基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統設計

王志強

（神華新朔鐵路有限責任公司大準分公司，內蒙古鄂爾多斯 010300）

鐵路的行車安全問題一直是交通部門考慮的重點問題，及時掌握列車行駛實時位置、監控鐵路的運行狀態成為解決問題的關鍵。傳統的鐵路智能監控系統以GPS 技術為基礎，回傳定位通道數量少，通信方式以網絡通信為主，網絡覆蓋盲區的鐵路監控穩定性較低，數據采集不全面，導致數據傳輸速度較慢，回傳數據質量不高，無法滿足物聯網環境下交通部門對鐵路信息的回傳需求[1-2]。因此文中設計了一種基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統，確定了系統整體的硬件結構及軟件功能，并對設計的關鍵技術進行了分析，促進了我國北斗系統及鐵路行業的進一步發展。

1 系統硬件設計

系統硬件由定位模塊、通信模塊、無線數據傳輸模塊、存儲模塊以及接口電路等結構組成，系統的硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統的硬件結構

1.1 處理器控制模塊

處理器是硬件系統的核心，負責實時處理運行數據，維護各模塊間的信息交流。從處理器的實時性、擴展性及適應性出發，選擇ARM11 處理器，因為相較于傳統監控系統采用的Cortex M3 系列，該處理器具有更強的處理能力，且擴展性強，能夠滿足未來對多種通訊模式的擴展需求[3-5]。ARM11 處理器采用三星S3C6410 核心板，以16/32-bit RISC 內核為核心，工藝類型為COMS，具有高性能的同時成本較低且功率消耗較低，適用于需長期運行的終端。且S3C6410 核心板集成4 通道UART，可以同時滿足4個串口通信，保證系統內部溝通順暢的同時，進一步提升與外界的通信能力，從而提升處理器的工作效率。處理器控制模塊結構如圖2 所示。

圖2 處理器控制模塊結構

除串口外，S3C6410 核心板還具備多個不同類型的外設接口，進一步加強了系統終端的可擴展性。補償控制原理如圖3 所示。

圖3 補償控制原理

1.2 定位模塊

定位模塊的功能是接收北斗衛星信號及GPS 信號，即需要經過定位計算，確定當前位置信息[6-8]。為提升定位精確度，采用UM220 系列定位模塊，該模塊能夠實時接收衛星信號及GPS 信號，實現對鐵路運行信息的高精度定位、三維跟蹤，被廣泛應用于物品高精度跟蹤定位等領域。UM220 模塊體積為26.9 mm×40 mm×3.4 mm，相較于市面上大部分芯片，其體積更小、功耗較低，適用于小型集成終端設備。且該模塊的單點定位精度為1 m，采用標準的導航電文輸出接口TTL，兼具兩個頻點信號的接收，且自定義性強，既可選擇單頻點信號接收，也可通過后臺編譯實現信號轉換[9-12]。芯片安裝時，為保證系統其他模塊間產生干擾，需在接口處添加濾波器，降低歐姆阻抗。UM220 定位模塊的硬件結構如圖4 所示。

圖4 UM220定位模塊的硬件結構

1.3 通信模塊

基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統的通信模塊分為網絡通信、無線數傳以及衛星通信3 部分[13-16]。其中，網絡通信是目前較為普遍的通信方式，文中采用SIM5320A 模塊進行網絡通信，該模塊支持AI 指令集，具有SPI 接口，便于用戶對其進行控制，且數據傳輸效率快，可以傳輸較大容量的數據，SIM5320A的上電電路示意圖如圖5 所示。

圖5 SIM5320A的上電電路示意圖

圖5 中采用KYL-320L 無線數傳模塊，該模塊具有8 個通信信道，可以根據需求實時擴展信道，但是與網絡通信相比，體積略大且功耗較高；衛星通信過程中，采用ND250A 模塊作為主要模塊，其可靠性強，且數據傳輸速度快、傳輸量多，兼具網絡通信及無線數傳的優點，是未來主要的通信方式，不足之處在于衛星通信的成本較高，且維護費用較大。

2 系統軟件設計

在上述系統硬件的設計基礎上，對基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統軟件進行設計。采用嵌入式Linux 系統，開發圖形界面，即主界面和參數設置界面；并以嵌入式Linux 系統為基礎，建立多通道切換協議，形成多通道式的定位、跟蹤、通信數據處理與控制為一體的智能鐵路監控系統。

嵌入式Linux系統以Linux系統為基礎，遵循GPL協議，通過剪裁、修改運行在嵌入型計算機系統上，源代碼資源具有開放性。從文中設計系統的開發需求出發，嵌入式Linux 系統能夠提升系統整體的數據處理能力，且提升了系統的適應能力，為各大硬件提供友好的人機接口，便于系統功能的擴展；嵌入式Linux系統的移植包含系統剪裁、配置生成、鏡像生成、UBOOT編寫、根文件編譯等關鍵步驟，且在移植后，系統默認無圖形界面，因此在移植嵌入式Linux 系統的同時還需移植圖形化系統，進行參數設置和界面生成；待嵌入式Linux 系統移植成功后，將所編譯的功能模塊移植到操作系統進行測試，遵循從局部到整體的測試原則，根據測試結果對部分功能進行修改。

首先，系統開始運行時，對定位數據處理模塊進行初始化，將各項參數歸置回原始設定參數，當數據輸入成功后，采用標準的導航電文分析法解析數據，同時啟動定時器，規定定時器的周期為1 s，即以1 s為處理周期，處理這一秒內的定位數據，采用串口讀取的方式，從定位數據中計算出目標列車的實時經緯度、運行速度等信息，并將計算結果存入SGNRMC的幀結構中。從本質上講，SGNRMC的幀結構是一個小型的數據中轉中心，隨著計算周期的更替，SGNRMC 幀結構內的數據也在不斷更新，使SGNRMC的幀結構提取計算結果顯示在終端界面上，當顯示結束后，SGNRMC的幀結構經數據傳輸通道將數據傳輸至數據庫進行存儲，此時，下一周期的數據會直接覆蓋上一周期數據，SGNRMC的幀結構最多可保存5 個周期的定位數據。定位數據的處理流程如圖6 所示。

圖6 定位數據的處理流程

假設某一鐵路站點為原點，建立二維平面坐標圖，設t時刻某一列車的位置為(x,y)，u和v分別為該列車沿x軸和y軸兩個方向的速度分量，且滿足：

為確保定位精度，采用約束方程對計算數值進行約束，約束方程如下：

式中，Ix、Iy、It分別為參考位置點沿x、y、t3 個方向的偏導數。

針對噪聲定位信號，采用二值化處理法對噪聲信號進行處理，噪聲處理系數的計算方式如下：

根據以上計算結果，目標的位置計算如下：

3 實驗研究

為驗證文中設計的基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統的實際監控性能，設置相應的實驗環境和實驗參數，進行仿真測試，并將文中設計的基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統的監控性能與傳統鐵路智能監控系統（文獻[1]系統和文獻[2]系統）進行對比分析，對它們的數據傳輸速率及定位精確性進行對比。

向智能鐵路監控系統監控端輸入相同的數據集，確保數據傳輸始點與終點一致，并根據鐵路的行車特點，行駛火車及高鐵的車廂數量約為30 節，故在仿真試驗中，數據的傳輸距離應遠大于行駛火車的長度，從而忽略列車長度對實驗結果的影響。考慮到網絡信號在數據傳輸過程中的影響，在實驗前對網絡信號進行測試，并對相似網絡信號的數據結果進行比較，以保證比較結果的可靠性，得到的數據傳輸效果對比如表1 所示。

表1 數據傳輸效果對比

從表1 實驗結果可以看出，相較于傳統的兩種鐵路智能監控系統，文中設計的基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統的數據傳輸效率更快，數據傳輸量更多。區別在于，傳統的鐵路智能監控系統的回歸定位方式單一且通道較少，無法完成大數量的數據傳輸，而文中設計的鐵路智能監控系統采用多通道傳輸方式，建立了多個通信協議，維護了通信環境，多個傳輸通道共同進行數據傳輸，進一步提升了傳輸穩定性，降低了數據丟失的概率。

4 結束語

文中設計的基于多通道回傳定位的鐵路智能監控系統能夠克服傳統系統存在的一系列問題，一方面，雙模式的定位體制進一步提升了系統的定位精確度，且保證在各種環境下能夠及時進行消息回傳，因此，文中采用雙重定位信號接收模式，融合2G/3G/4G/5G 網絡通信、無線數傳以及衛星通信3 種通信方式，即使在無網絡區也可以通過衛星探測進行定位和數據傳輸，加快信息傳輸速度的同時提升傳輸質量；另一方面，Linux-ARM11 類型的軟硬件搭配模式進一步提升了系統的數據處理能力，并保留多個擴展接口，為系統的創新和升級保留進步空間，促進了多通道回傳定位技術廣泛應用的同時，實現了系統定位、跟蹤、通信的一體化功能，具有較高的應用價值，為其他系統的開發提供借鑒。