差来间接 北京交通大学j = 程硕士专业学位论文 系统的研发 判断车辆的运行和停驶状态。通过分析轴温的测试统计数据得知列车开动后平均 在3 0 5 0 分钟内轴温达到最高值，进入轴温平衡区，列车停下后在l 小时内从快速 冷却进入平缓冷却区。只要平均轴温比环温温差普遍高于一个确定温度就可确定 列车已经开动，则进入定时发报；只要轴温与环温温差低于某个确定温度时就可 确定车已经在折返站或终点站停车了，则停止发报：中途2 3 0 分钟的停车不需停 报，较好的解决了该问题。 采用这些办法，既解决了日常的监控低成本问题，也解决了故障时的高密度 监控问题。以最低的成本实现对安全信息最有效的不间断监测监控。 在软件的技术需求上各个车辆段在试用期间都提出了很多非常有价值的改进 要求，徐州段特别提出要实现即发即回，随时了解车列情况：济南段提出了轴温 图示要实现单轴演示，方便分析。青岛分局提出实现发生轴温报警时同时给车上 乘务人员也发一条报警短信，有助于故障的快速处理。这些技术要求也都己一一 解决。 另外，不同单位不同车型的轴温报警器安装方式不同、发电车的控制方式也 不同，本产品将接线部分做成不同的类型，以适应于几类不同情况。 3 4 小结 通过技术试验、产品试验、实车综合试验，在不断改进、完善该系统的关键 技术问题的同时，又解决了一批通过各阶段试验新出现的大小技术问题和经济性 问题，以及用户提出的新需求，使该系统更为完善，能适应现场各类情况提出的 要求。系统产品进入小批量生产阶段。 北京交通大学：i ：程硕：b 专业学位论文产品检测与装车运_ 【f j 4 产品检测与装车运用 对产品的技术性能指标、电磁兼容性能等分别委托山东省电子产品监督检验 所、铁路电务设备电磁兼容检测中心按本文第2 、3 章所述的产品技术条件及 国家、铁道部有关标准进行了全面的检验。在检测结果全部合格基础上将产品装 车进行运用考验。 4 1 技术性能检验 4 1 1 常温检测 结果如表4 1 所示。