基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)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(jiān)控鐵路的運行狀態(tài)成為解決問題的關鍵。傳統的鐵路智能監(jiān)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(qū)的鐵路監(jiān)控穩(wěn)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(huán)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(jiān)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(yè)的進一步發(fā)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(fā)，選擇ARM11 處理器，因為相較于傳統監(jiān)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(wèi)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(wèi)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(jiān)控系統的通信模塊分為網絡通信、無線數傳以及衛(wèi)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(wèi)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(yōu)點，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(jiān)控系統軟件進行設計。采用嵌入式Linux 系統，開發(fā)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(jiān)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(fā)需求出發(fā)，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(guī)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(jiān)控系統的實際監(jiān)控性能，設置相應的實驗環(huán)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(jiān)控系統的監(jiān)控性能與傳統鐵路智能監(jiān)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(jiān)控系統監(jiān)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(jié)，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(jiān)控系統，文中設計的基于多通道回傳定位的鐵路智能監(jiān)控系統的數據傳輸效率更快，數據傳輸量更多。區(qū)別在于，傳統的鐵路智能監(jiān)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(jiān)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(huán)境，多個傳輸通道共同進行數據傳輸，進一步提升了傳輸穩(wěn)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(jiān)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(huán)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(wèi)星通信3 種通信方式，即使在無網絡區(qū)也可以通過衛(wèi)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(chuàng)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(fā)提供借鑒。