機車運行狀態遠程監控系統的研究

崔明朗，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

機車運行安全是當今鐵路發展的重中之重，本文針對機車運行的特點，提出了一種機車運行狀態監控系統的解決方案，以實現機車運行過程中實時狀態信息的遠程監控。主要研究內容包括：機車在三維虛擬場景內的模擬運行、機車視頻監控，機車工況信息展示。

1 系統總體功能

1.1 系統模塊組成

機車運行狀態遠程監控系統（簡稱系統）的主要功能是將各類傳感器采集到的機車定位數據、視頻數據（包括機車前方視景視頻以及車內視頻監控數據）、機車工況信息數據，通過3G無線網絡傳輸到地面監控展示中心，實現所有數據的綜合展示。整個監控系統主要由機車車載終端、網絡通信設備和監控展示中心3大模塊組成，如圖1所示。

機車車載終端是整個監控系統的基礎，主要實現數據的采集和預處理功能。采集數據包括機車視頻監控數據、GPS定位數據、機車工況數據。數據處理是將各類采集數據轉變成能在網絡上傳輸的數據包格式。

圖1 系統結構

網絡通信設備是系統信息傳輸的載體，也是系統實時性和可靠性的重要保障。考慮到機車運行過程中運行區間較大，運行速度較快等特點，系統采用3G無線網絡作為系統的通信設備，其主要功能是將實時數據信息傳輸到地面監控展示中心。

監控展示中心主要由中心服務器和展示2大部分組成。中心服務器實現對數據包的接收、解包、還原、校正等操作，展示模塊主要實現監控視頻和機車工況信息的展示，同時根據機車的定位數據實現機車在三維虛擬場景內的模擬運行。監控展示中心的軟件組成主要包括機車運行跟蹤定位軟件、視頻監控展示軟件、機車三維虛擬場景軟件、機車工況展示軟件4部分。

1.2 系統層次架構

系統的層次架構主要由數據信息采集層、數據信息傳輸層、數據信息處理層和機車運行狀態展示層4個層次組成，如圖2所示。

圖2 系統層次架構

數據信息采集層主要由安裝在機車上的各類傳感器組成，該層能對機車運行時的視頻數據、途經地理位置經緯度坐標數據、工況信息（如行駛速度和時間）等相關信息進行采集。將采集到的數據傳入到機車車載終端，通過數據信息傳輸層傳到數據信息處理層，數據信息處理層對接收到的數據進行分析處理后，啟動機車運行狀態展示層的機車運行跟蹤定位軟件、視頻播放展示軟件、機車三維虛擬場景軟件以及工況信息展示軟件，在監控展示中心實時展示當前機車運行的各種狀態信息以及監控視頻。達到對機車的運行狀態進行實時跟蹤定位、展示、觀察的目的。

2 機車車載終端的設計

車載機車車載終端裝置主要包括車載主控單元、各類數據采集模塊、數據處理模塊、GPS定位模塊、通信終端設備等。

2.1 機車車載終端的硬件結構

機車車載終端從硬件結構上可以分為5個部分，分別為采集機車工況信息的LKJ2000，采集機車視頻信息的USB攝像頭，采集機車定位信息的IT500GPS，連接網絡的3G通信模塊以及系統的數據處理和控制核心eKINO-945GSE工業主板，其硬件框圖如圖3所示。

圖3 車載終端硬件結構框圖

終端的數據處理和控制核心采用eKINO-945GSE工業主板，CPU為Intel? Atom? N270 1.6 GHz ，支持超低電壓無風扇，功耗較小。主板工作時能接受寬范圍9 V ～28 V 的直流輸入，非常適合機車上工作時電壓不穩定的情況。該主板具有非常豐富的外設接口，擴展較為方便。該設備主要負責控制各個采集設備，并對采集數據進行預處理和網絡打包。

定位信息的采集選用 Fastrax IT500GPS 接收模塊，該模塊在非常苛刻的應用中也能實現高性能的導航，在較惡劣的 GPS 衛星可見度環境下也能穩定定位。 冷啟動靈敏度（-148 dBm）使得它在其他模塊不能定位的環境中也能捕獲衛星并開始導航。該設備主要用來采集機車途經地理位置經緯度坐標數據。

USB攝像頭采用CMOS傳感器的奧尼AONI，其硬件像素為30萬，軟件像素為200萬，默認視像解像度為640×480。它采用的是標準USB2.0接口，圖像傳輸速率高達30幀/s，高清全玻璃鍍膜鏡頭，通光率提高100%。 該設備主要用來采集機車的視頻信息。

國內以LKJ2000型為主體的機車運行監控記錄裝置已基本上在全路各種類型的內燃機車、電力機車上安裝使用。終端采用LKJ2000機車的監控數據作為系統工況信息的來源。

網絡設備采用的是E220聯通3G上網卡，E220是一個即插即用的便攜式上網卡，產品尺寸較小，可以使終端接入3G無線網絡。

2.2 機車車載終端的軟件組成

機車車載終端是一個嵌入式系統，嵌入式系統的優劣在于嵌入式操作系統的選取。嵌入式操作系統（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統的操作系統。它是一種用途廣泛的系統軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統負責嵌入式系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協調并發活動。它必須體現其所在系統的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前在嵌入式領域廣泛使用的操作系統有：嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及應用在智能手機和平板電腦的Android、iOS等。

本系統的軟件是基于Windows XP Embedded（XPE）操作系統設計的，系統整體的軟件結構如圖4 所示。在XPE操作系統中，系統軟件主要分為驅動程序和應用程序2個部分。其中驅動程序部分包括網卡驅動，顯卡驅動，主板驅動和其他接口驅動等；應用程序部分包括各類數據采集程序，數據處理程序，數據傳輸程序和系統通信程序。

圖4 機車車載終端總體軟件結構圖

3 通信接口設計

監控展示中心和機車車載終端建立的是面向連接的Socket通信。在這一過程中，機車車載終端將采集到的機車實時狀態信息傳輸給監控展示中心，監控展示中心對數據進行接收、解析、校正、處理等一系列的操作。通信協議采用的是面向連接的數據流TCP協議，收發雙方按照協議所規定的數據包結構進行統一的封裝和解析。

根據連接啟動的方式以及本地Socket要連接的目標，Socket之間的連接過程可以分為3個步驟：監控展示中心監聽，機車車載終端請求，連接確認。在連接成功時，應用程序2端都會產生一個Socket實例，操作這個實例，完成所需的會話。系統的監控展示中心端為服務器端，機車車載終端為客戶端。

機車車載終端和監控展示中心進行Socket通信的過程如下：監控展示中心監聽，機車車載終端請求，連接確認。

監控展示中心監聽：是監控展示中心端Socket并不定位具體的機車車載終端Socket，而是處于等待連接的狀態，實時監控網絡狀態。

機車車載終端請求：是指由機車車載終端的Socket提出連接請求，要連接的目標是監控展示中心端的Socket。為此，機車車載終端的Socket必須首先描述它要連接的監控展示中心的Socket，指出監控展示中心端Socket的地址和端口號，然后向監控展示中心端Socket提出連接請求。

連接確認：是指當監控展示中心端Socket監聽到或者說接收到機車車載終端Socket的連接請求，它就響應機車車載終端Socket的請求，建立一個新的線程，把監控展示中心端Socket的描述發給機車車載終端，一旦機車車載終端確認了此描述，連接就建立好了。而監控展示中心端Socket繼續處于監聽狀態，繼續接收其他機車車載終端Socket的連接請求。在通信過程中，地面監控展示中心可以隨時向機車車載終端發送停止數據傳輸的請求，機車車載終端作出相應處理并釋放資源。其工作流程如圖5所示。

圖5 面向連接的Socket操作流程

4 監控展示中心軟件組成

4.1 機車運行跟蹤定位軟件

機車運行跟蹤定位軟件在和機車車載終端建立通信連接后，對機車車載終端傳輸的實時狀態數據信息進行分析處理，以實現機車實時定位信息在三維電子地圖上可視化呈現，并將數據信息發送給視頻監控軟件以啟動視頻播放展示。該部分軟件是在Microsoft Visual C++2005環境下，使用OpenSceneGraph驅動Creator創建的三維機車模型在三維虛擬場景的實時模擬運行。

4.2 視頻播放軟件

視頻播放軟件與機車運行跟蹤定位軟件通信連接后，根據接收到的數據信息，實現視頻文件的自動播放及其他輔助展示功能等。其中，視頻文件由安裝在機車上的數字攝像機獲得。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環境下，基于多媒體數據處理平臺DirectShow，采用面向對象編程方式開發。

4.3 機車三維虛擬場景軟件

機車三維虛擬場景軟件主要實現三維虛擬場景（包括機車、軌道、城市、鐵路沿線的平原和山脈等）的繪制和展示以及簡單的三維分析功能等。使用Creator建模軟件并利用Visual C++2005和OpenSceneGraph API實現課題中需要的虛擬場景。

4.4 機車工況信息展示軟件

機車工況信息展示軟件主要實現機車工況信息的實時呈現。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環境下，應用對話框技術進行開發。

5 結束語

本文提出并設計了一種基于嵌入式和網絡技術的機車運行狀態遠程監控系統。該系統以高速發展的嵌入式技術為核心，結合網路通信技術和流媒體技術，為當今的機車狀態監控系統提供了一種解決方案。

[1]吳正平.機車狀態遠程監控系統的研究與設計[D]. 長沙：中南大學，2005.

[2]趙 炯.高速機車監控展示平臺的電子地圖與視景播放技術研究[D]. 城都：西南交通大學，2012.

[3]聞恩友，趙正德，楊立朝，等. 3G網路的移動視頻監控系統[J]. 中國圖形圖像學報， 2008，13（10）：1987-1990.