（交通信息工程及控制专业论文）机车数话同传实时传输系统的研究.pdf

摘要 目前，在铁路系统中，机车通过列车运行监控装置采集运行中各类 数据，再由转储设备传送到地面微机后进行处理与分析。这种方式，数 据处理是要在机车返回机务段后才进行的，具有滞后性，不能实时反映 机车的运行状况。为解决这一问题，本文提出了机车运行信息实时传输 系统。 本文采用数话同传方式实现机车运行数据的实时传输，即在现有的 无线列调话音通信的基础上，利用话音压缩扩展技术，增加数据传输， 实现机车数据到车站的无线传输。再利用铁路分组交换网完成机车运行 数据到机务段的实时传输。实时传输系统主要包括数话同传无线传输子 系统和地面数据传输子系统的设计。 本文重点讨论了列车运行信息接口电路的设计，详细分析了数话同 传无线列调实现方案及数据通信协议，研究了地面数据传输方案的设计。 本机车运行信息传输系统设计方案先进，技术路线可行，具有较好 的应用前景。 关键词：数话同传话音压缩扩展列车无线调度系统地面传输系统 a b s t r a c t i nr a i l w a ys y s t e m ，t r a i n sc o l l e c td i v e r s i f i e dd a t aw i t ht h er e c o r d i n g s y s t e mf o rt r a i no p e t a t i o nm o n i t o ra n dr e c o r d i n gd e v i c e ，t h e nt r a n s m i tt o m i c r o c o m p u t e r so nt h eg r o u n d t o m a n a g ea n da n a l y s et h r o u g hm e m o r y d e v i c ea tp r e s e n t t h em e a n so fd a t a p r o c e s s i n gi sd e l a y e db e c a u s et h e p r o c e s s ist a k e n p l a c ea f t e r t h el o c o m o t i v er e t u r n e dr a i l w a yb r a n c h l o c o m o t i v ed e p o t s t h ed a t ap r o c e s s i n gd o e sn o tr e n e c tt h er e a l t i m e t r a i n so p e r a t i o ns t a t u s t os o i v et h ea b o v eq u e s t i o n ，t h isp r o j e c td e s i g n s ar e a l t i m et r a n s m s s i o ns y s t e mf o rd a t ao ft r a i no p e r a t i o n t h ist h e s i sg i v e sar e a l - t i m es y s t e mb a s e do nt r a i nr a d i ot ot r a n s m i t o p e r a t i o ni n f o r m a t i o n t h es y s t e md e c r i b e st h et e c h n 0 1 0 9 yo fd a t a v o i c e c o m p a t i b l er a d i ot r a i nd i s p a t c hc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt h r o u g hv o i c e c o m p r e s s i o n e x p a n s i 。n t ot r a n s m i tv o i c ea n dd a t as y n c h r o n o u s l y a n d t h r o u g hr a i l w a yp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r kt h ed a t ac a na c c e s st h er a i l w a y b r a n c hl o c o m o t i v e d e p o t s t h e s y s t e m j n c j u d e st h ed a t a v o i c e c o m p a t i b l et r a i nr a d i od i s p a t c h i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h eg r o u n d s d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h ep a p e f ，w em a i n l yd e s i g n si n t e r f a c ec i r c u i to ft r a i n o p e r a t i o n m o n j t o ra n d r e c o f d i n gd e v i c e ，r e s e a r c h sd a t a v o i c e c o m p a t i b l e t r a i n d i s p a t c h i n g r a d i oc o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ls ，d i s c u s s e sd a t at r a n s m i s s i o no nt h eg r o u n d ，e t c ， t h ed e s i g no ft h iss y s t e mi sa d v a n c e d ，t h et e c h n 0 1 0 9 yo fa p p l i c a t i o ni s m a t u r ea n dt h ef b r e g r 。u n do fa p p l i c a t i o ni sn n e k e y w o r d ： d a t a v o i c e c o m p a t i b i e ；v o i c ec o m p r e s s i o n e x p a n s i o n ；t r a i n r a d i o ；g r o u n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 目前机车在运行过程中产生的各类数据信息的记录，是通过列车运 行装置的记录来实现。监控装置将运行过程的数据实时可靠地记录在存 储器中，机车返回段后通过i c 卡把记录的数据转录下来，经过地面处理 软件处理后，就能得到机车在运行过程中的各种动态信息，通过安全信 息评分系统对这些信息的综合分析，就可以得到机车乘务人员的操作评 分、机车质量信息、机车信号的工作状态及其他相应的数据，这些数据 的获取为制定可行的安全、质量控制方案提供了可靠的理论依据，实践 证明，这套装置的使用已为铁路的安全畅通做出了巨大的贡献。但随着 铁路的提速，机车运行区间越来越长，以前的数据模式已不能适应铁路 的需要，为保证数据能为安全运输生产服务，必须要建立实时传输。 为解决信息的实时传输，我们采用数话同传方式，即在现有的无线 列调话音通信的基础上，增加数据传输，使之既能满足列车无线调度话 音通信要求，又能满足中低速数据传输要求。数话同传系统在双工信道 无话音通信时进行数据传输，有话音通信时，将话音压缩后同时传送话 音和数据，以实现数据的实时传输。 这种利用无线列调通信系统进行数话同传，解决机务段机车运行信 息传输的技术方案在国内尚未发现，只有一些机务段利用g s m 网进行机 车运行数据的传输，但由于隧道、山区等地g s m 信号很微弱，从而严重 中南大学硕士学位论文 影响数据的传输。所以，本文采用无线列调平台作为数据无线传输通道。 1 2 实时传输系统的整体规划与设计 1 2 1 实时传输系统的构成 本文所研究的数据传输系统主要包括两个子系统 1 数话同传无线传输子系统。利用已有的列车无线调度通信系统 将列车运行监控装置产生的相关数据和g p s 系统产生的位置信息，通过 机车无线电台传送到车站无线电台。如何实现数据和话音同时传输，又 不影响已有的无线调度的话音传输，是本文研究的重点。其解决方案是 建立数话同传列车无线调度通信系统，在无线列调主要传送话音的基础 上增加数据传送，在保证调度通话的优先性的前提下实现数据无线传输 的可靠性。 2 地面数据传输子系统。到达车站的机车运行信息如何传送到机 务段和相关部门，是地面传输子系统的研究目标。解决方案是建立多级 数据库，利用铁路的x 2 5 数据通信网实现数据的传输。 系统的总体结构如图卜1 所示。 中南大学硕士学位论文 图1 1 实时传输系统总体结构图 1 2 2 数话同传无线传输子系统。 数话同传无线传输系统的主要任务是要从监控装置中取出相应数 据，并将数据传送到车站无线电台。 无线传输子系统的关键技术包括 1 监控装置运行信息的获取。为不危及行车安全，又要从监控装获 取数据，而且又不能影响监控装置原有的软件和硬件，本文设计了一接 口电路，以解决这一问题。 2 列车运行信息的无线传送。本系统我们采用数话同传方案。利用 铁路已有的列车无线调度通信系统，在原来传送话音的基础上，采用话 音压缩技术，增加数据传送，实现数话同传。 中南大学硕士学位论文 3 数话同传系统的可靠性和实时性。为了不影响调度通话，保证行 车的安全，系统由调度控制中心进行集中控制与管理，以轮询方式，实 现系统数据流和话音的统一管理。 1 2 3 地面数据传输子系统 车站无线电台接收机车传送过来的数话信息后，把数据和话音信号 分离，数据信号经车站处理后，进入铁路分组交换网。通过交换网，数 据存入车站所在铁路分局或铁路局机车运行信息库。在铁路局、铁路分 局建立相应数据库，数据存储格式和监控装置的存储格式保持一致，信 息加工由部、局、分局计算中心分别进行。这种结构既可实现数据的高 效存取，又符合目前我国铁路多级管理体制的要求。机务段或其他部门 可通过铁路分组交换网实现对数据的下传和处理，网络协议采用x 2 5 。 1 3 研究意义 本文的研究，对改变铁路目前的实时数据传输的现状有积极的影 响，有利于提高铁路运行的安全、科学管理和科学决策。目前，机车信 息实时传输系统在国内还没有利用无线列调平台的实施方案。通过现场 调研，并向有关专家咨询，认为该系统设计方案先进，技术路线可行， 具有广阔的应用前景。 中南大学硕士学位论文 第二章铁路环境下无线信号传输分析 本系统中机车运行信息首先要在机车与车站之间进行无线通信，所 以本章重点讨论在铁路环境下无线信号的传输。 2 1 信道的特点 ( 1 ) 无线覆盖范围是沿铁轨的线覆盖而不是面覆盖根据列车速度和运 行方向可判定列车将要到达的下一小区及到达时间，利于实施越区切 换 ( 2 ) 绝大多数情况下，基站在运行列车的正前方、正后方很小的角度范围 内，因此多普勒频移应根据最大多普勒频移来计算 ( 3 ) 铁路沿线地形起伏较小，接收信号直射波占主导地位，传输延迟较 小 ( 4 ) 隧道有明显的波导作用，不造成附加的传播延迟，有较低的传播损耗 路堑及线路旁的类似结构具有和隧道相似的特性 ( 5 ) 车台移动引入多普勒频移，当列车速度为5 0 0km h ，载频为9 0 0 mhz 时，最大多普勒频移fd 。= u = 4 l7hz ( 其中 fo ，为最大多普勒频移，u 为列车速度， 为入射波波长) ，由于 多普勒频移和信道特性的快速变化，将对误码率产生影响 2 2 信道模型分析 发送信号采用高斯最小频移键控( g msk ) ，它的特点是相位连续 中南大学硕士学位论文 同最小频移键控一样占用频带小，但由于引入高斯低通预调制滤波器，使 得码间串扰加剧根据信道的特点，接收信号为直射波分量、散射波分量 和高斯热噪声之和，即 式中s ( t ) 为直射波信号，d ( t ) 为散射波信号，n ( t ) 为高斯热噪 声 直射波信号表达式： ，( r ) = r e 、j 瓦e x p 啪( ，) e x p ，z ( 正+ l 。) f ) 式中p s 为直射波平均功率：巾( t ) 为输入比特流在t 时刻引入的 相位变化，由发送端高斯低通预调制滤波器引入( 对应于不同的高斯预调 制滤波器归一化带宽b tt ，接收端选取合适的带通高斯滤波器归一化带 宽b n t ，可忽略其引入的码问串扰) 其中b t 为高斯预调制滤波器3db 带宽，b n 为接收高斯带通滤波器3db 带宽，t 为比特持续时间选用不 同高斯预调制滤波器带宽时，输入比特流引入的相位会产生变化散射波 的表达式 d ( f ) = 2 只e x p ，o ( f f 。) 掌( f ) 式中p d 为散射波平均功率，ta 为散射波相对于直射波的时间延迟， i ( t ) 为一零期望的高斯随机过程接收信号的相位可表示为 中r = 巾s + n 式中巾s 为直射波引入的相位变化，中s = 中+ 2 nhfo ，。，t ，其中 中南大学硕士学位论文 中为输入比特流引入的相位变化，n 的取值取决于不同的检测方法，n 为 散射波和高斯噪声引入的相位变化 gmsk 信号的检测方法主要有相干检测、差分检测和多门限检测 3 种相干检测的缺点是需要从接收信号中提取载波，增加了捕获时间 在衰落信道下具有很高的地板效应，高速环境引入多普勒频移，且随列车 速度变化，加大了载波提取难度，容易造成偏差，使相干解调误码率急居 恶化 不同的输入比特流和b tt 对应不同的中值，对于1 比特差分检测，发 送比特为l 时，o 中 n ：发送比特为o 时，一 巾 1 0 0 0 0 小 时。 2 满足列车运行信息所需的信息吞吐量和实时性要求。鉴于本文采 用无线列调系统传送数据信息，而目前使用的模拟无线列调电台设备的 话音带宽为3 0 0 一3 0 0 0 h z ，所以用于数据传输的的速率选择i2 0 0 b s 是较 为合适的。 3 必须是一种故障一安全传输模式。所谓故障一安全传输是指由于传 输设备的故障或传输通道的噪声使传输的信息发生错误的情况下，能极 力防止倒向危险侧信息的错误传输的一种传输方式。 5 1 无线信道传输的特点 无线信道的主要特征是由于多径传播引起的快衰弱时延扩展和由于 移动台运动引起的多谱勒频移，以及由于阴影效应引起的馒衰弱。无线 信道属于一种复杂的时变信道，具有高噪声、高误码特点。接收信号的 功率可表示为： p ( r ) = “5 ( ，) r 2 ( ，) 其中川是移动台( 列车) 与车站台( 车站) 之间的距离； 川1 表示空间的传播损耗和弥散，n 一般等于3 4 中南大学硕士学位论文 s ( r ) 代表由地形起伏、建筑物及障碍物的遮蔽等引起的阴影衰 弱； r ( r ) 代表多径衰弱，它是由于各种发射物和散射体产生的直 射波、反射波和散射波的相互干扰和串扰，以及由多谱勒 频移产生的衰弱。 研究表明：移动体距基站较远，多径衰弱信号幅度服从瑞利分前， 如移动体所收到的各个波分量的振幅、相位和角度是随机的那么合成 的方位角和幅度的概率密函数分别是 p ( 目) = = 2 口 p ( r ) ：二p 一驴 口。 0 1 9 2 石 r o 式中a 为标准偏差。 阴影慢衰弱接收信号场强中值变动服从对数分布，即 p ( x ) ：三。一孚 z 石 其中，x 是接收信号的场强中值，x 。是工的平均值。 造成无线信道高误码的原因：列车沿途线路环境复杂，有高山、丘 陵、沟壑、平原或水域，有建筑物及各类植被，有各种电磁干扰，如列 车本身的大功率牵引电机的电磁场及电机换向，电气化区段供电网的高 压放电，弓网之间的接触火花及列车之外的无线电台、寻呼台等。 多径衰弱的影响：在运动中的列车，它所收到的信号是同一信号经 中南大学硕士学位论文 过多次反射、散劓或绕射后各分量的结合，在任一点上的场强是多径信 号矢量合成的结果，从而形成了随机驻波场。列车在这种驻波场中运动 接收场强就会出现起伏变化，即多径衰弱。列车接收到的信号为 一 s ( f ) = i e “”“”峨 其中，n ，为信号振幅，矗，为传输系数，i 为第i 个信号分量，t 为时间，v 是车速。 多谱勒效应的影响：多谱勒效应对高速移动体接收信号的频谱有 很大影响，由多谱勒效应引起的附加频移称多谱勒频移，可表示为 厶= ( p 丑) c o s 口 其中d 是入射电波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度，丑是波长。 多谱勒效应造成当发射频率为f 。时，在接收端电波的功率谱s ( t ) 被展 宽为f 。一f 。到f 。+ f 。( f 。= 岫x ( f d ) ) ，在多径环境下，这种频移成为多谱 勒频展。多谱勒效应产生的衰弱称为时间选择性衰弱，它对误码率有明 显的影响，为减小其影响，要求码元速率远大于衰若节拍的速率。 误码率和信息传输速率有关，资料表明：在平均信噪比s n r = 4 0 d b 时，当传输速率v b = 1 6 k b ，误码率b e r = 2 1 l o ；v b = 6 4 k b s ，b e r = 4 l o 。 v b = 1 2 8 k b s ，b e r = j 2 1 0 ；v b = 2 5 6 k b s ，b e r = 2 0 5 1 0 ，可见，传输 速率越高误码率也越高。 5 2 数话同传无线传输的可靠性分析 中南大学硕士学位论文 分析无线传输的可靠性，首先需分析无线传输能否满足i t s 、i r t s 对安全性的要求，再进一步分析无线传输能否满足二者对效率的要求。需 明确以下两点： 1 )信息以帧格式发送，对机车运行信息产生直接影响的是误帧率( f e r ) 而不是误码率( b e r ) ，可以通过检、纠错编码，提高传输可靠性。 2 )可能导致事故发生是未检出的传输错误( 同时接收端将分析信息的 合法性) ，通过选择合适的错误检测能力的码字( 如：给码字加上3 2 位的循环校验码) ，可使未检出码字错误的概率低于l0 。4 ，这能很好 满足i t s 、i r t s 对安全性的要求。 通过检、纠错编码措施，无线通信虽能满足i t s 、i r t s 对安全性的要 求，但如果误帧率过高，将降低控制、定位精度，使车辆列车运行过程中 频繁制动，最终使无线通信不可用。因此，需进一步分析误码率能否满足 二者对效率的要求。高速情况下由检错重传造成的传输延迟将对车辆 列车控制造成明显的负面影响，故在下一通信周期，控制中心才能获得车 辆列车的位置、速度信息，车辆列车才能获得控制命令。假定通信响应 周期为5 0 0 m s ，当车辆列车速度为2 0 0 k m h 时，两个周期内车辆列车已 走行5 6 【l ，由此可能造成车辆列车对紧急制动命令的响应延迟。在设置 安全运行间隔时，须考虑车辆列车在连续检错重传时间内的走行距离 最大检错重传次数取决于通信响应周期、突发帧错误平均长度、车辆 列车速度、密度、制动性能等因素。重传次数超过最大值，车辆列车实 中南大学硕士学位论文 施紧急制动。突发帧错误直接影响车辆列车的控制及线路的通过能力 若平均误帧率、突发帧错误平均长度过大，则不能用于车辆列车控制。 在有记忆信道中，相邻帧的传输不是独立的，特别是在衰落速率相对帧传 输率较小的情况下。此时突发帧错误平均长度和平均误帧率间的关系主 要取决于单位多普勒频移，受调制方式的影响很小。通过仿真获得不同单 位多普勒频移下突发帧错误平均长度与平均误帧率的关系，见图5 一i 所 示。具体做法如下： 第一步：根据信道特点将衰落过程等效为一具有单位功率的非零均 值的复高斯过程 ，( f ) ( 目l ，( f ) 2 卜1 ) 其频谱满足下式： 跗) 邓( o ) 1 - 去】2 2 式中，f d m 为最大多普勒频移。 中南大学硕士学位论文 图5 1 不同单位多普勒频移下，平均误帧率e 与突发误帧错误平 均长度l 的关系曲线 则该高斯过程对应的自相关函数为 眉( r ) = e ，( f + f ) 一) 】( r ( r ) 一) 】= ，o ( 2 ，死m f ) 式中，j o 为o 阶第一类贝塞尔函数：u 为复高斯过程均值。根据上式产生 随机信号仿真信道的衰落过程。 ，矗第 帧正确译码 b 第f 帧译码错误 式中，v i 表示第i 帧接收信号的幅值：b 为门限功率，l b 即为系统能承受 的最大衰落( 衰落储备) 。根据误帧率选取不同的门限功率 式中，e 为平误帧率。 掘 孵孵 输 o o 吖f 舳 一 刚 晟 二 第 中南大学硕士学位论文 阀值摸型虽简化了信道的实际情况，但仍能f 爿更复杂的模型( 考虑编 码、调制方式) 一样获得不同单位多普勒频移下，突发帧错误平均长度与 平均误帧率的准确关系。使用阀值模型极大地减轻了仿真的工作量。对 随机信号进行间隔为n t ( n 为帧长度，t 为比特周期) 的抽样，根据帧传输 过程式获得bi 序列。 第三步：将bi 序列近似为一阶马尔可夫过程，通过二阶联合分布的 仿真获得其转移概率r = p ( 成功；失败) ，求得突发帧错误平均长度l = l r 。 i t s 中车辆速度较低，在相同载波频率、数据传输率、信息长度情况下 单位多普勒频移较小，从图5 一l 所示可以看出，同一平均误帧率对应出现 连续帧错误的概率增加，而车辆间隔较小，突发连续帧错误将对车辆控制 产生严重影响。i r t s 中列车速度高，制动、加速距离长，突发连续帧错误 将导致列车频繁制动、加速，降低区间通过能力。因此，为使无线传输能 够用于车辆列车控制，应在各种速度下控制误帧率，使得突发帧错误平 均长度趋近于l ，即p ( 失败l 失败) o ( 出现连续帧错误的概率趋近于o ) 。 发送信息时，采用对同一帧连续发送两次以上的方法。从图5 一l 可以看 出，f e r -： 令部轮渤命令 30 0 。s d a tr 1 j f s l 应菩 2 0 0 ms d a tr f s2 应答 d a tr ( = 二一 f sn 应答2 0 0 m s d a t ，r = = = = _ s m 应答 图6 一l 全部轮询访问方式的基本过程图 图中，d c c t 为调度中心控制器，f s 为车站台，s m 为系统管理器。 d c c t 开机。d c c t 向其管辖的所有f s 发送全部轮询命令r q d c 。各 f s s m 收到全部轮询命令后，依次向d c c t 发送应答d a t r 。第一个f s 向d c c t 发送响应是在其收到轮询命令3 0 0 m s 后开始的，其他f s 和s m 在收到轮询命令3 0 0 m s 后，依次间隔2 0 0 m s 开始向d c c t 发送响应。由于 话音与数据共享同一信道，在话音通信过程中，轮询过程将被禁止，也 就是说，轮询过程只有在信道不被话音通信占用时进行。 个别轮询是指某个f s 或s m 收到d c c t 命令后，向d c c t 发送p r q 请 中南大学硕士学位论文 求，以响应d c c t 命令，d c c t 根据需要对某个f s 或m s 进行查询。采用 个别轮询可以保证数据的及时传送，降低数据传送的延时。图6 2 为f s i 请求个别轮询的过程。 d c c tf s lf s ) c c t 开机l r q d c 。 7 r，r d a tr p r q d a t r r q d c d a t r 图6 2f s 请求个别轮询的过程图 图中d c c t 开机：d c c t 向其管辖的所有f s s m 发全部轮询命令 r q d c ：其中f s i 要求想d c c t 发送数据，向d c c t 发送个别轮询请求命 令p r q ：d c c t 想f s i 发送个别轮询命令r q d c f s i 向d c c t 发数据 d a t r 。 系统采用全部轮询和个别轮询有机结合，既解决了信道共享、多站 接入的困难，又保证了数据传输的实时性。 中南大学硕士学位论文 第七章地面传输子系统 由传输系统传送过来的机车运行数据作为信息资源，通过铁路公用 数据分组交换网( x 2 5 ) 可连通到路局、分局、机务段各处，将原来孤立的 数据变成共享的网络信息资源，为机务系统各管理层和有关部门进行行 车安全监督、管理、决策，以及列车运行监控记录装置维修提供了实时有 效的信息服务，对实现机务行车安全管理现代化具有重要意义。 7 1 地面传输系统的组成 7 1 1 地面传输系统的结构 当机车运行信息通过无线系统传送到车站台( 车站) 后，车站台 再传给调度中心，由调度控制器输出，通过接入控制器与铁路分组交换 网相连，从而实现运行信息到机务段或其它部门的传送。其传输系统的 结构如图7 1 所示。 i ：一 一谳蕊耐 调度中心控制器 ；域_ _ ；接入控制器 图7 一l 地面传输系统结构图 中南大学硕士学位论文 目前，对于较大的车站，已采用小型机或微机连成了局域网。从调 度控制中心输出的机车运行信启、由接入控制器，通过路由器接入铁路分 组交换网，写入铁路分局或铁路局机车运行信息动态数据库。对于未连 成局域网的车站，可通过分组拆装设备( p a d ) 将机车信息通过分组网写 入数据库。机务段通过动态信息浏览器实时访问机车信息。 系统建成后具有以下功能： ( i ) 可以解决小运转机车、调度机车监控装置记录数据无法或难以 获取的问题。尤其对轮( 继) 乘方式的机车的监控装置记录数据转储更 为方便。 ( 2 ) 机车在运行中发生故障或发生事故，可在最短时间内将监控装置 记录数据传回机务段或其它规定权限的部门，以便及时了解列车运行情 况。 ( 3 ) 采用列车实时跟踪，能准确有效地对机车乘务员作业过程进行监 督管理。尤其是对慢行区段( 临时限速区段) 进行直接监督 ( 4 ) 抽查各趟列车运行情况，及时指导乘务员正确操纵列车，提高乘 务员的操纵水平和列车正点率。 ( 4 ) 机车在段外运行中，定时将机车运行状况的数据传回本段，经过 处理，为机车回段作状态修或预防修及时提供依据。 中南大学硕士学位论文 该系统不仅提高了数据转储速度和工作效率，而且减轻了人员劳动 强度。解决了机务段部分长期在外运行的机车，不能定时将机车运行状 况的数据文件传回本段的问题。 7 1 一2 一铁路分组交换网 我国铁路己形成铁道部、铁路局、铁路分局三级计算机中心和计算 机网络，这是铁路专用网络。其他铁路部门通过通过铁路分组交换网联 成了一个庞大的铁路计算机通信网。在本文中铁路分组交换网是地面 传输子系统的中枢。 铁路分组交换数据网是为铁路运输管理信息系统( t m i s ) 而建设的， 由基干网和基层网组成。t m i s 的体系机构为：中央数据库；部、局、分 局三级局域网( l a n ) ：1 8 0 0 多个主要站段信源点计算机系统以及车辆、 机务、统计、财务、电务等方面等计算机应用系统。 符合国际电信联盟i t u tx 2 5 规程的分组交换数据通信以其特有的 网络特征，给网络运营者和数据通信用户提供了丰富的功能和优良的性 能。铁道部将分组交换数据通信网规定为承载铁路数据通信的主体。 铁路数据通信网由数据交换设各和数据传输设备两部分组成，网络 管理系统对整个网络进行管理，是数据通信网不可分割的重要组成部分。 从功能上来分，数据通信网的网络结构分为两层。上层网络称也称 中转网、骨干网、基干网，分别在路局和分局设置节点机，阻分层辐射 中南大学硕士学位论文 和部分网状相结合的方式构成分组交换基于网，其功能是中转数据。上 层网具有吞吐量大、速率高、网络可靠性高的特点。 下层网络也称访问网、接入网、基层网，基层网在分局以下根据信 息点分布及现有电诌情况，采用树形结构组成多种方式的基层信息收集 网。如采用复用或其它技术以专线方式收集信源点信息；在通信线路紧 张而信息量不大的信源点利用电报、电话交换线路收集信息；在信源点 较为集中的地方采用p a d ( 分组拆装设备) 直接收集信息。由于下层网 分布面广，占用的通信资源远大于上层网，加上下层网的局缺损对全网 的影响面较小，从经济角度考虑，下层网的网络拓扑以辐射状为主，辅 以适当的迂回路由，或构成局部环状结构。为保证基层网的可靠性，不 论以何种数据交换设备至少应与两个其它数据交换设备相连。基层网的 基本功能是将数据终端设备( d t e ) ，如计算机主机、微机、局域网、终 端等接入数据通信网。 铁路数据通信网具有多种网络接口规程和物理接口，利用不同的规 程和接口，它可以方便地与各种通信网络、数据终端进行互连，其连接 方式如图7 2 所示。 中南大学硕士学位论文 图7 2 铁路数据通信网与其它网络、终端的连接 铁路分组数据通信网向用广提供的业务分为摹本业务与可选业务。 基本业务功能是分组网对所有用广提供的功能，可选q p 务足面向用户要 求提供的功能，各类i l j ，、u _ 自行选择。 7 1 3 用户接入技术 根据用，r l i 性质，用户接入分组网的方式有如下几种。 局域网通过路由器与分组网互连。路由器可采用专用路由器 ( c is c o 、i b m 、p 等公司路由器产品) ：或插卡式路山器( f ic o n 卡) 。 路由器连到分组网节点的x 2 j 端口。 中南大学硕士学位论文 2 主机与分组终端( p t ) 可直接或经过m o d e m 连到分组交换网x 25 端口，采用同步二线全双工传输方式。物理接口符合r s 一232 d ( v ，24 、 v 28 ) 及v 35 建议。 3 非分组终端( n p t ) 入网。采用异步传输方式。接口规程应符合 i t _ j tx 28 建议。p a d 规程也应符合x 3 建议。 4 对于电话交换网( p s t n ) 的数据用户，分组终端( p t ) 进网的接 口规程符合x 3 2 ；非分组终端( n p t ) 进网接口规程应符合x 28 建议。 所用m o d e m 应具有自动呼叫v 25 b i s 及x 32 建议功能( 对于p t ) ，或具 有a t 命令集( 对于n p t ) 5 低速数据用户如普报、确报终端入网，可经复用设备( m u x ) 、 m o d e m 连到p a d 的异步端口，应符合x 28 建议。 6 传真机( f a x ) 可用两种方式接如分组网。其一是采用传真分组 拆装设备( f a x p a d ) ，传真机经过电话交换网连到f a x p a d ，再接入分组 网节点机的x 25 端口：其二是利用传真服务器，传真机通过电话交换网 与传真服务器作为前端处理机，实现通信处理，并连接到系统主机，主 机再与分组交换网相连，实现传真用户入网。 用户入网方式如图7 3 所示。 中南大学硕士学位论文 图7 3用户计算机与分组交换网互连方式 p t ( x 3 2 ) n r t 机务段内部已形成局域网，所以可选择通过路由器和分组节点的 x 25 端口相连进入分组数据交换网。 机务段连接铁路分组网需要如下设备 1 数据终端设备( d t e ) ：一个支持x 25 协议的路由器、桥接器或 其它中继设备。 2 r s 232 、r s 42 2 、x 2 l 或v 3 5 连接电缆。 3 一个连接d t e 到本地回路的同步调制解调器或d s u c s u 。 连接图如图7 4 所示。 中南大学硕士学位论文 l a n 图7 4 机务段联网设备连接图 机务段软硬件配置清单如表7 1 。 表7 一l 机务段配置清单 1 名称性能指标软件配置用途 系统服 i b mc s320 p 166 ，32 mw 1 n d o w sn ts e r v e r域控制、网 务器内存，2 g 硬盘3 c 。m32 i n f o r m a 七i o ns e r v e r络管理、信 位网卡息服务 数据和同上s q ls e r v e r数据库及通 通信服讯邮件 路由器 m a i ls e r v e r 务器 工作站 i b mp c p l 33 ，16 内远程访问 存，1 g 硬盘调制解调 器 u p s 在线式2 k v a2 小时网络服务和 通信保障 中南大学硕士学位论文 7 2 机车运行信息数据组织与管理 首先我们来看机车运行信息流程，如图7 5 所示。根据信息流程 机车运行数据库可采用分布式数据库，在铁道部、路局、分局三级分 别建立各自的数据库，数据库访问基于本地访问为主，在分局管内产 生的机车运行数据存储于分局数据库，否则存储于局内数据库。 由于机车运行数据是实时信息，其相应数据库应组织为动态数据 库。数据库文件是地面处理系统的基础，数据库是地面处理系统的重 点。在数据库的设计中，先考察数据库系统的分层结构与地面信息系 统不同发展阶段的对应关系。数据库系统分为四个阶段：一是显示于 终端的数据结构，它反映了终端用户的观点；二是用户程序中的数据 结构，它反应了用户程序员的观点，用数据模型说明：三是数据库中 的数据结构，反映了管理员的观点，用数据全局模式说明；四是存储 设备的数据结构，它放映了数据库设计者的观点，用数据物理结构说 明。 在地面处理系统中，用户终端系统应保留原监控装置地面微机处 理系统的功能，增加网络数据处理功能，数据访问以铁路分局数据库 为主，对必要数据可从铁路局数据库获取。 中南大学硕士学位论文 椰中心岛域蜘 图7 5 信息流程图 注：s e r v e r 为服务器，d i s k 为共享磁盘阵列，r o u c e r 为路由 器， w s 为工作站，p c 为计算机。 中南大学硕士学位论文 第八章结束语 本文中我们利用话音压缩扩展技术在无线列调系统中增加数据 传输实现数话同传，把机车监控装置产生的机车实时信息传送到车 站，通过铁路分组数据交换网把这些信息传送到机务部门，使得机务 段可实时掌握运行中机车的状态。 本文详细分析了实时传输系统中的若干关键问题 1 机车运行信息的获取，采用监控装置接口电路实现 2 话音压缩扩展技术采用在u i c 建议的话音压缩标准中增加 话音压缩、扩展的控制信号压缩方案 3 数据话音同传技术，采用压缩话音与数据复接技术实现 4 无线数据传输差错控制，采用f e c + a r q 的混合差错控制技术 5 数话同传通信协议，采用无线与有线通信协议相结合的方式 6 地面数据传输的实现，利用x 25 分组网实现数据传输。 这些问题的解决方案在本文相关章节中有详细论述。 由于系统的无线数据传输是建立在无线列调基础上，因此机车信 息数据的传送的优劣受到无线列调系统的限制。为实现机车数据高效 传送和列车控制等信息的准确、快捷传输，铁路部门已开始研究新一 代综合、数字、多媒体移动通信体制，以适应现代高速铁路运输发展 的需要，届时机车运行数据的传输问题也迎刃而解了。 中南大学硕士学位论文 参考文献 1 吴汶麒国外铁路信号新技术北京：中国铁道出版社，2ooo 2 倪维桢数据通信原理北京：中国人民大学出版社，1999 3 刘基余等全球定位系统原理及其应用测绘出版社，1 9 95 4 王维汉等铁路专用通信北京：中国铁道出版社，l 995 j 员春欣铁路信号容错技术中国铁道出版社，1 995 6 g c 小克拉克著，聂涛等译数字通信中的纠错编码国防工业出版 社，1 9 9 8 7 。k a v b np a h l a v a n w i r e l e ssd a t ac o m m u n i c a 匕i o n p r o c o c h e i e e 兰，v 0 1 8 2 n 0 9 ，s e e p ，1 994 8 郭梯云等数字移动通信北京：人民邮电出版社，l995 9 孙涵芳等m c s 一5 1 9 6 系列单片机原理及应用北京：北京航空航天 大学出版社，l99 8 lo 王福瑞等单片微机测控系统设计大全北京：北京航空航天大学 出版社，l997 1 1 沈德金等m c s 一5 1 系列单片机接口电路与应用程序实例北京 北京航空航天大学出版社，1 996 12 郑祖辉等集群移动通信工程北京：人民邮电出版社，l996 1 3 孙育才m c s 一5 l 系列单片微型计算机及其应用南京：南京工学院 出版社，19 9 5 中南大学硕士学位论文 1 4 铁科院铁道通信信号1 9 95