王志強(qiáng)

（神華新朔鐵路有限責(zé)任公司大準(zhǔn)分公司，內(nèi)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(diǎn)問題，及時(shí)掌握列車行駛實(shí)時(shí)位置、監(jiān)控鐵路的運(yùn)行狀態(tài)成為解決問題的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)以GPS 技術(shù)為基礎(chǔ)，回傳定位通道數(shù)量少，通信方式以網(wǎng)絡(luò)通信為主，網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的鐵路監(jiān)控穩(wěn)定性較低，數(shù)據(jù)采集不全面，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，回傳數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交通部門對鐵路信息的回傳需求[1-2]。因此文中設(shè)計(jì)了一種基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)整體的硬件結(jié)構(gòu)及軟件功能，并對設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，促進(jìn)了我國北斗系統(tǒng)及鐵路行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由定位模塊、通信模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲模塊以及接口電路等結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 處理器控制模塊

處理器是硬件系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)處理運(yùn)行數(shù)據(jù)，維護(hù)各模塊間的信息交流。從處理器的實(shí)時(shí)性、擴(kuò)展性及適應(yīng)性出發(fā)，選擇ARM11 處理器，因?yàn)橄噍^于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)采用的Cortex M3 系列，該處理器具有更強(qiáng)的處理能力，且擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠滿足未來對多種通訊模式的擴(kuò)展需求[3-5]。ARM11 處理器采用三星S3C6410 核心板，以16/32-bit RISC 內(nèi)核為核心，工藝類型為COMS，具有高性能的同時(shí)成本較低且功率消耗較低，適用于需長期運(yùn)行的終端。且S3C6410 核心板集成4 通道UART，可以同時(shí)滿足4個(gè)串口通信，保證系統(tǒng)內(nèi)部溝通順暢的同時(shí)，進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 處理器控制模塊結(jié)構(gòu)

除串口外，S3C6410 核心板還具備多個(gè)不同類型的外設(shè)接口，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)終端的可擴(kuò)展性。補(bǔ)償控制原理如圖3 所示。

圖3 補(bǔ)償控制原理

1.2 定位模塊

定位模塊的功能是接收北斗衛(wèi)星信號及GPS 信號，即需要經(jīng)過定位計(jì)算，確定當(dāng)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?qū)崟r(shí)接收衛(wèi)星信號及GPS 信號，實(shí)現(xiàn)對鐵路運(yùn)行信息的高精度定位、三維跟蹤，被廣泛應(yīng)用于物品高精度跟蹤定位等領(lǐng)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(shè)備。且該模塊的單點(diǎn)定位精度為1 m，采用標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航電文輸出接口TTL，兼具兩個(gè)頻點(diǎn)信號的接收，且自定義性強(qiáng)，既可選擇單頻點(diǎn)信號接收，也可通過后臺編譯實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換[9-12]。芯片安裝時(shí)，為保證系統(tǒng)其他模塊間產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 UM220定位模塊的硬件結(jié)構(gòu)

1.3 通信模塊

基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊分為網(wǎng)絡(luò)通信、無線數(shù)傳以及衛(wèi)星通信3 部分[13-16]。其中，網(wǎng)絡(luò)通信是目前較為普遍的通信方式，文中采用SIM5320A 模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，該模塊支持AI 指令集，具有SPI 接口，便于用戶對其進(jìn)行控制，且數(shù)據(jù)傳輸效率快，可以傳輸較大容量的數(shù)據(jù)，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(shù)傳模塊，該模塊具有8 個(gè)通信信道，可以根據(jù)需求實(shí)時(shí)擴(kuò)展信道，但是與網(wǎng)絡(luò)通信相比，體積略大且功耗較高；衛(wèi)星通信過程中，采用ND250A 模塊作為主要模塊，其可靠性強(qiáng)，且數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量多，兼具網(wǎng)絡(luò)通信及無線數(shù)傳的優(yōu)點(diǎn)，是未來主要的通信方式，不足之處在于衛(wèi)星通信的成本較高，且維護(hù)費(fèi)用較大。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用嵌入式Linux 系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，即主界面和參數(shù)設(shè)置界面；并以嵌入式Linux 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立多通道切換協(xié)議，形成多通道式的定位、跟蹤、通信數(shù)據(jù)處理與控制為一體的智能鐵路監(jiān)控系統(tǒng)。

嵌入式Linux系統(tǒng)以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，遵循GPL協(xié)議，通過剪裁、修改運(yùn)行在嵌入型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，源代碼資源具有開放性。從文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)需求出發(fā)，嵌入式Linux 系統(tǒng)能夠提升系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)處理能力，且提升了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，為各大硬件提供友好的人機(jī)接口，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展；嵌入式Linux系統(tǒng)的移植包含系統(tǒng)剪裁、配置生成、鏡像生成、UBOOT編寫、根文件編譯等關(guān)鍵步驟，且在移植后，系統(tǒng)默認(rèn)無圖形界面，因此在移植嵌入式Linux 系統(tǒng)的同時(shí)還需移植圖形化系統(tǒng)，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和界面生成；待嵌入式Linux 系統(tǒng)移植成功后，將所編譯的功能模塊移植到操作系統(tǒng)進(jìn)行測試，遵循從局部到整體的測試原則，根據(jù)測試結(jié)果對部分功能進(jìn)行修改。

首先，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，對定位數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行初始化，將各項(xiàng)參數(shù)歸置回原始設(shè)定參數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入成功后，采用標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航電文分析法解析數(shù)據(jù)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，規(guī)定定時(shí)器的周期為1 s，即以1 s為處理周期，處理這一秒內(nèi)的定位數(shù)據(jù)，采用串口讀取的方式，從定位數(shù)據(jù)中計(jì)算出目標(biāo)列車的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、運(yùn)行速度等信息，并將計(jì)算結(jié)果存入SGNRMC的幀結(jié)構(gòu)中。從本質(zhì)上講，SGNRMC的幀結(jié)構(gòu)是一個(gè)小型的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心，隨著計(jì)算周期的更替，SGNRMC 幀結(jié)構(gòu)內(nèi)的數(shù)據(jù)也在不斷更新，使SGNRMC的幀結(jié)構(gòu)提取計(jì)算結(jié)果顯示在終端界面上，當(dāng)顯示結(jié)束后，SGNRMC的幀結(jié)構(gòu)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸通道將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，此時(shí)，下一周期的數(shù)據(jù)會直接覆蓋上一周期數(shù)據(jù)，SGNRMC的幀結(jié)構(gòu)最多可保存5 個(gè)周期的定位數(shù)據(jù)。定位數(shù)據(jù)的處理流程如圖6 所示。

圖6 定位數(shù)據(jù)的處理流程

假設(shè)某一鐵路站點(diǎn)為原點(diǎn)，建立二維平面坐標(biāo)圖，設(shè)t時(shí)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(gè)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(jì)算數(shù)值進(jìn)行約束，約束方程如下：

式中，Ix、Iy、It分別為參考位置點(diǎn)沿x、y、t3 個(gè)方向的偏導(dǎo)數(shù)。

針對噪聲定位信號，采用二值化處理法對噪聲信號進(jìn)行處理，噪聲處理系數(shù)的計(jì)算方式如下：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，目標(biāo)的位置計(jì)算如下：

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)控性能，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行仿真測試，并將文中設(shè)計(jì)的基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控性能與傳統(tǒng)鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)（文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)）進(jìn)行對比分析，對它們的數(shù)據(jù)傳輸速率及定位精確性進(jìn)行對比。

向智能鐵路監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控端輸入相同的數(shù)據(jù)集，確保數(shù)據(jù)傳輸始點(diǎn)與終點(diǎn)一致，并根據(jù)鐵路的行車特點(diǎn)，行駛火車及高鐵的車廂數(shù)量約為30 節(jié)，故在仿真試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)的傳輸距離應(yīng)遠(yuǎn)大于行駛火車的長度，從而忽略列車長度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響?？紤]到網(wǎng)絡(luò)信號在數(shù)據(jù)傳輸過程中的影響，在實(shí)驗(yàn)前對網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行測試，并對相似網(wǎng)絡(luò)信號的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較，以保證比較結(jié)果的可靠性，得到的數(shù)據(jù)傳輸效果對比如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)傳輸效果對比

從表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相較于傳統(tǒng)的兩種鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)，文中設(shè)計(jì)的基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率更快，數(shù)據(jù)傳輸量更多。區(qū)別在于，傳統(tǒng)的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)的回歸定位方式單一且通道較少，無法完成大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，而文中設(shè)計(jì)的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)采用多通道傳輸方式，建立了多個(gè)通信協(xié)議，維護(hù)了通信環(huán)境，多個(gè)傳輸通道共同進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)一步提升了傳輸穩(wěn)定性，降低了數(shù)據(jù)丟失的概率。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)的基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的一系列問題，一方面，雙模式的定位體制進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的定位精確度，且保證在各種環(huán)境下能夠及時(shí)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)通信、無線數(shù)傳以及衛(wèi)星通信3 種通信方式，即使在無網(wǎng)絡(luò)區(qū)也可以通過衛(wèi)星探測進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)傳輸，加快信息傳輸速度的同時(shí)提升傳輸質(zhì)量；另一方面，Linux-ARM11 類型的軟硬件搭配模式進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，并保留多個(gè)擴(kuò)展接口，為系統(tǒng)的創(chuàng)新和升級保留進(jìn)步空間，促進(jìn)了多通道回傳定位技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)定位、跟蹤、通信的一體化功能，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，為其他系統(tǒng)的開發(fā)提供借鑒。