車載通信設(shè)備GPS數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

■ 李曉峰 俞健

1 概述

隨著我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍越來越廣，新建鐵路基本覆蓋了GSM-R網(wǎng)絡(luò)，既有鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的改造正在有序?qū)嵤?。我國鐵路裝備現(xiàn)代化水平也在同步提高，機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）正逐步成為新一代列車無線調(diào)度通信的主要車載裝備。目前我國鐵路所有動車組和新造大功率機(jī)車都安裝了標(biāo)準(zhǔn)型CIR，既有機(jī)車的改造也將使用小型CIR代替?zhèn)鹘y(tǒng)無線列調(diào)機(jī)車電臺。

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中融入GPRS網(wǎng)絡(luò)，是我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，為鐵路信息化數(shù)據(jù)傳輸提供了重要的網(wǎng)絡(luò)平臺。作為新一代列車無線調(diào)度通信車載裝備，CIR由主控制單元、GSM-R話音單元、GSM-R數(shù)據(jù)單元、衛(wèi)星定位單元（目前采用GPS定位）、記錄單元、450 M Hz機(jī)車電臺單元、電源單元和接口單元等組成，既能滿足我國新建鐵路GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)話音調(diào)度通信和數(shù)據(jù)傳輸通信的應(yīng)用需求，又兼容了傳統(tǒng)模擬制式450 MHz無線列調(diào)話音通信和數(shù)據(jù)傳輸通信的應(yīng)用要求。

在我國，列車運(yùn)行在GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)段時(shí)，使用GSM-R進(jìn)行調(diào)度通信；運(yùn)行在沒有GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)段時(shí)，繼續(xù)采用傳統(tǒng)450 M Hz頻段模擬制式進(jìn)行調(diào)度通信。如果列車需跨區(qū)段運(yùn)行，則通過CIR的GPS定位單元內(nèi)部設(shè)定數(shù)據(jù)信息，根據(jù)列車運(yùn)行的位置，自動實(shí)現(xiàn)CIR在450 MHz通信模式和GSM-R通信模式之間切換。

目前，GPS定位單元所采用的這種技術(shù)方案基本滿足CIR調(diào)度通信應(yīng)用的要求，但通過一段時(shí)間的應(yīng)用也發(fā)現(xiàn)了一些問題。

2 GPS單元使用現(xiàn)狀及存在問題

根據(jù)鐵道部有關(guān)技術(shù)條件要求，目前CIR使用的GPS單元內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)板載數(shù)據(jù)庫，用于存儲各運(yùn)行線路的數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中主要解決以下問題。

（1）在450 M Hz通信區(qū)段，根據(jù)GPS定位信息確定的列車實(shí)際運(yùn)行位置，向CIR主控制單元輸出當(dāng)前的線路和區(qū)段名稱、線路代碼、通信制式和通信頻率等。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定的切換點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)不同通信制式和工作頻點(diǎn)的自動切換。

（2）在GSM-R通信區(qū)段，根據(jù)GPS定位信息確定的列車實(shí)際運(yùn)行位置，向CIR主控制單元輸出當(dāng)前的線路和區(qū)段名稱、線路代碼，前方車站、本地車站、后方車站的名稱和車站值班臺的ISDN號碼，當(dāng)前調(diào)度區(qū)段調(diào)度臺的ISDN號碼等。

（3）在450 M Hz與GSM-R切換區(qū)段，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定的切換點(diǎn)位置，通過列車的GPS定位信息實(shí)現(xiàn)450 MHz和GSM-R通信模式的自動切換。

（4）在多條運(yùn)行線路并行且距離較近，GPS定位信息無法區(qū)分時(shí)，或在GSM-R區(qū)段多條運(yùn)行線路共用GSM-R基站小區(qū)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定區(qū)域向CIR主控單元、操作顯示終端（M M I）等輸出運(yùn)行線路列表信息，供司機(jī)選擇當(dāng)前的運(yùn)行線路。

（5）為CIR系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信息。

自CIR開通應(yīng)用以來，經(jīng)過不斷修改和完善，基本滿足當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的要求，同時(shí)也存在一些問題。

（1）線路數(shù)據(jù)庫保存在CIR的GPS單元存儲器中，而CIR設(shè)備又安裝在列車上，隨著新建線路的增加和既有線路的改造，需要不斷更新和維護(hù)GPS單元的線路數(shù)據(jù)庫，對分散在各列車上的線路數(shù)據(jù)庫逐臺進(jìn)行更新工作量很大。

（2）同一鐵路局內(nèi)，機(jī)車隸屬不同機(jī)務(wù)段、動車隸屬不同動車段，即使增加或修改支線數(shù)據(jù)、走行線數(shù)據(jù)等，都要修改GPS單元線路數(shù)據(jù)庫，頻繁更改造成現(xiàn)場不同列車上的線路數(shù)據(jù)庫版本不統(tǒng)一，對各GPS單元中所含線路數(shù)據(jù)也不易掌握，運(yùn)用管理比較困難。

（3）不同廠家CIR設(shè)備的GPS單元，線路數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一，更新維護(hù)方法也不一致，現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫的編輯維護(hù)很不方便，升級管理困難。

（4）列車運(yùn)行交路很多，列車回庫時(shí)間很難掌握，各列車上GPS單元線路數(shù)據(jù)庫更新不能同步完成，數(shù)據(jù)更新周期較長。

（5）列車運(yùn)行交路不固定，列車調(diào)撥也比較頻繁，CIR數(shù)據(jù)庫的更新管理難以跟蹤。

（6）如果列車需長交路跨區(qū)段運(yùn)行，因運(yùn)行線路（或區(qū)段）隸屬不同鐵路局，當(dāng)線路數(shù)據(jù)出現(xiàn)修改時(shí)，不同鐵路局的數(shù)據(jù)修改很難同步完成，容易對實(shí)際應(yīng)用造成影響。

（7）數(shù)據(jù)庫容量受限，定位精度也不夠高，不便于以后的發(fā)展。

（8）數(shù)據(jù)庫分散在各個(gè)列車上，無法做到資源共享，不利于未來鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的發(fā)展。

為解決這些問題，廠家和用戶進(jìn)行了一些探索，如統(tǒng)一接口定義，規(guī)范GPS單元數(shù)據(jù)庫升級方法等。但數(shù)據(jù)庫分散、更新維護(hù)工作量大、數(shù)據(jù)庫更新管理困難、更新周期長等根本問題依然存在。為解決這些問題，可考慮采用將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理的技術(shù)方案。

3 GPS數(shù)據(jù)信息集中處理技術(shù)方案

3.1 技術(shù)原理

我國鐵路數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和完善為GPS數(shù)據(jù)信息集中處理提供了保障，線路數(shù)據(jù)庫的集中存儲、GPS數(shù)據(jù)信息的集中處理也為我國鐵路數(shù)據(jù)信息網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。云計(jì)算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展。云計(jì)算的一個(gè)核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進(jìn)而減少用戶終端的處理負(fù)擔(dān)，最終使用戶終端簡化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。我國鐵路的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)越來越完善，各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用服務(wù)器也越來越多。如果將鐵路數(shù)據(jù)信息網(wǎng)看成一個(gè)“云”，列車上的車載CIR就是一個(gè)用戶終端，網(wǎng)絡(luò)中不同功能的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器可通過通用分組無線服務(wù)業(yè)務(wù)（GPRS）網(wǎng)絡(luò)為車載CIR用戶提供多種應(yīng)用服務(wù)。

根據(jù)我國的實(shí)際情況，按照鐵道部GSM-R相關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定，鐵路行車調(diào)度信息、鐵路設(shè)施維護(hù)管理信息、旅客服務(wù)信息，以及其他服務(wù)信息均可采用GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。目前使用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男熊囌{(diào)度信息主要包括無線車次號校核信息和調(diào)度命令信息等，用于處理此類業(yè)務(wù)的是GPRS接口服務(wù)器（GRIS），每個(gè)鐵路局根據(jù)線路情況設(shè)置1個(gè)或多個(gè)GRIS。

如果將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理，可考慮在各鐵路局地面數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)一臺GPS信息應(yīng)用服務(wù)器（GIS），用于集中處理各機(jī)車CIR所需列車行車調(diào)度通信信息。這種方案進(jìn)一步弱化了CIR中GPS單元數(shù)據(jù)處理能力，GPS單元僅簡單輸出GPS的原始信息，將GPS單元中的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理能力移植到地面GIS服務(wù)器中。各車載CIR通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向GIS報(bào)告本列車的運(yùn)行位置信息，GIS通過多線程并行計(jì)算分析將各列車所需的行車調(diào)度通信信息反饋給各車載CIR。

鐵路局增設(shè)的GIS服務(wù)器應(yīng)存儲本局管內(nèi)各條線路的GPS應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，其中至少應(yīng)包含線路GPS信息、公里標(biāo)信息、小區(qū)和位置區(qū)信息、線路名稱、區(qū)段名稱、線路代碼、工作模式、車站一名稱、車站一值班臺電話號碼、車站二名稱、車站二值班臺電話號碼、車站三名稱、車站三值班臺電話號碼、車站四名稱、車站四值班臺電話號碼、當(dāng)前行車調(diào)度臺電話號碼以及線路列表等信息。

如果列車長交路跨區(qū)段運(yùn)行，目標(biāo)GRIS和GIS的IP地址應(yīng)根據(jù)列車運(yùn)行位置進(jìn)行更新，當(dāng)前GRIS和GIS的IP地址分配和運(yùn)行過程中目標(biāo)GRIS和GIS的IP地址更新可以通過GPRS歸屬服務(wù)器（GROS）完成。增加GIS服務(wù)器后，地面GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2 主要工作流程

（1）CIR開機(jī)，GSM-R數(shù)據(jù)單元獲取IP地址后，向GROS申請當(dāng)前GRIS的IP地址的同時(shí)申請當(dāng)前GIS的IP地址，GROS返回當(dāng)前GRIS的IP地址和GIS的IP地址。

（2）CIR獲取到當(dāng)前GIS的IP地址后，向GIS服務(wù)器報(bào)告列車當(dāng)前位置信息。

圖1 增加GIS后的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

（3）GIS服務(wù)器根據(jù)列車當(dāng)前位置進(jìn)行分析判斷，如果存在需要選擇的線路列表則向CIR反饋線路列表信息；CIR收到列表信息后，在MM I顯示并語音提醒司機(jī)選擇線；司機(jī)進(jìn)行選線操作后，CIR向GIS報(bào)告當(dāng)前的運(yùn)行線路；GIS收到確定線路后，向CIR返回當(dāng)前行車調(diào)度通信所需要的數(shù)據(jù)信息。如果司機(jī)未進(jìn)行選線操作則，GIS每間隔一定時(shí)間（可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求確定）重發(fā)線路列表。

（4）GIS服務(wù)器根據(jù)列車當(dāng)前的位置信息進(jìn)行分析判斷，如果不存在線路選擇列表則直接向CIR返回當(dāng)前行車調(diào)度通信需要的數(shù)據(jù)信息。

（5）列車運(yùn)行過程中，每間隔一定時(shí)間（可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求確定）向GIS報(bào)告當(dāng)前列車位置信息，GIS向CIR返回當(dāng)前行車調(diào)度通信所需數(shù)據(jù)。

（6）當(dāng)G IS發(fā)現(xiàn)列車位置超出本局管范圍時(shí)，向GROS發(fā)送GIS目標(biāo)IP地址更新請求，GROS向CIR返回目標(biāo)GIS的IP地址。

（7）CIR收到更新后的GIS目標(biāo)IP地址后，向新的IP地址報(bào)告列車位置信息。

3.3 主要優(yōu)點(diǎn)

采用將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理的技術(shù)方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）各鐵路局只需配置并驗(yàn)證好本局內(nèi)的線路數(shù)據(jù)庫，CIR設(shè)備可直接使用，與列車無關(guān)；

（2）任何線路數(shù)據(jù)的修改只在GIS服務(wù)器上進(jìn)行，大大減少了工作量；

（3）單點(diǎn)修改效率很高，數(shù)據(jù)調(diào)整和驗(yàn)證速度快；

（4）線路數(shù)據(jù)存儲在G IS服務(wù)器中，維護(hù)管理方便，安全可控；

（5）GPS單元僅輸出原始數(shù)據(jù)，互換性好，維護(hù)成本低，維護(hù)方便；

（6）列車在跨區(qū)段長交路運(yùn)行時(shí)，不需要考慮其他鐵路局的線路數(shù)據(jù)是否有修改，GPS單元線路數(shù)據(jù)庫是否需要升級，任何修改只在相關(guān)鐵路局內(nèi)部進(jìn)行，不需通知設(shè)備廠家重新編輯修改線路數(shù)據(jù)庫；

（7）GIS服務(wù)器的存儲容量大，可存儲更高精度的GPS數(shù)據(jù)信息，提高了定位精度；

（8）當(dāng)GPS單元出現(xiàn)故障時(shí)，也可通過小區(qū)和位置區(qū)信息等提供粗略定位，弱化了故障；

（9）隨著鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)的發(fā)展，地面G IS服務(wù)器也為鐵路私有“云”中其他終端用戶提供服務(wù)，通過不斷發(fā)展和完善GIS的功能，可為將來新業(yè)務(wù)的發(fā)展提供條件；

（10）解決了在GSM-R區(qū)段CIR數(shù)據(jù)通信的活動性檢測問題，為CIR的GSM-R數(shù)據(jù)單元可靠工作提供了條件。

3.4 主要問題和解決方案

采用將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理的技術(shù)方案，需要注意解決以下問題。

（1）450 M Hz區(qū)段通信制式和工作頻率的切換。在450 M Hz區(qū)段，通信制式和工作頻率可通過手動方式選擇。目前列車使用傳統(tǒng)的模擬制式機(jī)車電臺，基本都是通過手動方式選擇工作頻點(diǎn)，CIR在450 M Hz區(qū)段可繼續(xù)沿用此方法。

（2）450 M Hz區(qū)段和GSM-R區(qū)段的自動切換。采用將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理的技術(shù)方案后，CIR工作模式的自動切換將通過GIS的分析處理來控制。要求CIR即使工作在450 M Hz通信模式，如果進(jìn)入GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，CIR的語音單元和數(shù)據(jù)單元應(yīng)登錄GSM-R網(wǎng)絡(luò)，在獲得當(dāng)前GIS的IP地址后，也應(yīng)該向GIS報(bào)告列車當(dāng)前的位置信息，GIS根據(jù)數(shù)據(jù)庫中設(shè)備定的切換點(diǎn)位置，控制CIR由450 M Hz工作模式切換到GSM-R工作模式；當(dāng)列車駛離GSM-R區(qū)段時(shí)，由GIS服務(wù)器根據(jù)CIR報(bào)告的列車位置信息控制CIR由GSM-R工模式切換到450 M Hz工作模式。

（3）列車高速運(yùn)行時(shí)，行車調(diào)度通信所需要的信息包丟失。正常情況下，列車運(yùn)行過程中GIS向列車CIR反饋2個(gè)前方車站、1個(gè)本地車站、1個(gè)后方車站的數(shù)據(jù)信息，但可以對GIS進(jìn)行配置，根據(jù)列車運(yùn)行的速度，輸出多個(gè)前方車站的信息，如果速度較高，最多可配置輸出前方4個(gè)車站的信息。這樣即使短時(shí)間的數(shù)據(jù)通信中斷，或部分信息包丟失，也能保持前方車站呼叫可用。如果前方出現(xiàn)岔路時(shí)，可通過配置輸出多條岔路上的前方車站信息，供司機(jī)選擇使用。

（4）CIR數(shù)據(jù)單元出現(xiàn)故障，無法與GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)CIR數(shù)據(jù)單元出現(xiàn)故障，無法獲取調(diào)度臺、車站值班臺的ISDN號碼時(shí)，可手動選擇GSM-R工作模式，采用基于位置的尋址方式實(shí)現(xiàn)調(diào)度員、車站值班員的通信聯(lián)絡(luò)。

（5）列車遭遇遮擋或GPS單元出現(xiàn)故障時(shí)，CIR無法獲取GPS有效定位信息。在列車遭遇遮擋或GPS單元出現(xiàn)故障時(shí)，CIR無法獲取GPS有效定位信息，CIR可向GIS報(bào)告列車當(dāng)前所在的小區(qū)和位置區(qū)信息，GIS可通過小區(qū)ID或位置區(qū)ID進(jìn)行粗略定位。如果判斷出存在需要選擇的線路列表，則向CIR反饋線路列表信息；CIR收到列表信息后，在M M I顯示并語音提醒司機(jī)選擇線；司機(jī)進(jìn)行選線操作后，CIR向GIS報(bào)告當(dāng)前的運(yùn)行線路；GIS收到確定線路后，向CIR反饋當(dāng)前行車調(diào)度通信所需要的數(shù)據(jù)信息。如果不存在線路列表，則直接向CIR反饋當(dāng)前行車調(diào)度通信所需要的數(shù)據(jù)信息。

4 結(jié)束語

綜上所述，將GPS數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理是一種趨勢，所提技術(shù)方案為解決當(dāng)前列車車載通信設(shè)備GPS單元應(yīng)用中存在的問題提供參考，在實(shí)際應(yīng)用中還需對方案進(jìn)行討論細(xì)化，并制定相關(guān)統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。

[1] 科技運(yùn)［2009］28號 關(guān)于印發(fā)《GSM-R 數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范：第二部分：機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（V2.0）》的通知[S]

[2] 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007