CN1710841B - 列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统，它包括设置在机车上的网络中心站和设置在每节车辆上的网络接点站；所述网络中心站和网络接点站均是由作为转发及设备控制中心的DSP数字处理机、自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端、数据采集和执行部件及电源部分；所述自由空间光通讯部分(FSO)包括光收发信机A和光收发信机B；所述数据采集和执行部件中的数据采集部分包括负责对机车或车辆状态的实时连续监测的风压传感器、热轴传感器、轴承传感器、脱轨检测器、轮缘踏面损伤探测器、数字摄像机等，其执行部件包括控制补机机车发挥出与本务机车牵引、制动特性相一致的部件，对车辆子机来讲，指控制本车辆的制动和缓解的电空阀等。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于自由空间光通讯(FSO)技术为主，附加蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、红外通讯(IrDA)设备、Wi-Fi Mesh自组网设备、GPRS通讯模块中的任意一种作备份的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统。本发明主要应用在铁路上对具有多节机车车辆的列车每相邻的两个车体之间自动建立起无线链路的网络通讯系统，通过该网络系统可方便地实现列车牵引、制动及缓解控制和全列车状态的实时监测等。
(二)背景技术
公知的铁路列车车辆制动系统是靠机车乘务员操纵制动机，各列车车辆的制动系统靠与机车相连的空气管路来逐次传递制动力，列车车辆产生制动力的时刻、力的大小都不相同，由于列车管充风(缓解)和放风(制动)的风源及放风口位于机车上，所以列车管空气制动(缓解)波传播规律都是按照从机车开始向机车后1位、2位、3位…直至末尾车辆进行作用力的传递。这样，司机通过操纵制动机控制全列车制动与缓解作用的指令发出后，从机后1位到末位车辆响应就有很大的时间延迟(通常达数十秒)，大大降低了列车的制动效果和延长了制动距离。这对列车行车安全性及提高列车的运行速度和运能都极为不利。同时，目前的货物列车车辆与客车车辆也有很大不同，一是货车车辆上无电源供电，二是货车车辆上一般都无专门值乘人员，对于行进中的车辆状态不能实时监控，三是货物车辆编组流动性大，一般不固定配属某一车辆段(企业自备车除外)，连挂编组后开行的货物列车车辆状态只能靠沿线分段布置的地面红外检测所等间断性地监测和预报轴温、轮缘踏面损伤、脱轨等运行中的车辆技术状态。所以，一般现阶段列车不能实施列车的同步制动与缓解，也不能实时连续、动态地监测各编组车辆的状态并预报。更不能将危及列车行车安全的车辆重要信息实时反馈到唯一能及时取措施的机车乘务员那里。
为解决上述问题，我国的铁路系统在编组相对固定的客车列车上，已经开始应用电缆以及固定在车辆两端的连接插座将全列车连接起来，进行简单的列车制动、缓解等控制指令的下达。这种简单的列车单向信息线路具有很高的可靠性和信息安全性，但其缺陷是1、不支持大信息量的数据交换；2、每当机车连挂车列或列车重新编组时，都要人工手动连接或摘除电缆连接器，费人费工又费时；3、插头(针)经多次拔插或氧化后也会造成接触不良影响通讯质量，甚至完全失效；4、对于在大部分情况下，编组都极不固定的货物列车来说，通过电缆连接的方法建立通讯几乎更不可能。
另外，专利号为4682144的美国专利于1987年公开了一种基于有线光纤的列车通讯链路，虽然光纤能提供巨大数据传输量的通讯链路，但毕竟属有线方式，经反复经常性地拔插加上工作环境恶劣，大量粉尘、烟雾、油脂可能污染光耦合设备插接脚，影响光的传输效果。同时，对接插脚的清洁又极不方便。这样将会极大地影响其通讯效率和效果，甚至完全失效。
在加拿大人安德鲁.马丁于1996年提出的发明中，提供一种无线电磁微波链路的列车车载网络通讯方法，利用无线电电磁耦合的一对复用器/去复用器建立无线链路通讯的方法虽然可行，但也存在着一些不足之处：1、电磁微波通讯的频率绝大多数是要向各地无线电委员会申请使用许可证并每年要交纳相当可观的费用。即使频率选择在免申请频段，由于该频段的用户数量太多，且密度大，无线电通讯的所有缺点：诸如同频干扰、邻道干扰、多径干扰一样都不能避免；2、电磁通讯由于是全向传播，小区覆盖方式，对与大量机车车辆聚集的场合来说任意两个通讯设备要建立有效联系并排除各种干扰是相当困难的。3、行车信息安全性也是很难保证的，无线电侦听及干扰技术相对是容易实现的。而这对于铁路行车部门来说，其信息传输的安全性又是极其重要的。
自由空间光通讯(FSO)技术是21世纪初被通讯界评价极高并重新认识和极力开发的一种固体红外激光通讯技术，它被认为是21世纪全光网络通讯主干网应用中的两种主要信息传输方式，光纤通讯和自由空间光通讯(FSO)技术中的一种。并且从发展趋势来看，二者将会从技术标准上统一起来，一起构成被认为是21世纪最理想的网络状态-无缝连接的新一代全光交换网络。自由空间光通讯(FSO)之所以被人称为“虚拟光纤”，其主要原因在于：无线的形式，光纤的特性，可靠性高，安全性好，抗干扰性强，通讯速率潜力(带宽)同光纤一样。另外，固体红外激光通讯采用红外激光光束近似线形传播，能量集中，一般功率都很小。几乎不会受周围环境或设备干扰也不干扰其他设备，尤其考虑安装在列车上相邻的两车厢相对紧靠的车辆端部，发射与接收是近距离水平对视(约1m)，由于相距很近，甚至对光通讯影响最大的恶劣气候-浓雾，对其通讯效果的影响也微乎其微。环境的影响主要考虑列车停靠和运行在灰尘和沙粒飞扬的站场或旷野上，一般情况下可以利用列车管风压定时自动吹扫方法予以消除其影响即可。另外也可根据列车运行环境变化制定定期清洁粘性附着物制度来保证。利用自由空间光通讯技术构建的列车无线网络通讯系统有着极高的可靠性和安全性，且支持大数据量的信息传输，目前技术下其所能提供的带宽已达2.5G。在目前情况下既可支持数据、语音、视频无压缩方式的同时实时性传播，同时由FSO设备为主构建的列车网络还可支持升级到无电端-端光交换的全光网络系统。也就是说，在列车无线网中传输的无论上行或是下行的数据，可不经机车或车辆子机的一级级转发，即可在自由空间及有线光纤中直接全光传播，数据传输的效率及可靠性更高。
(三)发明内容
本发明的目的正是为了克服在现有的长大铁路货物列车上不能实现多机车牵引、制动、缓解等同步控制及车辆状态的实时检测和预报的不足，利用自由空间光通讯(FSO)技术，提供一种列车车载无线自组网络通讯及列车状态的实时监控系统。本发明基于列车车载无线自组网的网络通讯平台，并通过该平台实现多机车牵引、列车制动、缓解指令向全列车系统指令的下达，以及通过该网络平台及时地将全列车车辆状态信息数据及时反馈给机车乘务员。
本发明的目的可通过以下措施来实现：
本发明的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统包括设置在机车上的网络中心站和设置在每节车辆上的网络接点站；所述网络中心站和网络接点站均包括作为转发及设备控制中心的DSP数字处理机、自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端、数据采集和执行部件和电源部分；所述自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端包括光收发信机A和光收发信机B，光收发信机A和B与DSP之间采用RS-485或高速USB串口或光纤连接；所述数据采集和执行部件中的数据采集部分包括负责对机车或车辆状态的实时连续监测的风压传感器、热轴传感器、轴承传感器、脱轨检测器、轮缘踏面损伤探测器、数字摄像机，其网络中心站的执行部件对补机主机主要是指根据本务主机传输的信息控制补机机车发挥出与本务机车牵引力或制动力特性相一致的控制部件(本务机车主机在身份被乘务员设置后，执行部件不发挥作用)，其网络接点站的执行部件包括控制本车辆的制动、缓解的电空阀，该部分通过I/O端口与DSP连接；所述数据采集部件中的数字摄像机通过USB与DSP连接，其余部分皆通过A/D模数转换器与DSP连接。
为了确保通讯系统的畅通，本发明在机车和每节车辆上均设置有附加无线通讯链路备份部分；所述无线通讯链路备份是由蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、红外通讯(IrDA)设备、Wi-Fi Mesh自组网设备、GPRS通讯模块中的任意一种设备构建而成；所述无线通讯链路备份设备采用USB串口与DSP相连接。
本发明中所述的DSP数字处理机、由蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、Wi-Fi Mesh自组网设备、GPRS通讯模块中的任意一种构建而成的无线链路备份、以及电源部分均安装在机车和每节车辆的底部中心位置；数据采集和执行部件安装在各信号的采集和控制点；自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端分别安装在车辆(机车)两端车钩部位的正下方的车体上，且都保证其在每节车辆(机车)上相对于地面轨道的水平和垂直位置一致。
本发明中由红外通讯(IrDA)设备构建而成的无线链路备份设备的前端和后端分别安装在车辆(机车)两端车钩部位的正下方的车体上，且都保证其在每节车辆(机车)上相对于地面轨道的水平和垂直位置一致。
更具体地讲，本发明的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统利用自由空间光通讯(FSO)设备在机车上设立网络中心站(称主机)，并同时配置一套蓝牙(Bluetooth)设备、无线USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、红外通讯设备(IrDA)、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块等其中的任意一种作为通讯链路备份，在每节车辆上构建网络接点站(子机)，并同时配置一套蓝牙(Bluetooth)设备、无线USB(WUSB)设备、IEEE802.1x设备、红外通讯设备(IrDA)、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块等其中的任一种设备作为通讯链路备份。无论主机或是子机的无线光链路通讯系统当在事先设置好的固定时间段内收不到来自另一台FSO设备的联络信号后都将处于节能的休眠待机状态，当列车编组连挂后子机检测到列车管压力达到定值时，自由空间光通讯链路系统取消休眠待机状态，开始工作并等待呼叫。主机以本机车的机车编号作为网络主机地址码，而子机是将由铁道部统一编码的货物车辆编号作为其子机地址码。所有的FSO设备在每节车辆(或机车)上都采用背靠背安装，点到点组网方式。
本发明通过构建的车载式无线光网络通讯平台，解决了困扰铁路多年的长大货物列车上不能实现同步牵引、同步制动、同步缓解等一系列的问题，同时，也极大地提升了货车车辆的技术装备水平，使我国货车车辆长时间处于监测“盲区”的运用状态工作的状况，得到彻底改变。这样，不仅在贯彻我国铁路运输“客运高速”，“货运重载”的技术政策下，迈出了关键实质性的一步，同时，也将原本无电状态下的货车车辆，提升至一个完全智能化实时监控其状态的信息化水平。对于提高铁路货物列车运能、运行速度、效率和行车安全性方面都具有极其重要的现实意义。
(四)附图说明
图1是本发明的列车网络系统组成及安装方式。
该视图给出了仅包含一台机车和机后一位一辆的网络构成形式举例。
图2为本发明中每节机车或车辆上的主机或子机系统构成框图。
图3为本发明的无线自组网网络结构线形拓扑框图。
图中箭头A表示列车的运行方向，其中“主-前”、“主-后”、“1#-前”、“1#-后“、“2#-前”、“2#-后”及“n#-前”、“n#-后”都表示光收发信机。
图4为本发明的自由空间光通讯网络的自组网过程程序框图。
图5为本发明中所称FSO光通讯设备工作原理图。其中光收发信机A和光收发信机B分别表示相邻车辆的前后端安装的两台互相通讯的FSO设备。
(五)具体实施方式
本发明以下将结合实施例(附图)作进一步描述：
本发明的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统利用公知的自由空间光通讯(FSO)设备在机车上设立网络中心站(称主机)(并同时配置一套由公知的蓝牙(Bluetooth)设备、无线USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、红外通讯设备(IrDA)、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块等其中的任意一种作为无线通讯链路备份部分)，同时利用公知的自由空间光通讯(FSO)设备在每节车辆上构建网络接点站(子机)(并同时配置一套由公知的蓝牙(Bluetooth)设备、无线USB(WUSB)设备、IEEE802.1x设备、红外通讯设备(IrDA)、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块等其中的任意一种设备作为无线通讯链路备份部分)。
如图2所示，本发明所称网络中心站(主机)和网络接点站(子机)系统皆有五部分组成：1、DSP数字处理机，该部分既为主机或子机的数据处理、转发及设备控制中心，也可称其为列车网络的一个网络节点；2、自由空间光通讯部分前端和后端分别指的是光收发信机A和光收发信机B，A和B与DSP之间采用光纤连接，当然也可采用RS-485或高速USB串口进行连接；3、无线通讯链路备份部分是由红外通讯设备(IrDA)构成(所述无线通讯链路备份部分也可以是蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块中的任一种)，所述无线通讯链路备份部分采用高速USB串口与DSP连接；4、数据采集和执行部件，其中数据采集部分包括风压传感器、热轴传感器、轴承传感器、脱轨检测器、轮缘踏面损伤探测器、数字摄像机等设备负责对机车或车辆状态的实时连续监测等，其网络中心站的执行部件对补机主机主要是指根据本务主机传输的信息控制补机机车牵引、制动特性的控制部件，该部分通过I/O端口与DSP连接；其网络接点站的执行部件包括控制本车辆的制动、缓解电空阀，该部分通过I/O端口与DSP连接；其中数据采集各部件除数字摄像机外皆通过A/D模数转换器与DSP连接，数字摄像机则通过USB连接DSP；5、电源部分，指的是为主机或子机系统工作提供电力的电源部分。
如图1、3所示，DSP数字处理机及电源部分安装在每节车辆(或机车)的底部中心位置；数据采集和执行部件安装在各信号的采集和控制点；自由空间光通讯(FSO)设备和作为无线链路备份部分的红外通讯设备(IrDA)的前端和后端均分别安装在车辆(或机车)两端车钩部位的正下方的车体上且都保证位置在每节车辆(或机车)上相对地面轨道的水平和垂直位置一致。
本发明中的无线链路备份部分也可采用套蓝牙(Bluetooth)设备、无线USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、Wi-Fi Mesh设备、GPRS通讯模块等其中的任意一种，由上述设备中的任意一种构成的无线链路备份部分安装在安装在每节车辆(或机车)的底部中心位置处。
本发明的工作原理如下：
第一种情况，考虑全列车单机车牵引，当机车与编组车辆连挂后通讯自组网时，已处于工作状态的机车主机通过“主-后”FSO设备首先呼叫机后1位车辆的“1#-前”FSO设备，机后1位车辆子机回传机车“收到”信息，同时1位车辆子机对本机“列车编组数量寄存器”和“编组位置寄存器”加“1”，然后通过1位车辆的“1#-后”FSO设备再呼叫机后2位车辆的“2#-前”FSO设备，2位子机通过“2#-前”FSO设备回传1位车辆“收到”信息，2位子机并将“列车编组数量寄存器”和“编组位置寄存器”加1，该信息再后传给机后3位车辆FSO设备…，直到末尾车辆。末尾车辆FSO设备由于收不到“收到”信息，就将本车的“列车编组数量寄存器”和“编组位置寄存器”值作为“列车编组数最大值”信息逐次回传到机车主机，主机收到该“列车编组数最大值”后，与乘务员开机后预先输入设备中的“列车编组数”比较，确定正确与否，如正确，说明全列车自组网完成，且验证了列车无线自组网络设备一切正常。当数据被验证不正确时，有以下几种情况：
1、传回值n＜实际编组值N：传回值正好说明是机后第n位车辆“n#-后”FSO设备故障或第n+1位车辆通讯链路或设备故障，可通知地面人员及时检查处理。
2、传回值n＞实际编组值N：说明末尾车辆后同股道内近距离处有本列车编组外的机车或车辆停留，机车主机的处理方法是：本列车主机从网络中排除超过N值的所有机车或车辆。
第二种考虑多机车牵引情况，与第一种情况类似，首先，作为本务机车的主机呼叫机后车辆子机并完成自组网过程中，当组网连接到补位机车时，既告第一网段结束。补位机车一方面向本务机报告“收到”，同时再向补位机车机后编组车辆作呼叫和自组网工作。依次类推，对于超长多机车牵引的重载货物列车也可方便完成自组网编组和网络设备故障检测。
如图4所示，列车通过自组网网络编组后，至下次解体重新编组前的一段时期内，该列车的网络结构组成及机车主机的控制和监测对象就确定下来。在该网络编组系统中传输的数据按性质分成两种类型：一种是下行数据，指的是由机车主机向机后至补机机车/末尾车辆间的所有车辆及补机机车传递的数据，一般该数据包括组网命令数据、列车牵引、制动、缓解指令数据、定时网络状态自检命令数据等。另一种是上行数据，一般指的是网络定检结果回复数据、机后车辆技术状态的各种检测数据等。
在通常情况下，列车编组完成并且组网成功后，自由空间光通讯部分(FSO)一切都处于正常工作状态下，应用光通讯系统传输信息，只有当两个相邻的车体间光链路中断时(当呼叫端光收发信机设备听不到回应时即判定为光链路中断)，那么相邻的两车体的车载无线通讯链路备份部分备份自动启动投入工作并同时向机车主机传送主通讯链路故障信息。
本发明中所述的无线通讯链路备份(除IrDA设备外)仅在列车网络编组后的运行途中才会启动工作，在列车运行途中自由空间光通讯部分(FSO)设备定时自检，当发现某相邻两车体间FSO设备联络异常(比如蓬布垂落遮挡光线或FSO设备出现损坏不能正常通讯时，相邻两车体的DSP处理器自动开启备份链路设备投入工作，并向机车主机发送机后第几位车体和第几位车体之间主链路故障、且备用无线通讯链路备份部分已投入工作信息；如果，在一个网络定检周期后，机车主机收到机后某位车体发回联络信息为“中断”和列车管压力值时，此时，应立即通知副司机向后了望并分析列车管压力值是否正常，以确定到底是发生车体断钩或是子机系统损坏，以便采取相应措施。由于无线通讯电磁链路备份设备只在FSO设备发生故障的两车体间启用，故对启用的无线电磁链路备份设备来说，仅在有限的时间段内和极少量备份设备投入工作，所以其所受干扰的几率将很低。
本发明中所述的红外通讯(IrDA)设备作备份时，主要考虑的是：IrDA设备可在列车编组连挂完成时，具有代替FSO设备实现列车自组网功能，自组网方法同FSO设备一样。但IrDA设备的缺点是，1、在室外环境下容易受太阳光的干扰，所以不适合用于要求系统长时间稳定、可靠的通讯场合；2、在于IrDA设备所使用的红外发光管是一种不耐用的器件，一旦在器件长时间工作发热后，很容易损坏。
Claims (4)
1.一种列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统，其特征在于：它包括设置在机车上的网络中心站和设置在每节车辆上的网络接点站；所述网络中心站和网络接点站均包括作为转发及设备控制中心的DSP数字处理机、自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端、数据采集和执行部件、无线通讯链路备份部分以及电源部分；所述自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端都包括光收发信机A和光收发信机B，光收发信机A和B与DSP数字处理机之间采用光纤或RS-485或高速USB串口或普通网线连接；所述数据采集和执行部件中的数据采集部分包括负责对机车或车辆状态的实时连续监测的风压传感器、热轴传感器、轴承传感器、脱轨检测器、轮缘探测器、数字摄像机；所述网络中心站、网络接点站的数据采集和执行部件中的执行部分包括控制本车辆的制动与缓解电空阀部分皆通过I/O端口与DSP数字处理机连接；所述数据采集和执行部件中的数字摄像机通过高速USB串口与DSP数字处理机连接，除数字摄像机外其余的数据采集部分中的传感器皆通过A/D模/数转换器与DSP数字处理机连接；用于在无线自组网过程中记录列车编组数量以及每台机车和车辆在列车中位置的列车编组数量寄存器和编组位置寄存器，通过将该列车编组数量寄存器所寄存的列车编组数与预先输入的列车编组数比较，从而确定组网是否结束。
2.根据权利要求1所述的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统，其特征在于：在每节机车和车辆上均设置有附加无线通讯链路备份部分；所述无线通讯链路备份部分是由蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、红外通讯(IrDA)设备、Wi-Fi Mesh自组网设备、GPRS通讯模块中的任意一种构建而成；所述无线通讯链路备份部分采用USB串口与DSP数字处理机连接。
3.根据权利要求1或2所述的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统，其特征在于：以DSP数字处理机为核心，由蓝牙(Bluetooth)设备、无线宽带USB(WUSB)设备、IEEE802.xx设备、Wi-Fi Mesh自组网设备、GPRS通讯模块中的任意一种构建而成的无线通讯链路备份部分、以及电源部分均安装在机车和每节车辆的底部中心位置；数据采集和执行部件安装位置则根据所采集数据的种类和控制信号的性质安装在相应的车辆位置上，数据采集和执行部件中的数据采集部分中的风压传感器安装采用经车辆的列车管加装常用三通阀引出后联结方式；热轴传感器直接对车辆轮对的转轴采用贴片安装或红外直接照射方式安装；自由空间光通讯部分(FSO)设备前端和后端分别安装在车辆或机车两端车钩部位的正下方的车体上，且都保证(FSO)设备前端和后端在每节车辆或机车上相对于地面轨道两根平行钢轨的水平方向及垂直方向上的一致。
4.根据权利要求2所述的列车车载无线自组网络通讯及列车状态实时监控系统，其特征在于：由红外通讯(IrDA)设备构建而成的无线链路备份部分的前端和后端，分别安装在车辆或机车两端车钩部位的正下方的车体上，且都保证红外通讯(IrDA)设备构建而成的无线链路备份设备的前端和后端在每节车辆或机车上相对于地面轨道两根平行钢轨的水平方向及垂直方向上的一致。
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