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【摘 要】 研制了列车监控装置无线数据传输系统。介绍了该系统的组成、功能及特点，主要对其转储发送系统的modem编程进行了设计。
关键词：监控，无线数据传输，机车，实时
1 引 言
国外对无线列控系统的研究已有多年的历史，如欧洲铁路联盟研究所开发的ETCS（EuropeanTrain Control System）系统，美国的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系统，瑞典ABB公司开发的RBS（Radio lockystem）系统等。而我国多年来铁路事业发展缓慢，关于无线列控系统尚无较为成熟的理论，我国列车运行监控装置数据的提取仍然是通过人工转储方式来实现的。为此，本文设计了无线数据转储系统。该系统利用GSM网络具有支持数据业务这一功能来实现车台和基站之间的数据通信，从而来完成远端基地台对列车的监控，在节省开销和经济成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系统的效率，是一种现代化的通信方式。由于监控系统的功能主要为动态信息处理，所以很适合以计算机控制收发设备的方式来实现。考虑到单片微处理器的低廉成本，这里设计的转储发送控制电路大多采用单片机完成，只在基地台人机管理界面处使用PC机，实现良好的管理控制环境。
2 系统总体描述
2．1 设计目的
该系统是为配合列车运行监控记录装置（简称监控装置），提高监控数据的实时性而设计的。众周所知，监控装置所记录的各种数据是机务运行安全管理的重要信息，是分析列车运行状况的重要数据资料，它为行车安全提供了必要的安全保障，同时又为机务统计和电务信号提供原始数据和统计数据。本系统采用了最新的数字信号处理技术和我国成熟的GSM网无线数据传输技术，它将监控装置记录的数据进行高效率压缩和读出，然后异地、远程无线传输至地面安全管理微机处理系统。该系统依托覆盖范围广泛的中国电信国家公众网，能够及时、稳定、可靠、保密、有效地将列车运行监控数据传输到地面管理部门，从而提高了管理部门对监控数据的分析效率和可靠度，克服了由于监控数据滞后而给分析带来的不利影响。
2．2 无线数据传输系统的组成
无线数据传输系统由远端控制系统（主要为PC机）、移动台系统、转储发送系统和记录板系统四个子系统构成，各部分之间具体关系如图1所示。
远端控制系统负责对列车发送指令和接收数据，并具备对列车进行实时跟踪的功能；转储发送系统通过RS－232口和记录板相连，同时又通过一块通信芯片扩充了一个标准的RS－232口同移动台的串行口相连接，其中转储发送系统和记录板的接口控制比较简单，只需要完成读文件目录和读文件两种操作，其工作类型属于半双工。而转储发送系统和
移动台的接口控制相对较复杂，在完成全双工收发数据的同时还要完成对基地台不同指令的分析处理，此外还要实时地监控链路的状态；移动台系统的主要设备为可以入网（GSM）的车载电台或无线电手机，为与本系统兼容，移动台的承载业务要求在V．32以上，即至少可以做到9600波特以上全双工收发数据，移动台在使用之前必须先对其内置Modem进行初始化编程，使之在信令识别、流量控制等方面与转储发送系统通信芯片的初始化相一致；记录板系统主要完成数据采集接口、存储、发送功能，采集的数据通过记录板的数据采集接口被读入记录板的存储区，记录板通过串行口把转储发送系统指定的数据发送到转储发送系统的存储区。记录板接受转储系统的控制，当转储系统以约定的帧格式和波特率发送指令时，记录板会按照指令的要求来完成相应的工作。其中，记录板系统是列车运行监控记录装置的一个标准插件。
2．3 系统功能
该系统具备以下功能：
（1）机车乘务员可随时将列车当前运行数据回传给机务段微机处理系统；
（2）机务段微机处理系统可以随时呼叫机车上的监控装置，取得该装置记录的所有数据；
（3）地面分析人员可以实时跟踪、了解机车的运行情况；
（4）机车乘务员可以在机车运行中随时与指定的电话联络；
（5）地面处理系统能对机车回传的数据及时处理，为机务安全、运用、检修、统计等部门及时提供所需的数据，还可为电务部门提供线路信号状况。
2．4 系统特点
（1）人机界面友好，操作方便。监控系统采用VC＋＋6．0设计了基于Windows的多窗口多视类风格的图形化用户界面，用户根据机车车台的SIM号码，可以实时观察跟踪该机车的运行状况，有选择地进行数据的实时存储。离线处理功能为用户提供了多种数据统计、自动生成标准表格及打印等功能。
（2）良好的可扩展性。在系统的软硬件设计过程中，完全采用模块化、结构化设计技术，充分保证系统软硬件具有良好的可扩展性，可以方便地接受创
新技术的应用，能适应系统功能不断增强的需要。
（3）容错能力强。电源线和信号线错误连接及软件操作错误都不会导致硬件和软件损坏。
3 MODEM的通信控制
该系统的通信协议是根据XMODEM协议演变而来的，XMODEM协议是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一种文件传输协议，至今仍得到广泛使用。
XMODEM协议传输的数据单位是信息包，包含一个标题起始字符SOH、一个单字节包序号、一个包序号的补码、128个字节的数据和一个单字节的校验和。它把数据划分为128字节的小“包“进行发送，每发送一个小“包”后都要检验是否正确。如果发现有错，则再重发该小“包”，否则继续发送下一个小“包”，直至整个文件传输完毕。因此，XMODEM是一种发送等待协议，具有流量控制功能。
XMODEM的主要优点是简单、通用，基本上所有的通信软件都支持该协议。但由于每个信息包只有128个字节，而且采用出错重发方式，每次都要等待发送，文件传输速度很慢，对于9600bps的高速MODEM而言显得非常慢。这种包比较大，很不适合我们完成远端控制系统对机车的实时跟踪这项任务。此外，它的检错能力也不高（50％），为了保证数据的准确性和可靠性，需要一种检错能力强的通信协议。所以，我们没有直接采用这种通行规程，而对它进行了改进，下面是经我们改进过的通信协议。
本设计传输的数据单位也是信息包，但包的结构不同于XMODEM。我们发送的信息包含有：三个字节帧头（同步字），以保证每次接收端都能够正确地找到帧头；一个字节的命令／数据标识位，这样就把命令和数据分开处理便于接收端对命令和数据的正确区分和处理；两个字节的数据包序号（如果是命令此处以FFFF补齐），这样就解决了每次发送一个大的文件时包的数目很大乃至大于255的矛盾；然后是一个字节的命令字，接下来是16个字节的数据（或命令参数），最后是两个字节的CRC校验位，32位的CRC对于20个字节（包序号＋数据位）的检错能力大于97％，这样就大大地提高了系统的检错能力。在9600bps的高速环境下，以这种短小结构的包仍能够满足在较短时间内完成发送文件的任务，同样，这也意味着我们对无线信道的资源浪费并没有明显增加，而且除了具有较强的检错能力之外，它还有一个更适合我们系统的特点就是它短小的结构更利于我们完成远端控制系统对机车的实时跟踪，这是一种适合实时跟踪、强检错、效率相对较高的帧结构。具体帧结构如下：
为了实现数据能够正确、高效地在GSM网上传输，调制解调器是不可缺少的。在整个系统的设计中共有两处用到了调制解调器，一处是远端控制系统直接和计算机的标准串行口相连，另一处内置于移动台系统。两个调制解调器完成的功能是相同的，即完成数字信号和模拟信号之间的转换，下面作具体介绍。
4．1 Modem通信控制
4．2 通信握手
主叫和被叫之间为了能够保证通信的顺利、准确进行，必须使用握手过程。下面以基地台作为主叫，移动台作为被叫，主叫要求被叫发送文件为例来说明主叫和被叫之间的握手。如图3所示。
4．3 中断流程和发送数据包流程
程序设计采用中断和查询相结合的手段，只允许接收出错中断和接收就绪中断，而禁止其它中断。发送采用查询方式。RAM区里单独开启了一块包发送标志区，在发送新文件之前清除从前的内容。每一个包都对应一个固定位置（6个字节），其结构如下
在发送时若发现某个包发送的时间与当前时间相差60秒以上而未收到回执，便认为此包发送失败，若发送次数小于3则进行优先重发处理。若大于或等于3则认为此包无法成功发送，不予处理且越过。
在满足优先发送出错的数据包前提下，同时，也为了优化程序起见，程序中引入了计数器变量P，K。
P的含义：
（1）P之前的所有包必须满足条件A：得到正确回执或虽未得到正确回执但发送次数大于等于3。
（2）P距离当前欲发送包I最近。K的含义：
（1）K满足条件B：第K个包未得到正确回执且发送时间超过60秒发送次数小于3。
（2）K在P和I之间且距离P最近。在发送下一个包时，若发现P和I之间存在一个这样的K，则优先发送K。
机处理系统；实时跟踪可显示机车当前的各项运行数据；向机车发送标准时间，可完成监控装置的时钟校正功能。此外，查看文件时，可按时间和关键字进行查询，并生成铁路局统一报表格式；地面微机处理人员可以随时修改与车台的通话号码等等。
5 结束语
本系统的开发填补了国铁路无线数据转储系统的一项空白，在济南铁路局运行期间，该系统产生了良好的经济效益和社会效益。由于本系统适用于移动通信比较完善的地区，所以，一些山区或移动基站建设较落后的地区，由于存在较多的盲区，使系统的性能受到影响。此外，因为转储发送系统在整个通信的过程中，只起到了一个接口的作用，所以，Modem的编程软件与记录板系统和移动台系统分离之后，修改部分软件，转储发送系统也可以作为其它的接口在有线网上传输。
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
关键词：监控，无线数据传输，机车，实时
1 引 言
国外对无线列控系统的研究已有多年的历史，如欧洲铁路联盟研究所开发的ETCS（EuropeanTrain Control System）系统，美国的RETB（RadioElectronic Token Block）和AATC（AdvancedAutomatic Train Control）系统，瑞典ABB公司开发的RBS（Radio lockystem）系统等。而我国多年来铁路事业发展缓慢，关于无线列控系统尚无较为成熟的理论，我国列车运行监控装置数据的提取仍然是通过人工转储方式来实现的。为此，本文设计了无线数据转储系统。该系统利用GSM网络具有支持数据业务这一功能来实现车台和基站之间的数据通信，从而来完成远端基地台对列车的监控，在节省开销和经济成本增加不多的前提下，有效地提高了通信系统的效率，是一种现代化的通信方式。由于监控系统的功能主要为动态信息处理，所以很适合以计算机控制收发设备的方式来实现。考虑到单片微处理器的低廉成本，这里设计的转储发送控制电路大多采用单片机完成，只在基地台人机管理界面处使用PC机，实现良好的管理控制环境。
2 系统总体描述
2．1 设计目的
该系统是为配合列车运行监控记录装置（简称监控装置），提高监控数据的实时性而设计的。众周所知，监控装置所记录的各种数据是机务运行安全管理的重要信息，是分析列车运行状况的重要数据资料，它为行车安全提供了必要的安全保障，同时又为机务统计和电务信号提供原始数据和统计数据。本系统采用了最新的数字信号处理技术和我国成熟的GSM网无线数据传输技术，它将监控装置记录的数据进行高效率压缩和读出，然后异地、远程无线传输至地面安全管理微机处理系统。该系统依托覆盖范围广泛的中国电信国家公众网，能够及时、稳定、可靠、保密、有效地将列车运行监控数据传输到地面管理部门，从而提高了管理部门对监控数据的分析效率和可靠度，克服了由于监控数据滞后而给分析带来的不利影响。
2．2 无线数据传输系统的组成
无线数据传输系统由远端控制系统（主要为PC机）、移动台系统、转储发送系统和记录板系统四个子系统构成，各部分之间具体关系如图1所示。
远端控制系统负责对列车发送指令和接收数据，并具备对列车进行实时跟踪的功能；转储发送系统通过RS－232口和记录板相连，同时又通过一块通信芯片扩充了一个标准的RS－232口同移动台的串行口相连接，其中转储发送系统和记录板的接口控制比较简单，只需要完成读文件目录和读文件两种操作，其工作类型属于半双工。而转储发送系统和
2．3 系统功能
该系统具备以下功能：
（1）机车乘务员可随时将列车当前运行数据回传给机务段微机处理系统；
（2）机务段微机处理系统可以随时呼叫机车上的监控装置，取得该装置记录的所有数据；
（3）地面分析人员可以实时跟踪、了解机车的运行情况；
（4）机车乘务员可以在机车运行中随时与指定的电话联络；
（5）地面处理系统能对机车回传的数据及时处理，为机务安全、运用、检修、统计等部门及时提供所需的数据，还可为电务部门提供线路信号状况。
2．4 系统特点
（1）人机界面友好，操作方便。监控系统采用VC＋＋6．0设计了基于Windows的多窗口多视类风格的图形化用户界面，用户根据机车车台的SIM号码，可以实时观察跟踪该机车的运行状况，有选择地进行数据的实时存储。离线处理功能为用户提供了多种数据统计、自动生成标准表格及打印等功能。
（2）良好的可扩展性。在系统的软硬件设计过程中，完全采用模块化、结构化设计技术，充分保证系统软硬件具有良好的可扩展性，可以方便地接受创
新技术的应用，能适应系统功能不断增强的需要。
（3）容错能力强。电源线和信号线错误连接及软件操作错误都不会导致硬件和软件损坏。
3 MODEM的通信控制
该系统的通信协议是根据XMODEM协议演变而来的，XMODEM协议是由Ward Chritensen于70年代提出的，是最早提出的一种文件传输协议，至今仍得到广泛使用。
XMODEM协议传输的数据单位是信息包，包含一个标题起始字符SOH、一个单字节包序号、一个包序号的补码、128个字节的数据和一个单字节的校验和。它把数据划分为128字节的小“包“进行发送，每发送一个小“包”后都要检验是否正确。如果发现有错，则再重发该小“包”，否则继续发送下一个小“包”，直至整个文件传输完毕。因此，XMODEM是一种发送等待协议，具有流量控制功能。
XMODEM的主要优点是简单、通用，基本上所有的通信软件都支持该协议。但由于每个信息包只有128个字节，而且采用出错重发方式，每次都要等待发送，文件传输速度很慢，对于9600bps的高速MODEM而言显得非常慢。这种包比较大，很不适合我们完成远端控制系统对机车的实时跟踪这项任务。此外，它的检错能力也不高（50％），为了保证数据的准确性和可靠性，需要一种检错能力强的通信协议。所以，我们没有直接采用这种通行规程，而对它进行了改进，下面是经我们改进过的通信协议。
本设计传输的数据单位也是信息包，但包的结构不同于XMODEM。我们发送的信息包含有：三个字节帧头（同步字），以保证每次接收端都能够正确地找到帧头；一个字节的命令／数据标识位，这样就把命令和数据分开处理便于接收端对命令和数据的正确区分和处理；两个字节的数据包序号（如果是命令此处以FFFF补齐），这样就解决了每次发送一个大的文件时包的数目很大乃至大于255的矛盾；然后是一个字节的命令字，接下来是16个字节的数据（或命令参数），最后是两个字节的CRC校验位，32位的CRC对于20个字节（包序号＋数据位）的检错能力大于97％，这样就大大地提高了系统的检错能力。在9600bps的高速环境下，以这种短小结构的包仍能够满足在较短时间内完成发送文件的任务，同样，这也意味着我们对无线信道的资源浪费并没有明显增加，而且除了具有较强的检错能力之外，它还有一个更适合我们系统的特点就是它短小的结构更利于我们完成远端控制系统对机车的实时跟踪，这是一种适合实时跟踪、强检错、效率相对较高的帧结构。具体帧结构如下：
为了实现数据能够正确、高效地在GSM网上传输，调制解调器是不可缺少的。在整个系统的设计中共有两处用到了调制解调器，一处是远端控制系统直接和计算机的标准串行口相连，另一处内置于移动台系统。两个调制解调器完成的功能是相同的，即完成数字信号和模拟信号之间的转换，下面作具体介绍。
4．1 Modem通信控制
4．2 通信握手
主叫和被叫之间为了能够保证通信的顺利、准确进行，必须使用握手过程。下面以基地台作为主叫，移动台作为被叫，主叫要求被叫发送文件为例来说明主叫和被叫之间的握手。如图3所示。
4．3 中断流程和发送数据包流程
程序设计采用中断和查询相结合的手段，只允许接收出错中断和接收就绪中断，而禁止其它中断。发送采用查询方式。RAM区里单独开启了一块包发送标志区，在发送新文件之前清除从前的内容。每一个包都对应一个固定位置（6个字节），其结构如下
在满足优先发送出错的数据包前提下，同时，也为了优化程序起见，程序中引入了计数器变量P，K。
P的含义：
（1）P之前的所有包必须满足条件A：得到正确回执或虽未得到正确回执但发送次数大于等于3。
（2）P距离当前欲发送包I最近。K的含义：
（1）K满足条件B：第K个包未得到正确回执且发送时间超过60秒发送次数小于3。
（2）K在P和I之间且距离P最近。在发送下一个包时，若发现P和I之间存在一个这样的K，则优先发送K。
4．4 监控程序
监控程序要实现的功能包括主叫回传、车台回传、实时跟踪、时钟校正、车台密码、系统口令、文件注册等几个功能。主叫回传是地面微机处理人员接受所选机车的文件目录，并将该目录文件的数据自动保留到指定的数据库中；车台回传是机车入库或出现故障时，乘务员将机车当前文件回传给地面微
5 结束语
本系统的开发填补了国铁路无线数据转储系统的一项空白，在济南铁路局运行期间，该系统产生了良好的经济效益和社会效益。由于本系统适用于移动通信比较完善的地区，所以，一些山区或移动基站建设较落后的地区，由于存在较多的盲区，使系统的性能受到影响。此外，因为转储发送系统在整个通信的过程中，只起到了一个接口的作用，所以，Modem的编程软件与记录板系统和移动台系统分离之后，修改部分软件，转储发送系统也可以作为其它的接口在有线网上传输。
参 考 文 献
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
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