（机械电子工程专业论文）电力机车能耗监测及其管理信息系统的设计.pdf

中文摘要 摘要：“电力机车能耗监测及其管理信息系统”是“电力机车能耗监测与统计 系统”的一个子系统( 地面系统) ，旨在接收电力机车远程能耗监测装置采集的机 车运行动态参数信息，并提供实时的动态追踪查询和分人、分车、分时、分区段 的能耗统计与计量，为研究机车动态能耗与机车运行操纵、机车质量、机车故障 及牵引供电状态等的关系，满足电能统计及管理，指导司机节能操纵提供必要的 数据。 本文论述了“电力机车能耗监测及其管理信息系统”的整体结构设计、系统 的开发环境、系统的功能模块、具体实现方法、可视化图形界面的设计以及基于 o r a c l e 的客户端服务器数据库的设计与管理。 本系统基于客户端服务器软件结构中的胖客户端模式，客户端实现了对机车 运行状况的实时查询和分人、分车、分段、分时间的能耗统计查询。另外，通过 视图、快照等方式，实现了与服务器端数据的同步和增量数据下载，有效减轻了 服务器端的负荷，充分利用了客户端的硬件资源，提高了查询效率。 本文着重介绍了系统与车载远程能耗监测装置的g p r s 数据通讯的实现和相 关的数据格式、通信协议等，并详细介绍了分人、分车、分段、分时能耗统计查 询的算法和相应数据报表的生成。 本系统的基本功能已经全部实现，现在已经在郑州铁路局下属的新乡、洛阳 机务段试运行，取得较为理想的结果。 关键词：电力机车；g p r s ；能耗统计；o 瑚i c k ；客户端服务器 分类号：t p 3 0 2 1 ；u 2 6 4 j b 塞童适太堂亟堂僮盐塞 旦s 卫坠! a b s t r a c t a b s i r a c i ： ”1 1 l cm o i l i t o r i n ga i l dm a r 强g e m e n ti n f o m l a l i o ns y s t c m “l o c o m o t i v e se 1 e c 缸c e 删秽c o n s 哪p t i o n ”i s 血es u b s y s t e mo f 血e ”1 km o i l i t 0 渤ga i l ds t a t i s t i cs y s t c i i lo f l o c o m o t i v e se l e c t r i ce r i e f g yc o l l s u m p t i ”1 1 l i ss y s t e mi m e n d st oi c c e i v em e i t l 南锄a 石伽o nd y n 锄i c 球咖e t e r0 fm o v i i 玛1 0 c o m o t i v c sc 0 】1 c c t e db yt 1 1 er 锄0 t e e l e c 仃i cl o c o m o t i v ee n e t g yc o n s 啪p t i o nm d n i t o r i n gd e v i c ea n dp m v i d e sr e a l - t i m e 仃a c i n g ，q u e r y 锄ds t a t i s t i c s 谢t hr e g a r dt op 盱s o l l l o c o m o t i v e ，n m em l ds e c t i o n ，w 1 1 i c h i sn e c e s s a r yf o rt h es t u d yo fr e l a t i o l l s h i p sb e t 、e e l ln l el o c o m o t i v e sd y n 锄i ce n e r g y c o n s 啪p t i o n 觚dt h el o c o m o t i v e so p 锄t i 蛳，q u a l i 劬m a i 如n c t i o n 觚ds t 咖so ft i l e e n e r g ys u p p l y t h i si n f o 彻a i o ni sa l s on e c e s s a r yf b rt l l es t a _ t i s t i c s 锄dm 锄g e m e i l to f e l e c t r i c i 够a n d i n s t n l c t i o l l sf o r 协eo p e r a t o r ，so p e r a t i t om i i l i m i z em ee n e r g y c o n s l l i 】叩t i o n 1 1 1 i sp a p e rd e s c 曲e d 圮i i n p o r t a l l t 蛔陶吣o f “t l l cm o n i t o 咖ga n dm 觚a g 锄e n t i n f o 姗a t i o ns y s t e mo fl 0 c o m o t i v e 。se l e c m ce n e r g yc o 衄u 1 p t i o n ”，i n c l u d i n g 也e o v c r a ns y s t e ms 觚1 c t u r e ，t l l cd e v e l o p m e me n v i r o m e m ，t h ef i l i l c 垃o nm o d u l e 甜l di t s i m p l e 眦n t ，m ed c s i 印o f 、r i s i l a l i z a t i o ng u ia n d 也em 锄a g 咖e n to fd 础a s eb a s e do n t 1 1 ec so f o m c l e t h ec l i e n t0 ft h i ss y s t 锄a c c o m p l i s h e dt h es t 咖sq u e r ) ，o fl o c o m o 吐v eo nr e a lt i m e 锄dt l l es t a t i s t i c so ft l l ee n e 增yc o n s 咖n p t i o nq l l c f yb yp e r s o n ，l o c o m o t i v e ，t i m e 觚d s e c t i o n ，w h i c hw 嬲b a s e do n 血eh e a v yc l i 髓to fc 怊s o f t 、v a r cs n l l c ：t i l r e n l cd i e ma i s o a 幽e v e dt l ed a t as y n c l l m i l i z a l i o nw i t l lt h es e r v e ra n dt l l ed o w i l l o a do ft l l ei l l c r e m e n t d a t a w h i c hd e c r e 嬲e st l l eb 1 j r n l e no fl l l e s e r v e re 丘t i v e l 弘u t i l i z c dt l l el l a r d w a r e r c s o u r c eo f t l l ec l i e n ta d e q l l a t e l y 锄di i n p r o v c dt l l ee 伍c i e n c yo f t l l eq u e 够 a tm es 锄et i i i l e ，t h i sm e s i sa l s od e s c r i b c st b ea c c o m p l i 妇e n to fg p r sd i g 蹦 c o m m i l i l i c a t i o n 姐dt l l ec o n s p o 删n gt l l e 血协f o m l a t 锄dc o m m i l i l i c a t i o np r o t o c o i l l s e db yt h es y s t c m 锄dt h ed e v i c e a l g o r i t l l l mo f b o t l ls 饿i s t i c sa n dq u e r yb yp e r s o n ， 1 0 c o m o t i v e ，e l e c m cc 1 1 e r g ys e 卸孵n t 龃dt i i n e 缸dm eg e n 删o no fc 0 盯e s p o n d i n gd a t a r e p o n a r ei m r o d u c e di 1 1d e t a i l t h em a i nf h c t i o no fl h es y s t e mk 峪b 啪c o m p l e t e d n o wt h es y s t e mi s 珈1 1 1 【l i n gi l l 忙x i i l 】【i a l l g 狮dl u o y a n gm a i n t c n a n c e 伊n e n t so ft h ez h e n g 曲o ur a i l 啪yb l l r 删l a n dh a so b t a i n e di d e a lf e s u j t s 1 y w o l m s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v c ；g p r s ；s t a 土i s t i co f e n e 啦，c o n s u m m i o n ；o r a c l e ； 韭塞銮道太堂亟堂焦诠塞 旦卫坠! c l i e i l “s e r 、，e r c l a s s n o ：r p 3 0 2 1 ：u 2 6 4 致谢 在本文完成之际，谨向我的指导老师余祖俊教授致以衷心的感谢，感谢他在 硕士学习期间、开展研究阶段以及论文选题和成文给予我的耐心细致的指导，以 及在生活上对我的关怀和帮助。从导师对问题的分析中，我学到了很多先进的思 维方法。导师严谨的治学态度、渊博的专业知识、求实的科研作风给我留下了深 刻的印象，将使我受益终生。 我要感谢史红梅老师和朱力强老师，在我的研究工作中，他们给予我技术上 的指导；在生活中，也给予我朋友般的帮助。 我还要感谢微机测控实验室的全体研究生同学，和他们一起学习和工作，使 我得到了很多的关心、帮助和快乐。 另外也感谢我的父母和所有关心我的亲戚朋友，他们的理解和支持使我能够 在学校专心完成我的学业。 最后，我要送给所有给予我支持和帮助的人们最真挚的祝福，衷心祝愿大家 在今后的人生路上一帆风顺。 j b 塞銮适盘堂亟堂僮i 金塞! 缝j 金 1 绪论 现在，我国的改革与发展处于关键时期，改革在广度上已涉及经济、政治、 文化等所有领域，在深度上已触及人们具体的经济利益，发展方面己由单纯追求 g d p 上升至追求人文g d p 、环保g d p ，实现人口、资源、环境统筹协调发展。国 际经验表明，当一个国家人均g d p 进入1 0 0 0 美元到3 0 0 0 美元的时期，既是黄金 发展期，也是矛盾凸显期，处理得好，能够顺利发展，经济能够很快上一个新台 阶，处理不好，经济将停滞不前或倒退。目前我国已进入人均g d p l 0 0 0 美元阶段， 为了避免可能出现的经济社会问题，巩固改革发展的成果，推动经济可持续发展， 应积极维护社会稳定，促进社会和谐，重构社会结构，完善社会组织，调整社会 关系，最大限度地激发社会各阶层、各群体、各组织的创造活力，化解各类矛盾 和问题，构建社会主义和谐社会，全社会形成合力，努力实现我国经济与社会的 协调发展。 构建节约型社会是当今时代的主旋律。中国政府在能源供应上坚持立足国内 的基本方针，并有条件主要依靠国内来保障能源供给。开源与节流结合，把节约 放在首位，努力降低消耗，减少损失浪费，提高资源利用效率，这是中国解决能 源问题的根本出路。本课题正是以分析电力机车的能耗，最终实现降低能耗为出 发点的。 1 。1 课题的背景及意义 电力机车是指从接触网获取电能，采用牵引电动机驱动的机车，具有功率大， 速度高，过载能力强等特点，广泛的应用于铁路客运及货运。 电力机车的能耗以及由于无功造成的罚款是电力机务段的主要运营成本，占 总运营成本的7 0 以上“1 ，因此如何降低能耗是摆在各机务段面前的一个难题。而 目前铁路系统电力机车电能计量主要存在两方面的问题【2 】： ( 1 ) 管理体制上的问题 铁路系统一般采用的电能计量的管理体制是：通过机务段人工抄表或机务段、 供电段共同人工抄表来实现，即乘务员退乘后，记录电表的读数，将数据连同司 机报单上交到机务段统计室。机务段和供电段每月各自出自己的报表，最后，供 电段和机务段的电费结算依靠协商确定，主要依靠水电段的关口表来进行结算， 抄表的数据仅作为参考以及下一年度单耗估计的依据。这种手工抄表方式存在一 些弊端。 j e 塞窑遭盔堂亟堂焦监塞! 绪途 人力资源的浪费，表现在机务段和供电段都要配备专门的抄表和统计人员。 漏抄、误抄问题比较常见。 跨局、跨段的电能结算问题。当前，铁路的跨越式发展要求长交路运行， 机车需要跨局、跨段间运行，采用手工抄表无法区分各区段的用电量。 ( 2 ) 机械式电表本省的问题 机械磨损带来的误差问题。 机械式电表只能计量基波的电能消耗，对于谐波消耗的电能无法计量。 机械式电表只能记录有功，不能记录无功。 机械式电表很难防止乘务员窃电。 因此，研制一种电力机车能耗监测及统计分析系统，分析研究机车动态能耗 与司机操纵、机车质量、机车故障及牵引供电状态等的关系，满足电能统计及管 理，指导司机节能操纵，对电力机务段降低运行成本，节约能源都具有重要的现 实意义。 1 2 课题的研究内容 为了实现对电力机车的能耗统计与分析，必须明确需要采集哪些参数，这些 参数从哪里或者通过什么方法获得。 首先，最重要的是电力机车的耗电量信息。机车上现有的电能表并没有预留 通讯接口，只能自己去检测。 其次，还需要机车运行的重要数据，作为电量统计的空间和时间上的参考， 包括时间、站号、司机、总重、公里标、车次、计长、辆数等信息，这些信息都 可以通过机车上的1 姒箱。鲫同中直接获得。 另外，为了分区段统计的需要，还需要知道机车的过分相点时刻的信息，因 此机车过分相是需要检测的。 最后，为了监测司机的操作，还需要采集牵引手柄级位的信息。 为了采集能耗统计的这些数据，需要设计一款专用的车载能耗监测设备，在采 集数据的同时，它还应该具有数据存储和发送功能。为了能够实时监测机车的运 行情况，需要车载设备具有广域无线数据传输功能，同时，为了保证在异常情况 下数据转储依然能够进行，还预备了机务段短程局域无线传输和i c 卡转储两种方 式。 为了统计、分析车载设备的数据，还需要相应的地面软件系统。地面软件系 统完成的主要功能就是接收车载设备的数据，存储入数据库中，供查询、统计使 用等。 2 j e 塞交通盔堂亟堂位途塞 ! 绪j 金 图l - 1 整体系统结构框图 本文重点研究的内容如图1 1 中所示的虚线部分。主要包括： 1 规划地面系统的网络结构，明确服务器、客户端的功能。 2 根据分人、分车、分段、分时的统计需求，确定所需要采集的信息种类，设计 相应的数据库表。 3 与车载能耗监测装置研发人员共同设计通讯的数据格式与握手协议，实现地面 系统与电力机车车载能耗监测装置之间的数据通讯。 4 对于接收到的数据进行处理，并将处理的信息写入数据库对应的表中。 5 实现分人、分车的在线追踪查询及图形化显示。 6 实现基础信息的数据管理，能够更新、删除、修改、插入这些信息。 7 实现对机车能耗的分人、分车、分段、分时的统计与计量，并生成相应的数据 报表，供打印、分析使用。 2 电力机车能耗监测与统计系统的总体设计 “电力机车能耗监测与统计系统”包括电力机车远程能耗监测装置( 车载设 备) 和电力机车能耗监测及其管理信息系统( 地面系统) 两大部分。电力机车远 程能耗监测装置是整个系统的数据采集、记录、发送单元，完成所有机车能耗统 计信息的采集工作。电力机车能耗监测及其管理信息系统接收车载设备的数据， 还原出相应的信息，提供分人、分车的实时查询，并实现分人、分车、分段、分 时的统计与计量，生成相关的数据报表，供机务段、路局等单位分析使用，这也 是本文研究的主要内容。 2 1 电力机车能耗远程监测装置 电力机车远程能耗监测装置采用了优选的大规模专用电路，并运用了微处理 器技术，电路简单，结构合理，具有准确度高、可靠性好、过载能力强、功耗低、 体积小、寿命长的特点。装置内置电量测量芯片、a d 转换器件、4 8 5 通信接口， 大容量存储器等，能够计量电力机车额定频率为5 0 ( 6 0 ) h z 、l o o v 或者2 2 0 v 的 正向有功、正向无功、反向有功、反向无功电能，以及频率、网压等各项参数， 通过4 8 5 接口可以实时获取机车的速度、公里标、时间、司机号、机车号、牵引 总重等运用信息，同时实时采集机车运行工况和手柄级位信息，并自动判断记录 机车过分相点位置。其内部存储器容量大，可记录长达一个月的机车运行数据， 并具有g p r s 无线、机务段短程局域无线电台、i c 卡等多种数据转储方式。 2 1 1 电力机车远程能耗监测装置的原理 电力机车能耗监测装置的原理图如图2 1 所示，通过其电量测量芯片，能够采 集电力机车的正向有功，正向无功，反向有功，反向无功，频率等电量信息；其 还能采集1 似箱中的信息，包括司机号、机车号、公理标、站号、时间、车次、 总重、计长、辆数、牵引状态等；另外。装置还能采集手柄级位信息，这些信息 将是能耗分析的主要数据基础。 1 电力机车能耗监测装置使用机车辅助回路1 1 0 v 直流供电，可以保证在机车 降弓的情况下仍然能够观测到能耗监测装置的读数。 2 机车交流互感器输出的电压( 交流1 0 0 v 或2 2 0 v ) 信号和电流( 1 a - 5 a ) 信号分别经过各自的处理网络，由内部含有d s p 的专用测量芯片进行对电压、电 4 j e 夏变道盔堂亟堂位途塞! 绪j 金 图l - 1 整体系统结构框图 本文重点研究的内容如图1 1 中所示的虚线部分。主要包括： 1 规划地面系统的网络结构，明确服务器、客户端的功能。 2 根据分人、分车、分段、分时的统计需求，确定所需要采集的信息种类，设计 相应的数据库表。 3 与车载能耗监测装置研发人员共同设计通讯的数据格式与握手协议，实现地面 系统与电力机车车载能耗监测装置之间的数据通讯。 4 对于接收到的数据进行处理，并将处理的信息写入数据库对应的表中。 5 实现分人、分车的在线追踪查询及图形化显示。 6 实现基础信息的数据管理，能够更新、删除、修改、插入这些信息。 7 实现对机车能耗的分人、分车、分段、分时的统计与计量，并生成相应的数据 报表，供打印、分析使用。 韭塞銮道太堂亟堂僮i 金塞2 生左扭奎能錾鉴测量蕴让丕统酸总住递让 的时间参考，并可以自动校准时间，确保时间的准确性。 8 通过能耗监测装置转储单元和地面服务器之间的信息交换，利用本装置预留 的可选多种数据传输方式( g p r s 无线通信或短距离无线传输或i c 卡转储) 将数 据传输至地面数据库中心，完成机车用电量数据的抄录和可视化处理与统计。由 于车载能耗监测装置采用的记录芯片存储容量有限，而需要记录的信息是不断累 积的，但是有许多机车参数是缓变的，如车次、总重、司机号、计长、辆数等， 所以该装置采用了非分区定长压缩算法【1 6 j 、循环覆盖记录的方式。 机车能耗监测装置记录数据的条件包括：站号、分相点、手柄级位变化值、 司机号、总重、车次等，只有这些数据发生变化时，装置才记录对应时刻机车的 运行信息。每条记录定长3 5 个字节，由数据头标识、数据信息、数据校验位和帧 标识组成。针对不同的传输方式，有不同的传输协议，但数据头标识代表的意义 是相同的。数据头标识的含义及说明如表2 1 所示。 表2 1 数据头标识及其含义 数据头意义说明 b o h上电数据l当司机号、车次、总重发生改变时，所记录的机车信息 b 】h上电数据2与b o 组成一组信息，主要记录电量信息 b 5 h 站号改变当接收站号与当前存储站号不一致时，记录的信息 b 6 h分相点当检测到机车过分相点时，记录的数据 b 7 h 手柄级位当检测手柄级位与先前测量级位相差n 级以上时，记录 的数据( n 可调) b d h心跳包装置定时m 分钟向外发送的心跳数据( 仅限g p r s 传输 方式，并且m 可通过地面服务器设置) 2 1 2 电力机车远程能耗监测装置的特点 电力机车能耗监测装置作为一种新型的电子式仪器，具备以下一些特点。 ( 一) 有功电能计量准确度高 目前，铁路上电力机车用电由供电段负责进行统计和收费，按照这种管理模 式，机车用电的收费应该参照机车电表进行收费，但是由于机车电表的计量数据 和关口表的计量数据相差很大，因此只能按照关口表进行收费。按照供电段提供 的统计数据，两者的误差在6 7 6 8 之剐”。 造成这种情况，主要有以下几方面的原因： ( 1 ) 线损造成的两者之间的误差； ( 2 ) 由于机车原有电表是感应式电表，只能计量基波的能量，对于谐波并 6 j 室銮逼太堂亟堂焦论塞2 壹左扭奎能搓些趔皇缠让丞统鲍盥住超盐 没有计量在内，造成了较大的误差： ( 3 ) 原有机车电表分辨率较低，其分辨率为1 0 0 k w h ( 度) 。假设机车以 6 0 l ：r n l l 的速度通过一个1 k m 的区间，其功率为3 0 0 0 k w ，耗电为 5 0 k 1 l 】l ，h ( 度) ，原有电表无法进行用电的统计，导致供电段和机车电表 之间的误差； ( 4 ) 人工抄表作业存在较大的人为误差； ( 5 ) 有一些乘务员采取短路机车电流互感器副边的方法进行窃电，现有的 机械式电度表由于自身测量方法的限制很难有效地防止窃电，从而造 成供电段和机车电表之间的误差。 该能耗监测装置采用先进的电子计量方式，计量结果包括了基波成分和各次 高次谐波成分，从而提高了电能计量的准确度。 ( 二) 能够准确测量无功电能 机务段每年因功率因数低而向供电部门缴纳的罚款数耳相当大。长期以来， 准确测量无功电能的问题一直得不到有效的解决，机务段又无法提出有力证据以 应对供电部门的罚款。 功率因数是交流电路的重要技术数据之一，是指任意二端网络( 与外界有二 个接点的电路) 两端电压u 与其中电流i 之间的位相差的余弦，即c o s m 。在二端 网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于p 文p i + c o s m ，由此 可以看出，电路中消耗的功率p ，不仅取决于电压v 与电流i 的大小，还与功率因 数有关。若功率因数过低，就需要较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时 输电线路上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在输电线路 的电阻上及电源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比，增大电流必然 增大在输电线路和电源内部的电压损失。 该能耗监测装置采用先进技术，可准确测量无功电能，为用电管理提供科学 依据。而且，该能耗监测装置实现有功电能、无功电能的正、反向计量功能，在 替代了机车上原有的三只机械式电度表的同时，增加了反向无功计量功能。 ( 三) 有效的防止窃电 由于节能奖是按照用电量来进行统计和发放的，所以为了降低能耗的统计数 值，有一些乘务员就采取短路机车电流互感器副边的方法进行窃电，现有的机械 式电度表由于自身测量方法的限制很难有效地防止此种窃电方式。由于该能耗监 测装置内部采用互感器采样电流，阻抗非常小，因此短路互感器副边对流过测量 互感器的电流影响极小，可以有效地防止窃电。 ( 四) 信息转储方式多样化 该装置提供g p r s 无线实时转储，机务段短程局域无线电台，大容量i c 卡转 7 j e 塞銮垣太堂亟堂僮逾塞2 曳左也生能堑堕捌皇筮让丞统数盟生逡盐 储等三种转储方式，确保数据的完整性。 ( 五) 存储信息量大 该装置采用了4 m b i t 的大容量存储器，采取非分区压缩的方式记录机车运行 的数据，可连续记录长达3 0 天以上的机车运行数据。 ( 六) 通讯可靠 该装置内部有两套指针，一个数据记录指针，一个数据转储指针。数据记录 指针指向最新记录的一包数据，数据转储指针指向待转储的第一包数据。两套指 针相互独立，存储于非易失性存储器中，掉电不丢失。 ( 七) 可以实现软件校表，不必更改装置的硬件元件，便捷快速，且精度较 高。 ( 八) 通过g p r s 网络，可远程修改车载设备相关参数，方便快捷。 2 2 电力机车能耗监测及其管理信息系统 电力机车能耗监测及其管理信息系统是本文研究的内容，其主要目的就是接 收并解压车载能耗监测设备发回的机车运行信息，并将信息按照一定格式存储于 数据库中，供客户端进行能耗统计与分析。其系统的结构框图如图2 2 中的虚线所 示。 图2 - 2 电力机车能耗监测及其管理信息系统结构框图 0 2 2 1 系统的软件功能 电力机车能耗监测及其管理信息系统的功能图如图2 - 3 所示。系统采用客户端 服务器模式( c s ) ，包括服务器应用程序和客户机应用程序两大部分，按功能模 块化分主要包括四个模块：信息通讯模块、数据处理模块、数据库模块、查询统 计模块，现在分别加以介绍。 权限 中心数据厍服务器 图2 3 系统软件功能模块图 ( 1 ) 信息通讯模块 本模块的主要功能是与车载能耗监测装置建立通信联系，进行数据转储。车 载能耗监测装置提供三种数据转储方式，包括g p r s 无线通讯、机务段局域无线 通讯、i c 卡转储。其中g p r s 为主要转储方式，在g p r s 不能正常转储的时候， 提供备用的转储方式，机务段局域无线或者i c 卡转储，以保证数据的完整性。 ( 2 ) 数据处理模块 9 丝塞銮堑盍堂亟堂僮i 金塞 2 虫左扭奎篚趋堕型量筮让丕筮酸盛佳递让 本模块的作用是对于接收到的信息，进行解压还原处理，并对处理的结果进 行相应的合法性判断。处理的依据就是数据压缩的格式。不同的转储方式，不同 的数据头标识，对应的数据格式并不相同，需要针对其数据格式进行信息还原。 ( 3 ) 数据库模块 本模块包括服务器端和客户端数据库的关系和各自的结构。本模块的作用一 方面是存储转储回来的机车运行数据信息，称为动态信息。另外，还存储着机车、 设备对应信息，司机号、司机对应信息、运行线路信息、分相点位置信息等系统 平台基础信息，称为静态信息。对于动态信息，是不允许随意修改的，对于静态 信息，有管理权限的用户是可以进行录入、删除、修改、更新等操作的。 数据库模块另外的作用是保持客户端与服务器端数据的同步，例如，如将i c 卡转储的数据存入客户端的数据库中，那么这些数据同时也写入服务器端的数据 库中；同时，写入服务器端的数据也将同步反映到客户端。除此之外，为了提高 客户端在查询、统计数据时的效率，需要配置客户端与服务器端的数据传输关系， 实现数据的增量下载、定时刷新或者数据的完全同步，以达到不同的查询、统计 目的。 为了提高数据库的性能，需要对数据库进行日常的维护。为了防止系统崩溃， 数据库服务器瘫痪等意外发生，还需要对数据库进行必要的备份，以便在意外发 生时，进行数据库的还原，将损失降低到最低限度。 ( 4 ) 查询、统计模块 车载监测设备通过g p r s 网络实时将机车运行的重要信息传回地面服务器， 这时，就可以根据传回的数据，包括站号、时间、公里标、司机号、机车号等信 息，结合路线信息，对列车进行定位和追踪查询，实时了解机车的运行状况。 对于历史记录数据，还可以实现分机车、分司机、分区段、分时间的统计与计 量。并生成相应的数据报表，供打印、分析使用。 2 2 2 系统的软件平台 软件必须在平台上开发与执行，例如在w i n d o w s 上使用m a lb 嬲i c 开发窗口 应用程序、在i i s 上使用a s p 开发w 曲应用程序或者在u n 系统下用c + + 开发 系统程序，其中的w i n d o 哪、i i s 与u n i x 就是所谓的软件平台。 经过比较分析，我们选择以下软件平台： ( 1 ) 选择了微软公司的v i s u a l b 嬲i c 作为系统的前端软件开发工具。 s l l a lb a s i c ( 以下简称v b ) 是微软公司为企业应用软件而提供的开发工具。它 之所以受到用户的欢迎，除了其功能强大、使用方便外，还有一个很重要的特点 l o 韭塞变通盘堂亟堂僮途塞 2 电之扭主能捶墅捌量蕴盐丕统数盟住遮让 是它的强大数据库功能，尤其是v b 6 o 更是为开发者提供了一个全面的数据库解 决方案。 ( 2 ) 选择了甲骨文公司的o r a c l e9 i 数据库作为系统的后台数据库支持工具。 选择o m c l e9 i 的原因是：o r a c l e9 i 是专门为在互联网上进行数据管理而设计 的数据库开发平台，它拥有包括平台产品、应用产品、完善的服务在内的三位一 体的电子商务策略，为用户提供最完整的电子商务技术和咨询服务8 l 【9 】【1 0 1 。 ( 3 ) 选择目前最流行的微软w i n d o 螂操作系统( w 协d o w ss e n ，e r2 0 0 3 或 w i n d o w s ，) 作为系统的运行平台。 2 2 3 系统的网络拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中节点的互连形式哪! 。图2 _ 4 为几种拓扑结构。 ( 1 ) 星形拓扑结构 星形拓扑结构是一种中央控制系统型结构，一切通信经由中央控制节点，正 像日常生活中的电话系统那样，各分机之间的通信一律经过交换台。这种结构的 控制方式简单便宜；缺点是当中央控制节点有故障时，整个系统就会瘫痪；当通 信量增加并要求高速通信时，中央控制单元的功能必须扩充，以解决“瓶颈阻塞” 问题。因此不适宜作为本系统的网络拓扑结构。 星型结构总线型结构 环形结构树型结构 图2 - 4 网络拓扑结构 ( 2 ) 环形拓扑结构 这是相邻节点顺序连接形成环路的结构。信息一般仅以一个方向在环上以源 节点传送到目的节点。这种控制方式简单，节点间可采用不同的传输介质，速度 也可不同。其缺点是某个环节故障会阻塞信息通道，可靠性差。由于环路是封闭 的，所以扩充也不方便。其结构形式不但有单环路，还有多环网和星式环网。比 较适用于信息处理系统和工厂自动化系统。 ( 3 ) 总线型和树型拓扑结构 在总线型拓扑结构中，所有节点共享一个公共物理通道总线。这种结构 的特点是：网络不封闭，很容易加扩新节点，甚至用中继器连接多个总线，形成 j b 立銮亟太堂亟堂僮丝塞 2 电左扭奎能耗些捌皇统让丕统敛盛住途让 无根树形结构；节点间通过总线直接通信，速度快，延迟和开销小；某个节点故 障对整个系统的影响相对较小。 树型拓扑结构是总线拓扑结构的一般化。传输介质是不构成闭合环路的分支 电缆。同样，来自任何节点的发送也都在介质上传播，并能被所有其他节点接收。 通常把总线和树形拓扑结构的介质称之为多点式或广播式介质。 总线型网络结构是目前使用最广泛的结构，也是最传统的一种主流结构，尤 其适用于信息管理系统，办公室自动化系统、数字系统等领域的应用。 结合电力机车能耗监测及查询统计系统自身的特点，本课题的网络拓扑结构 选择总线型。 2 2 4 软件系统的结构 软件系统按功能分类，可以分成以下几种不同的层次结构啪1 ： 表示层 在软件系统的表示层( p r e s c l i t a 畦o n ) 中，主要负责用户界面的处理，包含数 据的输入与显示、图表的绘制等与数据展现有关的工作。 业务逻辑层 软件系统中都包含了许多逻辑的处理，例如账号与密码的检查、数据的加密 与解密等，这些工作都属于业务逻辑层( b 啪i n e s sl o g i c ) 的工作范围。 数据源层 所谓数据源层( d a t as o u r c e ) 就是软件系统中数据保存的位置，例如m i c r o s o n s q ls e n ，c r 、o r a c l e 、s y b 鹬e 、a c c e 辐等数据库，甚至) ( 1 讧l 数据都可以称作为数 据层。 以软件系统的结构( 以上三个层次的组合方式) 来看，大致可以分成以下类型： ( 1 ) 单机结构 在单机结构( s t a l l d a l o 鹏) 中，表示层、业务逻辑层与数据源层都位于同一个软 件、同一部计算机中。例如d b a 、a c c 龉s 、f o x p r 0 等开发的单机应用程序，由于 整个系统不需要牵涉到与其他计算机或系统的集成，因此在设计上非常简单，在 单机上的效率也不错，适合个人操作使用。然而由于数据位于软件所在的计算机 上，因此如果要进行不同计算机之间的数据交换，往往需要通过文件复制来达成， 非常的不方便。 ( 2 ) 客户机，服务器结构( c l i e n 鸺e r v 哪 为了解决单机结构数据层分散、难以同步的问题，可以将数据层独立出来， 如图2 5 所示。 j b 立銮道太堂亟堂焦迨塞 2 虫左扭芏能堑些捌皇缠让丕统的盟佳遮让 于是不论使用哪一个客户端系统，其数据层都来自同一个位置，因此客户端a 储存的数据，客户端b 可以立即取到，省去许多数据同步的问题，而数据层通常 是数据库管理系统，例如o m c l e 。 除了后台的数据层独立出来之外，客户端则扮演着展示层的角色，然而业务 逻辑在这个结构中该放在哪里呢? 图2 - 5 客尸机服务器结构图 胖客户机模式( h e a v yc l i e n t ) 将业务逻辑与表示层一同放在客户端上，称为胖客户机模式。其优点是速度 较快、功能完善。缺点是由于业务逻辑需要大量的运算，因此放在客户端上会造 成客户端执行效率下降，再加上一旦业务逻辑有变动，就必须将新版的程序重新 安装在所有的客户端上，在软件安装业务与管理上有些耗时费力。但对于客户端 数量不是很多，且业务逻辑不是很复杂的情况下，该模式还是很有优势的。 瘦客户机模式( t h i l lc l i e m ) 将业务逻辑与数据层放置在一起，客户端只做表示层工作，称为瘦客户机模 式。在这个结构中由于业务逻辑放在数据层所在计算机上，因此在修改业务逻辑 时比胖客户机模式方便许多，缺点是会降低数据层的执行效率。 ( 3 ) 三层结构( 3 t i e r s ) 不论将业务逻辑放置在数据源层、还是客户端，两者都有优缺点。因此如果 将业务逻辑独立出来，形成三层结构( 如图2 6 ) ，就可以扬长避短了。 将业务逻辑独立出来，不论是在业务逻辑的更新与维护上，还是对于客户端 与数据层的执行效率上都有很大的帮助，其中负责处理业务逻辑的那部s e r v 盯，就 是业界俗称的a ps e r v e r o ( 4 ) 多层结构( n 用e r s ) 图2 6 三层结构( 3 - t i e r s ) 三层结构中客户端程序要修改时，例如更改操作界面，就必须将新版客户端 程序安装到所有的客户端计算机上，在客户端维护上仍然非常不方便。另外业务 逻辑层需要大量运算资源，往往会造成整个系统的瓶颈，因此在多层结构中( 如 图2 7 所示) ，可以将业务逻辑层再加以分层，分层负责各类型运算处理，借此提 高整个业务逻辑的执行效率。 图2 7多层结构( n - 啊e 倍) 由于本系统相对较简单，且客户端数量有限，因此我们选择了客户端服务器 结构中的胖客户端( h e a v yc l i e n t ) 模式，软件结构如图2 5 所示，将业务逻辑和 表示层放在客户端上，以达到速度快、功能完备的特点。而后台数据库服务器o r a c l e 主要完成数据的存储管理工作。这样，使用两层结构，一方面节省了成本投入， 另外一方面，也使系统的软件结构更加简洁，更加一目了然。 1 4 j e 塞交道太堂亟堂焦i 金塞 3 信息逼迅搓筮鳆逯吐 3 信息通讯模块的设计 车载能耗监测装置具备三种通讯方式，包括g p r s 通讯、机务段短程局域无 线通讯和i c 卡数据转储。针对不同的通讯方式，有不同的通讯协议及数据处理方 法，现在就系统通讯模块的设计加以说明。 3 1g p r s 通讯 目前我国还没有铁路无线专用网满足成百、上千公里的通信要求，建立如此 规模的通信网需要百亿至千亿的投资，且短期内无法实现。 经过调研，目前能够覆盖如此广泛的无线通信网只有几种公众通信网。卫星 通信可以覆盖全球，但使用费用及其昂贵数据传输速率极低。中国移动的 g s m ，g p r s 网覆盖最好，不但能够满足平原地区、六大铁路干线的无线数据传输 的要求，而且运营费用较低。 g p r s ( g e n e 脚p a c k c tr a d i os e r v 妇) 是在现有g s m 系统上发展出来的一种 新的分组数据承载业务，能够实现从空中接口到外部网络之间的分组数据传输阱1 。 g p r s 的主要特点是： ( 1 ) 能够提供从9 k b p s 到1 7 1 2 k b p s 的接入速率； ( 2 ) 可动态地向单个用户分配位于同一频率上的l 到8 个时隙； ( 3 ) 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；支持上行和下行的非对称传输，更为有效地实现和p 网络互通； ( 4 ) 从协议结构上提供了i p 网络、勉5 网络的互通。 g p r s 网络已经覆盖全国所有的省、自治区、直辖市，网络遍及2 4 0 多个城市。 京广、京沪、京九、陇海、京哈等干线g p r s 网络覆盖良好，除多隧道的山区路 线以外，g p r s 网络的覆盖情况都比较理想。另外，电信部门已将0 p r s 与h l t e m e t 互联网有机的结合，互联网是目前最成熟、最流行的数据传输网络，使用互联网 和服务器相连，保证足够的带宽和稳定性。 综合以上g p r s 的特点，我们选用g p r s 网络作为数据无线实时转储的主要 通道。 3 1 1g p r s 无线通讯模块 g p r s 无线通讯模块内嵌t c p i p 协议栈，由l p 模块和g p r s 模块两部分组成。 j b 立窆道盘堂亟堂僮j 佥毫 3 信显垣迅搓盐酸逡盐 软件接口为a 1 + i 命令集，两个模块之间相互独立，但所有标准的a t 命令都通过 m 模块透明方式传给g p r s 模块【3 l 】。 g p r s 无线通讯模块适用于h o s t 主机没有t c p ，i p 协议栈，使用串口通讯的 情况，例如单片机数据采集传输系统，车载能耗监测装置正是这样的单片机采集 系统。 g p r s 无线通讯模块具有以下的特点： ( 1 )高度集成g p r s 和t c m p 技术，将互联网和无线网络有机的结合起来； ( 2 )支持多种t c p i p 协议，t c p ，u d p ，d n s ，p p p 等； ( 3 ) 支持基于d n s 协议的动态i p 解析功能，可节省租用固定i p 的资金； ( 4 ) 可实现点对点，点对多点等灵活的组网方式； ( 5 ) 透明模式下的短连接功能，链路的自动释放和自动重连，适合不需要长连 接的应用，节省费用； ( 6 ) 可接受远程a t 命令，可以远程复位和修改目的地址； ( 7 ) 标准的r s 2 3 2 4 8 5 接口，适合嵌入式集成； ( 8 )内部看门狗，随时监控运行状态，保证产品稳定可靠的运行； 基于以上特点，车载能耗监测装置就采用了这样的g p r s 模块，不仅缩短了开 发周期而且提高了数据传输的稳定性和可靠性。 3 1 2g p r s 的下行通讯 所谓g p r s 的下行通讯，是指车载g p r s 模块到地面服务器之间的数据通讯。 车载能耗监测装置按条件记录机车运行的重要信息，并将这些信息存储于其内部 的大容量存储器中，数据记录定义如表3 1 所示。 表3 - 1g p r s 数据记录定义 数据头记录条件记录信息备注 b o h 司机、总时间+ 实速+ 公里标+ 总重+ 计长+ 辆数机车开始运行 重、车次发+ 本件h 、客货+ 车次+ 区段号交路号+的起始点信息， 生改变时车站号+ 司机号+ 副司机号+ 级位组合+b 0 和b 1 两包数 综合状态位+ 机车信号+ 信号机种类+据组成完整一 机车管压和装置状态+ 校验+ 帧标识条起始运行信 息。 b 1 h 同上时间+ 速度+ 正相有功+ 正相无功+ 反相对于同一设备 1 6 j k 塞套通太堂亟堂焦捡塞信息道迅搓基数递盐 有功+ 反相无功+ 频率+ 预留+ 校验+ 帧号，b 1 与b 0 数 标识据包具有相同 的时间。 b 5 h 站号改变 站号+ 公共数据+ 校验+ 帧标识 b 6 h 过分相点分相点公里标+ 公共数据+ 校验+ 帧标 识 b 7 h 级位变化 手柄级位+ 公共数据+ 校验+ 帧标识 b d h 定时记录 时间+ 实速+ 公里标+ 总重+ 计长+ 辆数 能耗监测装置 + 本补、客货+ 车次+ 区段号，交路号+的心跳包，不含 车站号+ 司机号+ 副司机号+ 综合状态 电量信息，用于 位十级位组合+ 机车信号+ 信号机种类十 机车的追踪。 机车管压和装置状态+ 预留+ 校验+ 帧 标识 公共数据：正向有功十正向无功+ 反向有功+ 反向无功+ 时间+ 公里标+ 速度+ 车站 + 车次+ 设备主从标志( 主：操纵端，从：非操纵端) + 预留。 综合状态位( 一个字节) ：机车工况( o 零位1 向后2 向前3 制动4 牵引) 和 设备主从标志位( 5 主6 从) 和车次最高位( 7 ) 。 为保证g p r s 通讯的数据包不发生丢失、错误的情况出现，需要设计车载设 备与地面系统之间通讯的握手协议。 首先，为了保障数据不丢失，车载装置内部设有两套指针，记录指针和发送 指针。这两套指针存储于非易失性存储器中，掉电不丢失。当车载设备记录一包 数据时，记录指针就指向这条新的数据包。当发送指针落后于记录指针时，将会 把发送指针所指的一包数据向外发送出去，若成功发送，发送指针将指向下一包 待发数据，若没有发送成功，发送指针将不变，继续发送该包数据，直至发送成 功。依此类推，当发送指针与记录指针重合时，就认为没有数据包需要转储。 车载设备每发送一包数据，地面服务器会校验所收到的数据，并返回车