一種列車完整性監測系統的設計

李 偉，王 劍，蔡伯根，上官偉

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京100044；

2. 北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室， 北京100044）

利用車載設備進行列車自主完整性檢查即檢測列車在運行中有無分離現象，是列控系統的重要功能之一，對于保障鐵路運輸安全具有重要意義[1]。目前國內大多采用監視列車尾部風壓的方法。由于列尾裝置檢測部件單一，抗干擾能力差，一旦發生故障，容易造成虛警或漏警，影響列車的行車安全和行車效率[2~3]。

隨著GSM-R和GPS等先進技術在鐵路領域的廣泛應用，為提高完整性監測系統的可靠性，本文結合目前的列尾裝置，增加GPS定位模塊和加速度傳感器，基于多傳感器信息融合技術進行完整性監測，通過GSM-R網絡將多傳感器信息傳輸到地面監控服務器，各監控計算機可以實現資源的共享。

1 系統總體架構

1.1 系統組成

本系統由車載設備與地面設備組成。系統結構如圖1。

圖1 列車完整性監測系統結構圖

車載設備包括列尾終端設備（EOT）和車頭終端設備（HOT），由GPS定位模塊、GSM-R無線通信模塊、加速度信息采集模塊、風壓信息采集模塊，數據存儲模塊組成。地面設備包括控制中心服務器端和客戶端。

控制中心服務器接收多傳感器數據信息，監測列車的完整性狀態，并將相應數據信息轉發到車載設備及客戶端。車載設備與控制中心服務器端采用GSM-R方式完成雙向通信，客戶端通過局域網或廣域網訪問控制中心服務器，實現數據資源共享。

1.2 系統工作原理

列車在運行過程中，車載終端采集多傳感器數據信息，基于GSM通信模塊，將多源數據信息傳輸到控制中心服務器。

控制中心服務器通過監測列車尾部風壓、比較列車頭部與尾部的加速度及GPS定位測量車長的方法，進行決策級信息融合，綜合判斷列車的完整性狀態，并將狀態信息轉發至車載終端。車載終端將狀態信息傳輸至司機控制盒，實現列車狀態顯示及語音播報。也可根據需求向車載終端發送控制命令，如設定傳感器信息采樣頻率等，實現遠程控制車載終端的工作狀態。

客戶端通過局域網或廣域網訪問控制中心服務器，根據權限調用數據庫中的數據，并以圖、表、曲線等可視化形式表現給用戶，并提供管理員客戶對數據的處理與分析功能。

2 關鍵技術分析

2.1 車載終端設計

2.2.1 車載終端硬件設計

車載終端硬件由微控制器ARM7, GPS模塊，通信模塊，加速度計模塊等組成。車載終端包含以下功能：

（1）采集GPS、加速度、列尾風壓數據信息；

（2）記錄多傳感器數據，建立列車運行日志；

（3）通信功能；

（4）工作狀態顯示；

（5）提供人機調試接口。

在車載終端硬件結構中，微控制器ARM7是整個車載終端的核心。本文選用AT91SAM7S256芯片，它是基于ARM7TDMI的高性能32 bit RISC微控制器，具有64 KB內部RAM，256KB片內flash。該處理器接口可以實現不同傳感器信息的采集，并為傳感器部分的擴展提供很大的方便。

無線通信單元使用EM310模塊，該模塊性能穩定，支持GSM標準的AT指令，還附帶有功能強大的自有命令。模塊內部有TVS管，防止出現燒卡現象。在本設計中無線通信單元負責與主控中心進行通信，實時地向主控中心上傳數據信息并且接受主控中心的控制命令。

GPS接收機選用Super Star II，它是一款并行12通道單頻導航型GPS接收機板卡。通過RS-232串口輸出導航定位的解算結果，可輸出精度為50 ns的PPS信號。

加速度計單元使用SCA3000三軸加速度傳感器，它采用SPI數字串口通信，具有64組緩沖存儲器記錄數據，采用先進的硅電容技術，具有能耗低，過載能力強，外圍電路簡單等特點，易于集成到各種應用當中去。

為了建立列車運行日志，系統工作時需要保存各傳感器采集的數據信息。對列車運行日志的記錄采用SD卡來實現。處理器通過SPI方式對SD卡進行讀寫操作。

2.2.2 車載終端軟件設計

本設計在ARM7上移植了嵌入式實時操作系統μC/OS-II，通過任務的方式實現事件的同步處理，在設計時需要把所處理的事件分為多個任務，包括初始任務、GPS解析任務、GPRS數據發送任務、SD卡信息存儲任務等。

本設計采用多個信號量進行任務間通信，完成各個傳感器信息的采集、記錄以及與控制中心的信息交互。在起始任務里進行各種任務的初始化及創建。

2.2 通信技術設計與實現

采用GSM-R無線通信技術實現地面控制中心與車載終端信息雙向傳輸。

車載終端通信模塊建立與GSM-R網關的PPP連接，獲得IP地址，并負責鏈路的維護與檢測工作，如果鏈路出現故障就要自動發起重新建鏈請求，無法建立的時候要進行報警并進入保護運行狀態。

車載終端數據信息按照數據通信協議格式通過無線方式傳送到GSM-R基站，經過GSM-R網絡將信息傳到調度中心的通信服務器，再把信息給GSM-R無線交換中心。無線交換中心依照數據通信協議，采用調度中心局域網，按信息分類、用戶需求、信息格式、用戶地址，依照數據通信協議把信息傳送給地面控制中心服務器，數據處理后傳給車載的信息以同樣的方式反饋給車載嵌入式終端。客戶端通過局域網或廣域網訪問控制中心服務器，根據權限調用數據庫中的數據。

2.3 多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合技術充分利用多個傳感器資源，通過合理支配和使用，把多個傳感器在時間和空間上的冗余或互補信息依據某種準則進行組合，以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述[4~5]。OODA控制環即觀測、定向、決策、執行環，在信息融合系統中極具代表性。本系統設計通過引入OODA環的模型，建立基于信息融合的列車完整性監測系統模型。

信息融合主要有3種方式[6]，分別是數據級、特征級和決策級融合。列車完整性監測系統的信息融合采用決策級融合。利用監測列車尾部風壓、比較列車頭部與尾部的加速度及GPS定位測量車長的方法分別實現列車的完整性監測，單個傳感器的本地決策傳送到融合中心，它融合來自每個傳感器的決策，產生總的目標決策，監視列車的完整性狀態。

2.4 地面設備軟件設計與開發

控制中心服務器端包括通信控制器和數據庫服務器。服務器端的軟件強調數據顯示功能，后臺運行的SQL數據庫，提供了數據查詢和發送設置界面。

通信控制器調整接收數據的包容量，并且按照優先級對數據進行排隊，根據通信協議對數據包進行解碼并轉發給數據庫服務器。數據庫服務器接收并保存通信控制器發出的數據，接收用戶通過查詢和設置命令，完成相應的操作。另外，添加防火墻和身份驗證，防火墻僅開放服務器正常運行時數據傳輸端口，身份驗證采用設備編號、用戶編號與密鑰結合的方式，保證系統的安全穩定運行。

控制中心服務器端軟件數據處理，首先對采集的各個傳感器的信息進行解析、濾波處理以及時標匹配，然后再進行決策級的信息融合，完成列車完整性的判斷。列車完整性監測系統數據處理流程如圖2。

3 系統實現及驗證

圖2 列車完整性監測系統數據處理流程圖

圖3 基于GPS測距的車長測量結果

圖4 模擬列車分離時車長測量結果

試驗采用2輛汽車前后相距一段距離行駛模擬機車和列尾的活動。重點測試利用GPS測量車長的方法。2輛汽車間隔一定距離即為模擬列車長度。本實驗設計為1 500 m，利用車載終端GPS定位測量車長的結果如圖3。

設計2輛汽車以相同速度行駛一段時間后，后車自然減速模擬列車分離的過程，圖4為該過程的車長測量結果，預設車長為1 500 m。

測試結果表明，利用GPS定位測算列車長度能夠直觀的顯示列車完整性情況，如果發生列車分離事故，根據GPS接收機提供的位置信息，可以及時顯示出事故的發生地點。同時結合加速度比較法及監測列尾風壓法，進行列車完整性的綜合決策。

地面控制中心通過無線GSM-R網絡接收車載終端傳感器數據信息，對多源數據進行解算、分析，實時顯示列尾風壓，列車長度信息，有效監控列車完整性狀態。

4 結束語

本文應用多傳感器技術，設計了GPS定位模塊、風壓傳感器和加速度傳感器相結合的列車完整性監測系統。通過GSM-R網絡實現車地雙向通信，系統通過融合多源信息，綜合監測列車完整性狀態，各監控計算機可以實現資源共享，提高了完整性監測系統的可靠性。目前系統的設計和各模塊的功能測試已經完成。測試結果表明該系統能夠有效監控列車分離，具有較高的應用價值。

[1] 周冬蘇，全球定位列車壓控列尾尾部裝置國產化的研制[D] . 上海：上海交通大學，2007.

[2] Roel Westenberg, Manfred Schoemaker. Sensing Train Integrity[C] //the Netherlands. IEEE SENSORS 2009 Conference.

[3] 王樹珂，蔣大明. 加速度傳感器在列車完整性監測系統中的應用[J] . 鐵路計算機應用，2007，16（12）：31-34.

[4] 陳曉乾，王劍，蔡伯根. GPS在列車完整性檢查中的應用研究[J] . 北京交通大學學報，2006， 30（2）：69-75.

[5] 劉洪志. GPS輔助列車完整性檢查的算法研究與實現[D] .北京：北京交通大學，2008.

[6] 惠懷志. 列車組合定位系統中信息融合算法的研究[D] . 北京：北京交通大學，2008.