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【摘 要】 研制了列車監控裝置無線數據傳輸系統。介紹了該系統的組成、功能及特點，主要對其轉儲發送系統的modem編程進行了設計。
??? 關鍵詞：監控，無線數據傳輸，機車，實時
?
1 引 言
國外對無線列控系統的研究已有多年的歷史，如歐洲鐵路聯盟研究所開發的ETCS（EuropeanTrain Control System）系統，美國的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系統，瑞典ABB公司開發的RBS（Radio lockystem）系統等。而我國多年來鐵路事業發展緩慢，關于無線列控系統尚無較為成熟的理論，我國列車運行監控裝置數據的提取仍然是通過人工轉儲方式來實現的。為此，本文設計了無線數據轉儲系統。該系統利用GSM網絡具有支持數據業務這一功能來實現車臺和基站之間的數據通信，從而來完成遠端基地臺對列車的監控，在節省開銷和經濟成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系統的效率，是一種現代化的通信方式。由于監控系統的功能主要為動態信息處理，所以很適合以計算機控制收發設備的方式來實現。考慮到單片微處理器的低廉成本，這里設計的轉儲發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，實現良好的管理控制環境。
2 系統總體描述
2．1 設計目的
??? 該系統是為配合列車運行監控記錄裝置（簡稱監控裝置），提高監控數據的實時性而設計的。眾周所知，監控裝置所記錄的各種數據是機務運行安全管理的重要信息，是分析列車運行狀況的重要數據資料，它為行車安全提供了必要的安全保障，同時又為機務統計和電務信號提供原始數據和統計數據。本系統采用了最新的數字信號處理技術和我國成熟的GSM網無線數據傳輸技術，它將監控裝置記錄的數據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。該系統依托覆蓋范圍廣泛的中國電信國家公眾網，能夠及時、穩定、可靠、保密、有效地將列車運行監控數據傳輸到地面管理部門，從而提高了管理部門對監控數據的分析效率和可靠度，克服了由于監控數據滯后而給分析帶來的不利影響。
2．2 無線數據傳輸系統的組成
無線數據傳輸系統由遠端控制系統（主要為PC機）、移動臺系統、轉儲發送系統和記錄板系統四個子系統構成，各部分之間具體關系如圖1所示。
遠端控制系統負責對列車發送指令和接收數據，并具備對列車進行實時跟蹤的功能；轉儲發送系統通過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，其中轉儲發送系統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。而轉儲發送系統和
移動臺的接口控制相對較復雜，在完成全雙工收發數據的同時還要完成對基地臺不同指令的分析處理，此外還要實時地監控鏈路的狀態；移動臺系統的主要設備為可以入網（GSM）的車載電臺或無線電手機，為與本系統兼容，移動臺的承載業務要求在V．32以上，即至少可以做到9600波特以上全雙工收發數據，移動臺在使用之前必須先對其內置Modem進行初始化編程，使之在信令識別、流量控制等方面與轉儲發送系統通信芯片的初始化相一致；記錄板系統主要完成數據采集接口、存儲、發送功能，采集的數據通過記錄板的數據采集接口被讀入記錄板的存儲區，記錄板通過串行口把轉儲發送系統指定的數據發送到轉儲發送系統的存儲區。記錄板接受轉儲系統的控制，當轉儲系統以約定的幀格式和波特率發送指令時，記錄板會按照指令的要求來完成相應的工作。其中，記錄板系統是列車運行監控記錄裝置的一個標準插件。
2．3 系統功能
??? 該系統具備以下功能：
（1）機車乘務員可隨時將列車當前運行數據回傳給機務段微機處理系統；
（2）機務段微機處理系統可以隨時呼叫機車上的監控裝置，取得該裝置記錄的所有數據；
（3）地面分析人員可以實時跟蹤、了解機車的運行情況；
（4）機車乘務員可以在機車運行中隨時與指定的電話聯絡；
（5）地面處理系統能對機車回傳的數據及時處理，為機務安全、運用、檢修、統計等部門及時提供所需的數據，還可為電務部門提供線路信號狀況。
2．4 系統特點
（1）人機界面友好，操作方便。監控系統采用VC＋＋6．0設計了基于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，有選擇地進行數據的實時存儲。離線處理功能為用戶提供了多種數據統計、自動生成標準表格及打印等功能。
?? （2）良好的可擴展性。在系統的軟硬件設計過程中，完全采用模塊化、結構化設計技術，充分保證系統軟硬件具有良好的可擴展性，可以方便地接受創
新技術的應用，能適應系統功能不斷增強的需要。
（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
該系統的通信協議是根據XMODEM協議演變而來的，XMODEM協議是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一種文件傳輸協議，至今仍得到廣泛使用。
XMODEM協議傳輸的數據單位是信息包，包含一個標題起始字符SOH、一個單字節包序號、一個包序號的補碼、128個字節的數據和一個單字節的校驗和。它把數據劃分為128字節的小“包“進行發送，每發送一個小“包”后都要檢驗是否正確。如果發現有錯，則再重發該小“包”，否則繼續發送下一個小“包”，直至整個文件傳輸完畢。因此，XMODEM是一種發送等待協議，具有流量控制功能。
XMODEM的主要優點是簡單、通用，基本上所有的通信軟件都支持該協議。但由于每個信息包只有128個字節，而且采用出錯重發方式，每次都要等待發送，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對機車的實時跟蹤這項任務。此外，它的檢錯能力也不高（50％），為了保證數據的準確性和可靠性，需要一種檢錯能力強的通信協議。所以，我們沒有直接采用這種通行規程，而對它進行了改進，下面是經我們改進過的通信協議。
本設計傳輸的數據單位也是信息包，但包的結構不同于XMODEM。我們發送的信息包含有：三個字節幀頭（同步字），以保證每次接收端都能夠正確地找到幀頭；一個字節的命令／數據標識位，這樣就把命令和數據分開處理便于接收端對命令和數據的正確區分和處理；兩個字節的數據包序號（如果是命令此處以FFFF補齊），這樣就解決了每次發送一個大的文件時包的數目很大乃至大于255的矛盾；然后是一個字節的命令字，接下來是16個字節的數據（或命令參數），最后是兩個字節的CRC校驗位，32位的CRC對于20個字節（包序號＋數據位）的檢錯能力大于97％，這樣就大大地提高了系統的檢錯能力。在9600bps的高速環境下，以這種短小結構的包仍能夠滿足在較短時間內完成發送文件的任務，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的特點就是它短小的結構更利于我們完成遠端控制系統對機車的實時跟蹤，這是一種適合實時跟蹤、強檢錯、效率相對較高的幀結構。具體幀結構如下：
為了實現數據能夠正確、高效地在GSM網上傳輸，調制解調器是不可缺少的。在整個系統的設計中共有兩處用到了調制解調器，一處是遠端控制系統直接和計算機的標準串行口相連，另一處內置于移動臺系統。兩個調制解調器完成的功能是相同的，即完成數字信號和模擬信號之間的轉換，下面作具體介紹。
4．1 Modem通信控制
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 中斷流程和發送數據包流程
??? 程序設計采用中斷和查詢相結合的手段，只允許接收出錯中斷和接收就緒中斷，而禁止其它中斷。發送采用查詢方式。RAM區里單獨開啟了一塊包發送標志區，在發送新文件之前清除從前的內容。每一個包都對應一個固定位置（6個字節），其結構如下
在發送時若發現某個包發送的時間與當前時間相差60秒以上而未收到回執，便認為此包發送失敗，若發送次數小于3則進行優先重發處理。若大于或等于3則認為此包無法成功發送，不予處理且越過。
在滿足優先發送出錯的數據包前提下，同時，也為了優化程序起見，程序中引入了計數器變量P，K。
??? P的含義：
（1）P之前的所有包必須滿足條件A：得到正確回執或雖未得到正確回執但發送次數大于等于3。
?? （2）P距離當前欲發送包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且發送時間超過60秒發送次數小于3。
?? （2）K在P和I之間且距離P最近。在發送下一個包時，若發現P和I之間存在一個這樣的K，則優先發送K。
機處理系統；實時跟蹤可顯示機車當前的各項運行數據；向機車發送標準時間，可完成監控裝置的時鐘校正功能。此外，查看文件時，可按時間和關鍵字進行查詢，并生成鐵路局統一報表格式；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 結束語
本系統的開發填補了國鐵路無線數據轉儲系統的一項空白，在濟南鐵路局運行期間，該系統產生了良好的經濟效益和社會效益。由于本系統適用于移動通信比較完善的地區，所以，一些山區或移動基站建設較落后的地區，由于存在較多的盲區，使系統的性能受到影響。此外，因為轉儲發送系統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和移動臺系統分離之后，修改部分軟件，轉儲發送系統也可以作為其它的接口在有線網上傳輸。
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
??? 關鍵詞：監控，無線數據傳輸，機車，實時
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1 引 言
國外對無線列控系統的研究已有多年的歷史，如歐洲鐵路聯盟研究所開發的ETCS（EuropeanTrain Control System）系統，美國的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系統，瑞典ABB公司開發的RBS（Radio lockystem）系統等。而我國多年來鐵路事業發展緩慢，關于無線列控系統尚無較為成熟的理論，我國列車運行監控裝置數據的提取仍然是通過人工轉儲方式來實現的。為此，本文設計了無線數據轉儲系統。該系統利用GSM網絡具有支持數據業務這一功能來實現車臺和基站之間的數據通信，從而來完成遠端基地臺對列車的監控，在節省開銷和經濟成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系統的效率，是一種現代化的通信方式。由于監控系統的功能主要為動態信息處理，所以很適合以計算機控制收發設備的方式來實現。考慮到單片微處理器的低廉成本，這里設計的轉儲發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，實現良好的管理控制環境。
2 系統總體描述
2．1 設計目的
??? 該系統是為配合列車運行監控記錄裝置（簡稱監控裝置），提高監控數據的實時性而設計的。眾周所知，監控裝置所記錄的各種數據是機務運行安全管理的重要信息，是分析列車運行狀況的重要數據資料，它為行車安全提供了必要的安全保障，同時又為機務統計和電務信號提供原始數據和統計數據。本系統采用了最新的數字信號處理技術和我國成熟的GSM網無線數據傳輸技術，它將監控裝置記錄的數據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。該系統依托覆蓋范圍廣泛的中國電信國家公眾網，能夠及時、穩定、可靠、保密、有效地將列車運行監控數據傳輸到地面管理部門，從而提高了管理部門對監控數據的分析效率和可靠度，克服了由于監控數據滯后而給分析帶來的不利影響。
2．2 無線數據傳輸系統的組成
無線數據傳輸系統由遠端控制系統（主要為PC機）、移動臺系統、轉儲發送系統和記錄板系統四個子系統構成，各部分之間具體關系如圖1所示。
遠端控制系統負責對列車發送指令和接收數據，并具備對列車進行實時跟蹤的功能；轉儲發送系統通過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，其中轉儲發送系統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。而轉儲發送系統和
2．3 系統功能
??? 該系統具備以下功能：
（1）機車乘務員可隨時將列車當前運行數據回傳給機務段微機處理系統；
（2）機務段微機處理系統可以隨時呼叫機車上的監控裝置，取得該裝置記錄的所有數據；
（3）地面分析人員可以實時跟蹤、了解機車的運行情況；
（4）機車乘務員可以在機車運行中隨時與指定的電話聯絡；
（5）地面處理系統能對機車回傳的數據及時處理，為機務安全、運用、檢修、統計等部門及時提供所需的數據，還可為電務部門提供線路信號狀況。
2．4 系統特點
（1）人機界面友好，操作方便。監控系統采用VC＋＋6．0設計了基于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，有選擇地進行數據的實時存儲。離線處理功能為用戶提供了多種數據統計、自動生成標準表格及打印等功能。
?? （2）良好的可擴展性。在系統的軟硬件設計過程中，完全采用模塊化、結構化設計技術，充分保證系統軟硬件具有良好的可擴展性，可以方便地接受創
新技術的應用，能適應系統功能不斷增強的需要。
（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
該系統的通信協議是根據XMODEM協議演變而來的，XMODEM協議是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一種文件傳輸協議，至今仍得到廣泛使用。
XMODEM協議傳輸的數據單位是信息包，包含一個標題起始字符SOH、一個單字節包序號、一個包序號的補碼、128個字節的數據和一個單字節的校驗和。它把數據劃分為128字節的小“包“進行發送，每發送一個小“包”后都要檢驗是否正確。如果發現有錯，則再重發該小“包”，否則繼續發送下一個小“包”，直至整個文件傳輸完畢。因此，XMODEM是一種發送等待協議，具有流量控制功能。
XMODEM的主要優點是簡單、通用，基本上所有的通信軟件都支持該協議。但由于每個信息包只有128個字節，而且采用出錯重發方式，每次都要等待發送，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對機車的實時跟蹤這項任務。此外，它的檢錯能力也不高（50％），為了保證數據的準確性和可靠性，需要一種檢錯能力強的通信協議。所以，我們沒有直接采用這種通行規程，而對它進行了改進，下面是經我們改進過的通信協議。
本設計傳輸的數據單位也是信息包，但包的結構不同于XMODEM。我們發送的信息包含有：三個字節幀頭（同步字），以保證每次接收端都能夠正確地找到幀頭；一個字節的命令／數據標識位，這樣就把命令和數據分開處理便于接收端對命令和數據的正確區分和處理；兩個字節的數據包序號（如果是命令此處以FFFF補齊），這樣就解決了每次發送一個大的文件時包的數目很大乃至大于255的矛盾；然后是一個字節的命令字，接下來是16個字節的數據（或命令參數），最后是兩個字節的CRC校驗位，32位的CRC對于20個字節（包序號＋數據位）的檢錯能力大于97％，這樣就大大地提高了系統的檢錯能力。在9600bps的高速環境下，以這種短小結構的包仍能夠滿足在較短時間內完成發送文件的任務，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的特點就是它短小的結構更利于我們完成遠端控制系統對機車的實時跟蹤，這是一種適合實時跟蹤、強檢錯、效率相對較高的幀結構。具體幀結構如下：
為了實現數據能夠正確、高效地在GSM網上傳輸，調制解調器是不可缺少的。在整個系統的設計中共有兩處用到了調制解調器，一處是遠端控制系統直接和計算機的標準串行口相連，另一處內置于移動臺系統。兩個調制解調器完成的功能是相同的，即完成數字信號和模擬信號之間的轉換，下面作具體介紹。
4．1 Modem通信控制
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 中斷流程和發送數據包流程
??? 程序設計采用中斷和查詢相結合的手段，只允許接收出錯中斷和接收就緒中斷，而禁止其它中斷。發送采用查詢方式。RAM區里單獨開啟了一塊包發送標志區，在發送新文件之前清除從前的內容。每一個包都對應一個固定位置（6個字節），其結構如下
在滿足優先發送出錯的數據包前提下，同時，也為了優化程序起見，程序中引入了計數器變量P，K。
??? P的含義：
（1）P之前的所有包必須滿足條件A：得到正確回執或雖未得到正確回執但發送次數大于等于3。
?? （2）P距離當前欲發送包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且發送時間超過60秒發送次數小于3。
?? （2）K在P和I之間且距離P最近。在發送下一個包時，若發現P和I之間存在一個這樣的K，則優先發送K。
4．4 監控程序
監控程序要實現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據自動保留到指定的數據庫中；車臺回傳是機車入庫或出現故障時，乘務員將機車當前文件回傳給地面微 ?
5 結束語
本系統的開發填補了國鐵路無線數據轉儲系統的一項空白，在濟南鐵路局運行期間，該系統產生了良好的經濟效益和社會效益。由于本系統適用于移動通信比較完善的地區，所以，一些山區或移動基站建設較落后的地區，由于存在較多的盲區，使系統的性能受到影響。此外，因為轉儲發送系統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和移動臺系統分離之后，修改部分軟件，轉儲發送系統也可以作為其它的接口在有線網上傳輸。
參 考 文 獻
1 Theodore S．Rappaport．Wireless Communication Prin－ciples and Practice．Beijing：Publishing House of Electronics Industry，1999，62 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
工商網監
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