【摘　要】　研制了列車監(jiān)控裝置無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成、功能及特點，主要對其轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)的modem編程進行了設(shè)計。
??? 關(guān)鍵詞：監(jiān)控，無線數(shù)據(jù)傳輸，機車，實時
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1　引　言
　　國外對無線列控系統(tǒng)的研究已有多年的歷史，如歐洲鐵路聯(lián)盟研究所開發(fā)的ETCS（EuropeanTrain Control System）系統(tǒng)，美國的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系統(tǒng)，瑞典ABB公司開發(fā)的RBS（Radio lockystem）系統(tǒng)等。而我國多年來鐵路事業(yè)發(fā)展緩慢，關(guān)于無線列控系統(tǒng)尚無較為成熟的理論，我國列車運行監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)的提取仍然是通過人工轉(zhuǎn)儲方式來實現(xiàn)的。為此，本文設(shè)計了無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)具有支持數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)這一功能來實現(xiàn)車臺和基站之間的數(shù)據(jù)通信，從而來完成遠端基地臺對列車的監(jiān)控，在節(jié)省開銷和經(jīng)濟成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系統(tǒng)的效率，是一種現(xiàn)代化的通信方式。由于監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要為動態(tài)信息處理，所以很適合以計算機控制收發(fā)設(shè)備的方式來實現(xiàn)。考慮到單片微處理器的低廉成本，這里設(shè)計的轉(zhuǎn)儲發(fā)送控制電路大多采用單片機完成，只在基地臺人機管理界面處使用PC機，實現(xiàn)良好的管理控制環(huán)境。
2　系統(tǒng)總體描述
2．1　設(shè)計目的
??? 該系統(tǒng)是為配合列車運行監(jiān)控記錄裝置（簡稱監(jiān)控裝置），提高監(jiān)控數(shù)據(jù)的實時性而設(shè)計的。眾周所知，監(jiān)控裝置所記錄的各種數(shù)據(jù)是機務(wù)運行安全管理的重要信息，是分析列車運行狀況的重要數(shù)據(jù)資料，它為行車安全提供了必要的安全保障，同時又為機務(wù)統(tǒng)計和電務(wù)信號提供原始數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了最新的數(shù)字信號處理技術(shù)和我國成熟的GSM網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它將監(jiān)控裝置記錄的數(shù)據(jù)進行高效率壓縮和讀出，然后異地、遠程無線傳輸至地面安全管理微機處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托覆蓋范圍廣泛的中國電信國家公眾網(wǎng)，能夠及時、穩(wěn)定、可靠、保密、有效地將列車運行監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀芾聿块T，從而提高了管理部門對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析效率和可靠度，克服了由于監(jiān)控數(shù)據(jù)滯后而給分析帶來的不利影響。
2．2　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的組成
　　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由遠端控制系統(tǒng)（主要為PC機）、移動臺系統(tǒng)、轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和記錄板系統(tǒng)四個子系統(tǒng)構(gòu)成，各部分之間具體關(guān)系如圖1所示。
　　遠端控制系統(tǒng)負責對列車發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，并具備對列車進行實時跟蹤的功能；轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)通過RS－232口和記錄板相連，同時又通過一塊通信芯片擴充了一個標準的RS－232口同移動臺的串行口相連接，其中轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和記錄板的接口控制比較簡單，只需要完成讀文件目錄和讀文件兩種操作，其工作類型屬于半雙工。而轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)和 移動臺的接口控制相對較復雜，在完成全雙工收發(fā)數(shù)據(jù)的同時還要完成對基地臺不同指令的分析處理，此外還要實時地監(jiān)控鏈路的狀態(tài)；移動臺系統(tǒng)的主要設(shè)備為可以入網(wǎng)（GSM）的車載電臺或無線電手機，為與本系統(tǒng)兼容，移動臺的承載業(yè)務(wù)要求在V．32以上，即至少可以做到9600波特以上全雙工收發(fā)數(shù)據(jù)，移動臺在使用之前必須先對其內(nèi)置Modem進行初始化編程，使之在信令識別、流量控制等方面與轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)通信芯片的初始化相一致；記錄板系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)采集接口、存儲、發(fā)送功能，采集的數(shù)據(jù)通過記錄板的數(shù)據(jù)采集接口被讀入記錄板的存儲區(qū)，記錄板通過串行口把轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)指定的數(shù)據(jù)發(fā)送到轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)的存儲區(qū)。記錄板接受轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的控制，當轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)以約定的幀格式和波特率發(fā)送指令時，記錄板會按照指令的要求來完成相應的工作。其中，記錄板系統(tǒng)是列車運行監(jiān)控記錄裝置的一個標準插件。
2．3　系統(tǒng)功能
??? 該系統(tǒng)具備以下功能：
　 （1）機車乘務(wù)員可隨時將列車當前運行數(shù)據(jù)回傳給機務(wù)段微機處理系統(tǒng)；
　 （2）機務(wù)段微機處理系統(tǒng)可以隨時呼叫機車上的監(jiān)控裝置，取得該裝置記錄的所有數(shù)據(jù)；
　 （3）地面分析人員可以實時跟蹤、了解機車的運行情況；
　 （4）機車乘務(wù)員可以在機車運行中隨時與指定的電話聯(lián)絡(luò)；
　 （5）地面處理系統(tǒng)能對機車回傳的數(shù)據(jù)及時處理，為機務(wù)安全、運用、檢修、統(tǒng)計等部門及時提供所需的數(shù)據(jù)，還可為電務(wù)部門提供線路信號狀況。
2．4　系統(tǒng)特點
　 （1）人機界面友好，操作方便。監(jiān)控系統(tǒng)采用VC＋＋6．0設(shè)計了基于Windows的多窗口多視類風格的圖形化用戶界面，用戶根據(jù)機車車臺的SIM號碼，可以實時觀察跟蹤該機車的運行狀況，有選擇地進行數(shù)據(jù)的實時存儲。離線處理功能為用戶提供了多種數(shù)據(jù)統(tǒng)計、自動生成標準表格及打印等功能?！?br>?? （2）良好的可擴展性。在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計過程中，完全采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計技術(shù)，充分保證系統(tǒng)軟硬件具有良好的可擴展性，可以方便地接受創(chuàng)
新技術(shù)的應用，能適應系統(tǒng)功能不斷增強的需要?！?br>　 （3）容錯能力強。電源線和信號線錯誤連接及軟件操作錯誤都不會導致硬件和軟件損壞。
3　MODEM的通信控制
　　該系統(tǒng)的通信協(xié)議是根據(jù)XMODEM協(xié)議演變而來的，XMODEM協(xié)議是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一種文件傳輸協(xié)議，至今仍得到廣泛使用。
　　XMODEM協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是信息包，包含一個標題起始字符SOH、一個單字節(jié)包序號、一個包序號的補碼、128個字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個單字節(jié)的校驗和。它把數(shù)據(jù)劃分為128字節(jié)的小“包“進行發(fā)送，每發(fā)送一個小“包”后都要檢驗是否正確。如果發(fā)現(xiàn)有錯，則再重發(fā)該小“包”，否則繼續(xù)發(fā)送下一個小“包”，直至整個文件傳輸完畢。因此，XMODEM是一種發(fā)送等待協(xié)議，具有流量控制功能。
　　XMODEM的主要優(yōu)點是簡單、通用，基本上所有的通信軟件都支持該協(xié)議。但由于每個信息包只有128個字節(jié)，而且采用出錯重發(fā)方式，每次都要等待發(fā)送，文件傳輸速度很慢，對于9600bps的高速MODEM而言顯得非常慢。這種包比較大，很不適合我們完成遠端控制系統(tǒng)對機車的實時跟蹤這項任務(wù)。此外，它的檢錯能力也不高（50％），為了保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，需要一種檢錯能力強的通信協(xié)議。所以，我們沒有直接采用這種通行規(guī)程，而對它進行了改進，下面是經(jīng)我們改進過的通信協(xié)議。
　　本設(shè)計傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位也是信息包，但包的結(jié)構(gòu)不同于XMODEM。我們發(fā)送的信息包含有：三個字節(jié)幀頭（同步字），以保證每次接收端都能夠正確地找到幀頭；一個字節(jié)的命令／數(shù)據(jù)標識位，這樣就把命令和數(shù)據(jù)分開處理便于接收端對命令和數(shù)據(jù)的正確區(qū)分和處理；兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)包序號（如果是命令此處以FFFF補齊），這樣就解決了每次發(fā)送一個大的文件時包的數(shù)目很大乃至大于255的矛盾；然后是一個字節(jié)的命令字，接下來是16個字節(jié)的數(shù)據(jù)（或命令參數(shù)），最后是兩個字節(jié)的CRC校驗位，32位的CRC對于20個字節(jié)（包序號＋數(shù)據(jù)位）的檢錯能力大于97％，這樣就大大地提高了系統(tǒng)的檢錯能力。在9600bps的高速環(huán)境下，以這種短小結(jié)構(gòu)的包仍能夠滿足在較短時間內(nèi)完成發(fā)送文件的任務(wù)，同樣，這也意味著我們對無線信道的資源浪費并沒有明顯增加，而且除了具有較強的檢錯能力之外，它還有一個更適合我們系統(tǒng)的特點就是它短小的結(jié)構(gòu)更利于我們完成遠端控制系統(tǒng)對機車的實時跟蹤，這是一種適合實時跟蹤、強檢錯、效率相對較高的幀結(jié)構(gòu)。具體幀結(jié)構(gòu)如下：

4 MODEM編程
　　為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)能夠正確、高效地在GSM網(wǎng)上傳輸，調(diào)制解調(diào)器是不可缺少的。在整個系統(tǒng)的設(shè)計中共有兩處用到了調(diào)制解調(diào)器，一處是遠端控制系統(tǒng)直接和計算機的標準串行口相連，另一處內(nèi)置于移動臺系統(tǒng)。兩個調(diào)制解調(diào)器完成的功能是相同的，即完成數(shù)字信號和模擬信號之間的轉(zhuǎn)換，下面作具體介紹。
4．1　Modem通信控制

　　 Modem通過AT命令可以控制它的三種不同狀態(tài)，即離線命令狀態(tài)、在線狀態(tài)和在線命令狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。如圖2所示。
4．2　通信握手
　　主叫和被叫之間為了能夠保證通信的順利、準確進行，必須使用握手過程。下面以基地臺作為主叫，移動臺作為被叫，主叫要求被叫發(fā)送文件為例來說明主叫和被叫之間的握手。如圖3所示。

4．3　中斷流程和發(fā)送數(shù)據(jù)包流程
??? 程序設(shè)計采用中斷和查詢相結(jié)合的手段，只允許接收出錯中斷和接收就緒中斷，而禁止其它中斷。發(fā)送采用查詢方式。RAM區(qū)里單獨開啟了一塊包發(fā)送標志區(qū)，在發(fā)送新文件之前清除從前的內(nèi)容。每一個包都對應一個固定位置（6個字節(jié)），其結(jié)構(gòu)如下
　　在發(fā)送時若發(fā)現(xiàn)某個包發(fā)送的時間與當前時間相差60秒以上而未收到回執(zhí)，便認為此包發(fā)送失敗，若發(fā)送次數(shù)小于3則進行優(yōu)先重發(fā)處理。若大于或等于3則認為此包無法成功發(fā)送，不予處理且越過。
　　在滿足優(yōu)先發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)包前提下，同時，也為了優(yōu)化程序起見，程序中引入了計數(shù)器變量P，K。
??? P的含義：
　 （1）P之前的所有包必須滿足條件A：得到正確回執(zhí)或雖未得到正確回執(zhí)但發(fā)送次數(shù)大于等于3。
?? （2）P距離當前欲發(fā)送包I最近。K的含義：
　 （1）K滿足條件B：第K個包未得到正確回執(zhí)且發(fā)送時間超過60秒發(fā)送次數(shù)小于3。
?? （2）K在P和I之間且距離P最近。在發(fā)送下一個包時，若發(fā)現(xiàn)P和I之間存在一個這樣的K，則優(yōu)先發(fā)送K。

4．4　監(jiān)控程序
　　監(jiān)控程序要實現(xiàn)的功能包括主叫回傳、車臺回傳、實時跟蹤、時鐘校正、車臺密碼、系統(tǒng)口令、文件注冊等幾個功能。主叫回傳是地面微機處理人員接受所選機車的文件目錄，并將該目錄文件的數(shù)據(jù)自動保留到指定的數(shù)據(jù)庫中；車臺回傳是機車入庫或出現(xiàn)故障時，乘務(wù)員將機車當前文件回傳給地面微　　?

機處理系統(tǒng)；實時跟蹤可顯示機車當前的各項運行數(shù)據(jù)；向機車發(fā)送標準時間，可完成監(jiān)控裝置的時鐘校正功能。此外，查看文件時，可按時間和關(guān)鍵字進行查詢，并生成鐵路局統(tǒng)一報表格式；地面微機處理人員可以隨時修改與車臺的通話號碼等等。
5　結(jié)束語
　　本系統(tǒng)的開發(fā)填補了國鐵路無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的一項空白，在濟南鐵路局運行期間，該系統(tǒng)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。由于本系統(tǒng)適用于移動通信比較完善的地區(qū)，所以，一些山區(qū)或移動基站建設(shè)較落后的地區(qū)，由于存在較多的盲區(qū)，使系統(tǒng)的性能受到影響。此外，因為轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)在整個通信的過程中，只起到了一個接口的作用，所以，Modem的編程軟件與記錄板系統(tǒng)和移動臺系統(tǒng)分離之后，修改部分軟件，轉(zhuǎn)儲發(fā)送系統(tǒng)也可以作為其它的接口在有線網(wǎng)上傳輸。

　

1　Theodore S．Rappaport．Wireless Communication Prin－ciples and Practice．Beijing：Publishing House of　　Electronics Industry，1999，6
2　Steele，R，ed．Mobile Radio Communication．IEEE　Press，1994
3　Sklar，B．Defining，Designing，and Evaluation DigitalCommunication System．IEEE Communications Magazine，November 1993
4　T SRappaport，JH Reed，and BD Woerner．PositionLocation Using Wireless Communications on Highwaysof the Future．IEEE Communications Magazine，October 1996