列车运行数据无线传输系统的研究与设计.pdf

1、 TP31 公开UDC 硕士学位论文论文题目： 列车运行数据无线传输系统 的研究与设计 研究生姓名： 赵冬霞 学号： 0 211403 学校指导教师姓名： 车军、 郭勇 职称：高级工程师申请学位等级：论文提交日期：工学硕士专业：检测技术与自动化装置论文答辩日期： 硕士学位论文列车运行数据无线传输系统的研究与设计Research and Design of The Train Operation Data Wireless Transmission System作者姓名：赵冬霞学科、专业：检测技术与自动化装置学号： 0211403指导教师：车军、郭勇完成日期： 2014-4-20兰州交通大学La

2、nzhou Jiaotong University 独创性声明学位论文版权使用授权书 摘要轨道列车在交通运输行业占据重要地位。因其经济与安全因素，列车成为人类远途出行的主要方式，在人类社会中发挥着重要地位。随着应用电子、微机控制等技术的发展，轨道交通行业也迎来了发展的高潮。在我国的铁路线上开始出现大量的动车组。高速动车组的使用大大提高了铁路的运营速度。然而，在列车速度的提高过程中，列车运营故障也偶有发生，这就给旅客造成了时间上与经济上的损失。为了及时发现列车故障，就需要将列车的运行数据及时的传输给地面的监控人员。 本文设计了列车运行数据无线传输系统，目的在于将列车上的主要数据通过无线方式传送到

3、地面，供地面监控人员进行列车数据的监测。通过此系统，地面监控人员能方便的获知列车的主要状态，这些信息主要包括牵引制动工况，车门开关状态，空调工作情况，轴温等，从而及时的发现列车故障。 本文首先介绍了国内外列车无线传输系统的发展现状，然后简单的分析了其技术原理。通过技术手段的反复对比，阐述了设计本系统的理论依据。本文理论依据主要有列车网络控制实时协议、网络传输 TCP/IP 协议、无线传输 GPRS 网络。对这三部分的分析主要包括：实时协议对列车 TCN体系通信机制的规范，TCP/IP协议的四层模型及报文组成，GPRS组网方式。同时在此部分中对列车上的基本数据进行了简单的分类。 随后对本系统的总

4、体设计进行了介绍，包括系统的组成，设计原理，功能框图。接下来，对系统的硬件设计进行了详细阐述，包括 MVB网卡的数据传送机制、硬件架构、软件架构，中央处理器单元 PC104主板的功能原理，GPRS模块电路设计。GPRS模块电路设计包括：电源部分、串口电路部分、SIM卡电路部分、音频电路部分。本文给出了设计的电路图,然后对每一部分的实现功能和设计原理做了相应的说明。 对于系统的软件部分的设计比较详细。在这一部分中，介绍了本系统所用的软件平台 VC+6.0和 Labview以及基于 OPC服务器/OPC客户程序的通信模式。对各个功能模块所要实现的功能和编程原理都进行了详细研究。对于 OPC服务器而

5、言，设计了 MVB网卡初始化动态链接库程序、OPC 服务器对象、OPC 组对象、OPC 项对象、与客户程序的异步通信和地址空间管理。对 OPC客户程序而言，详细设计了 MVB总线数据处理单元、GPRS数据发送单元、GPRS数据接收单元、数据库管理单元等。最后，对系统的优缺点进行了总结，对进一步的研究工作进行了展望。 关键词：运行数据；无线传输；MVB；OPC；GPRS 论文类型：应用研究 Abstract Railway train has played an important role in the transportation industry. Train has become the

6、 dominant form of humans long travel and played an important role in human society because of its economic and safety factors. With the development of technology, such as electronic and computer control technology, rail transit industry has a high tide development. The railway line began to appear a

7、 large number of CRH trains. The use of high-speed CRH train has greatly increased the railway operation speed in China. However, the train operation failure occurs sporadically in the process of trains speed improvement, which will cause time and economic loss for passenger. In order to discover th

8、e vehicle fault in time, we need to bring trains operated data to the ground monitoring center and display in time for supervisory personnel. This paper designed the running data wireless transmission system of train, aimed to transfer the main data of train to the ground by wireless, so ground moni

9、toring personnel can monitor trains running data. Through this system, the ground monitoring personnel can learn the main state of the train, including the traction braking condition, doors switch state, the air conditioning working state, the temperature of axles, etc., so as to find the train of f

10、ailure in time. Firstly, this paper introduced the current development of wireless transmission system at inland and outland, and then simply analyzed their technique principle. Through repeated comparison means of technical, this paper expounded the design of this system. In this paper, the basic t

11、heories mainly included train network control real-time protocol, TCP/IP network transmission protocol, and wireless transmission of GPRS network technology. The analyses mainly included three parts: the specification of real-time protocol on TCN train communication mechanism, the TCP/IP four layers

12、 model and message header and GPRS network mode. At the same time, this paper simply classified the basic data of train in this section. Secondly, this paper introduced the overall design of this system, including the components of the system, design principle and the functional block diagram. Then

13、a detailed state to the system hardware design was made, including the data transmission mechanism of MVB network card, its hardware architecture and software architecture, the function of the central processor unit PC104 motherboard principle and GPRS module circuit design. GPRS module circuit desi

14、gn includes: power supply, a serial interface circuit, a SIM card circuit and audio circuit part. This paper presented the design of circuit diagram, then stated the corresponding instructions on the function and design principle of each part. The design for the software part of the system is more d

15、etailed. In this section, the paper introduced the software platform of VC+6.0, Labview and communication mode based on OPC server/OPC client. Each function modules functions and programming principle are researched in detail. For the OPC server, it designed the MVB network cards initialized and dyn

16、amic link library program, OPC Server object, OPC Group object, OPC Item object and asynchronous communication with client and address space management. For OPC client program, it designed the MVB bus data processing unit, GPRS data sending unit, GPRS data receiving unit and database management unit

17、, etc. Finally, it summarized the advantages and disadvantages of the system and prospected the further research work. Key Words：The run data；Wireless transmission；MVB；OPC；GPRS 目 录 摘 要 . IAbstract . II论文选题背景及意义 . 11 绪论 . 1本文的主要研究内容 . 21.2国内外研究及应用现状 . 11.11.3列车运行数据 . 42 运行数据及传输协议分析 . 42.2列车网络控制实时协议 .

18、 42.12.3 TCP/IP协议选用原理 . 52.4 GPRS技术选用原理 . 82.4.1 GPRS网络组成 . 92.4.2 GPRS特点 . 10系统组成 . 113 系统的总体设计 . 11系统设计原理 . 113.13.3系统功能框图 . 123.2网卡结构介绍 . 134 系统硬件设计 . 13硬件结构 . 144.1 MVB4.1.2 软件结构 . 144.1.1 通信模块设计 . 154.2 PC104平台概述 . 154.4 供电电源设计 . 194.3 GPRS软件平台介绍 . 215 系统软件设计 . 215.1.1 VC+6.0中 ATL组件开发 COM组件程序 .

19、 215.1 的组成 . 215.2 OPC服务器程序 . 215.1.2 VI5.2.1 MVB总线介绍 . 21 5.2.2 MVB总线上传输的列车数据 . 23服务器程序中 server对象的实现 . 275.2.3 MVB网卡驱动程序 . 24服务器程序中 Item对象的实现 . 365.2.5 OPC服务器程序中 Group对象的实现 . 335.2.4 OPC5.2.7 OPC服务器与客户程序通信的实现 . 365.2.6 OPC5.2.8 OPC服务器地址空间浏览 . 385.3 OPC客户端程序 . 395.3.1 数据发送端 . 395.3.2 GPRS动态 IP解决方法 .

20、 46数据接收端 . 47结论与展望 . 575.3.3 致谢 . 58参考文献 . 59攻读学位期间的研究成果 . 61 1 绪论 1.1论文选题背景及意义随着铁路事业的不断发展，各种车载无线监控装置也层出不穷，先后出现的车载无线传输装置有 GSM-99、LKJ-93、LKJ2000等，它们所传输的列车运行数据是列车故障分析、行车安全、运营跟踪、查询预警的主要依据。高速动车组的发展使我国铁路运营速度有了里程碑式的发展，节省了旅客的时间，在当今社会，时间就是金钱，从某种意义上说，高速动车组为我国带来了巨大的速度经济效益。然而高速度必然伴随着高危险性，对于高速动车组而言，如何保证行车安全变的尤为

21、重要。高速动车组的列车网络控制系统复杂，车载设备繁多，一列动车组有几万根接线，一个接头的不良工作都会使列车出现故障。针对此种情况，高速动车组运行数据的无线传输需要更加快速便捷的方式。列车运行数据无线数据传输系统的设计旨在对列车的运行数据进行采集、存储、处理、管理和查询。从而对运行的列车进行跟踪调查，及时对异常情况做出必要措施，为售后人员维护列车、设计人员完善列车设计、生产调试人员及时调整工作内容、提供了数据依据。由于当前国内使用的列车运行数据无线传输系统主要来自国外供应商和专业机构，作为整车制造企业一般只能被动安装客户端，不能根据自己的意愿灵活配置和掌控整个系统，在列车控制系统的设计和优化过程

22、中会受到很大的约束，数据传送保密性和安全性也受到极大的限制，在应用成本上也处于不利的地位，因此企业拥有自己的无线数据传输系统技术，在新产品开发、经济效益和实际应用中都有极其重要的价值。1.2国内外研究及应用现状为解决机车运行数据监测无线传输问题，国内很多机构展开了相关的研究。 1999年，GSM-99型列车无线数据传输系统通过技术鉴定，这一系统由北京天佑公司与济南铁路局联合开发，依托于 GSM 网络，由车载和地面系统及相应软件系统构成，它能记录输出口信息，在不对监控装置进行改造和影响其正常运行前提下，转储监控数据，发出对车载装置的控制指令，地面人员能通过简单的操作利用计算机从车上调回记录数据，

23、另外实现了车地双向语音通话功能。株洲电力研究所研制了 LKJ-93 型列车运行监控装置。这种装置由车载装置、便携式数据转储器、地面微机系统组成。车载装置包括一个主机、两个显示器，即由一个 8097BH单片机系统和四个 80C31单片机系统组成。监控主机箱内有七块插件，即信号调整插件、绝缘节检测插件、电源插件、记录插件、 监控插件、数字量输入插件、数字量输出插件。LKJ-93 能把列车运行过程中采集到的数据实时可靠的记录下来 。随后出现的 LKJ2000型列车运行监控装置将列车行车命令通过轨道传送给机车，将地面线路数据存储在主机中。它采用双机热备冗余工作方式、1工作性能更加可靠；装置的屏幕显示器

24、以图形、曲线、文字等方式来显示前方线路状况、运行情况等信息 。它的速度信息来自光电式速度传感器，机车信号信息来自通用的机车信号，压力监测除了检测列车管压力外，还检测机车制动缸的压力及均衡风缸压力，2当机车运行时，显示器窗口的机车图标静止不动，各信号机、道岔及限速曲线等逐渐向机车图标方向运行，并伴随界面及相应窗口的显示变化。TSC1 型机车运行监测数据无线传输装置利用车载检测信息对机车运行的安全及质量情况进行预警和预控，地面人员从而获取机车的运行检测信息，远程向司机提供故障处理技术支持。另外，上海铁路局联合铁道科学院在沪宁线上也建立了机车车载信息无线传输系统。我国的关于高速动车组远程数据传输系统

25、的设计主要来自中国铁道科学研究院，为满足对动车组动态跟踪监控，需要将运行的列车信息发送到地面上来。铁科院的这个系统将传输的信息分为三种类型，即位置、状态和故障。位置信息通过 GPS卫星进行定位获得；状态主要指影响列车安全的主要信息，包括牵引、速度、轴温等安全相关信息等；故障指列车处于非正常运行的事件信息及相应的环境信息，用于故障分析及车辆检修 。将这些信息的主要部分通过 GPRS发送到网络中，在地面设计接收端，接收数据，用户可以通过网页查看动车组全程运行的位置及回放，也可以直观的图形3方式查看各类数据的曲线图，包括速度、网压、网流、牵引变压器、变流器、电机等主要部件温度的等变化曲线。就国外而言

26、，1987年，列车控制系统 CARAT(Computer And Radio Train Control System)由日本铁道综合技术研究所研发成功，在系统中运用了无线和计算机技术 。基本结构为车载系统，无线通道，地面系统，传输的信息为车辆位置信息，轨道信息，4包括道岔和沿线道口。德国西门子以 GSM-R 为依托，成功的试验出一套列车无线传输方案。GSM-R 为铁路专用网络，主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能。西门子的无线传输系统能高精度的确定列车的位置，将车载信息传输到地面，3个无线闭塞中心(RBC)与 1000台固定应答器构成了该系统

27、，系统的数据传输速率为 40kbps，报文传输时间为 500ms，系统容量为 2000辆列车 。1.3本文的主要研5究内容以国内的 CRH3型动车组为主要设计依据，设计完成列车运行数据无线传输装置， 主要包括两部分，车载部分和地面部分。应具有的功能为：(1) MVB总线数据的采集，包括车次、时间、速度、运行状态、牵引、制动、车门、空调等列车的主要状态信息；3地面接收经由 GPRS 发送的列车数据，监控人员可及时了解列车运营状况，及(2) 采集到的数据以一定的格式通过 GPRS发送到以太网中；时发现故障。(3) 为了实现列车无线数据传输系统的上述功能，研究过程中需要做到以下工作：(1) 研究列车

28、网络控制协议，以实现 MVB总线数据的最佳处理；(2) 与以往的无线数据传输装置进行对比，对本系统进行总体设计；靠，便携小巧，软件方面进行程序的设计，使程序精简高效，可移植性强。(3) 进行硬件设计和软件设计，硬件方面，挑选合理的设备，使设计的装置性能可在无线传输方案中，经过收集资料，反复比较，确定采用 GPRS无线传输方式，针对此方式进行了 TCP/IP协议的分析，对 MVB网卡的组成进行了深入的研究，掌握了使用方法。对软件编程部分进行了细致的讲解。对比于已经存在的车载无线传输方式，本系统在设计上更加简单，在实现手段上更加实用，在硬件上利用了 PC104主板作为中央处理器，处理速度快且避免了

29、冗余的硬件设计；在软件实现上引入了 COM 组件化编程概念，采用 OPC 服务器/客户端的编程方式。编写的 OPC 服务器程序实现了 MVB 网卡对 MVB 总线数据的采集和处理，由于MVB网卡驱动程序以动态连接库的形式加载到 OPC服务器程序中，对于不同厂商提供的 MVB 网卡进行驱动只需修改少量的代码，因此，对于 MVB 设备的数据采集，OPC具有良好的兼容性。在 GPRS无线传输数据时，也就是 OPC客户端程序，采用 Labview进行编写，其本身对 TCP/IP 协议的良好封装性，使的 GPRS 传输更加简洁，加之对数据库的良好支持，使在地面 PC机上的数据的存储和查询操作更加方便。

30、2 运行数据及传输协议分析 2.1列车运行数据通过列车通信网络传输的信息主要有以下六种：(1) 列车运行的控制命令。故障诊断所需的信息及结果。(2) 运行中的各车厢（包括有动力装置的动车和无动力装置的拖车）的状态信息。(4) 显示单元所要显示和提示的各种信息。(3) 其他与列车运行、安全及服务有关的需要在列车内互相传递的信息。(5) 通信网的管理信息。2.2 (6) 列车网络控制实时协议列车 TCN体系由列车总线和车辆总线两层构成，在列车通信协议中，实时协议(RTP)为 TCN 体系中的所有设备在 MVB、WTB 总线上的通信提供了标准。提供了车辆内或车辆间之间的通信，实时协议的作用如图 2.

31、1 所示。其中本文所用到的 MVB 网卡处理的数据主要为周期性的、源寻址广播的过程数据和非周期性的、无连接传送的消息数据，这在实时协议中有相应规范 。6 RTP提供的应用通信服务主要由两部分组成，分别为变量传送和消息传送，体系结构如图 2.2所示。在 TCN通信的过程中需传送两种数据类型，既具有确定传输延时的短数据和可能较长但不频繁的数据项。在图中，变量传送经过链路层接口 LPI，应用层接口(AVI)进行传送。消息传送路径为：消息数据的链路层接口(LMI)，用于路由网络中数据包的网络层路由，提供流量控制与差错恢复的传送层，配对呼叫消息和应答消息的会话层，消息传送的应用层接口(AMI)。2.3

32、TCP/IP协议选用原理本文中采用的无线传输机制是基于网络的，本系统中无线传输软件编程部分涉及到了网络协议的选择，对于传输层而言，TCP 和 UDP是两个主要协议，为应用层提供服务，TCP为面向连接的可靠的通信服务，计算机之间经过握手进行一对一的连接，在传输过程中能恢复丢失的数据，UDP为一对多或者一对一的数据传输，在通信之前不需要建立连接，数据以广播形式发送，不保证对方能接收到所发送的数据，对于丢失的数据并不进行恢复，UDP 的优点在于传输机制相对于 TCP 简单，也不使用拥塞机制，但对于本系统来说，若列车数据以广播形式进行发送，不利于数据的保密，会对铁路调度部门和列车生产厂家产生不良影响，

33、同时本系统也要求数据发送的准确性与可靠性，所以在本系统的数据无线传输机制中选择了 TCP模式 。7解 TCP/IP协议，所以在此先介绍一下网络参考模型 OSI，即开放式系统互联，是国际TCP/IP协议是在 OSI 网络参考模型的基础上定义的，通过 OSI 模型，能更好的了 标准化组织(ISO)为了实现计算机网络的标准化而颁布的参考模型。OSI模型具有七层结构，如图 2.3所示。七层功能描述如表 2.1所示 。8型，IPv6和 IPv4，其中 IPv6中 IP地址为 128位，IPv4为 32位，在网络中，每台计算TCP为传输控制协议，IP为网络协议，当前主要应用的 TCP/IP协议主要有两种类

34、机都有一个 IP地址。TCP/IP协议有四层结构，与 OSI模型的对比如表 2.2所示。2.2 TCP/IPOSITCP/IPTelnetOSI(FTPSNTP)(TCPUDP)(ICMPIPARP)际协议），从表中可以看出，TCP/IP是一个协议簇。TCP/IP协议中包含了多种协议，其中主要协议为 TCP（传输控制协议）和 IP（网TCP（传输控制协议）是可靠的数据传输通信协议，工作在传输层，发送的数据由应用层传输到传输层，加上 TCP首部，就构成了报文。报文又成为了网络层 IP的数据，加上 IP首部，就构成了 IP数据报。TCP首部的 C语言描述如下所示：Typedef struct He

35、adTCP 位目的端口WORD SourcePort; /16位源端口号序号位WORD DePort; /16位确认序号DWORD SequenceNo; /32与 Flag为一个组成部分，首部长度，占 4位，保留 6位，6DWORD ConfirmNo; /32位标识，共 16位DWORD HeadLen; /BYTE Flag; / 位校验和WORD WndSize; /16位窗口大小位紧急指针WORD CheckSum; /16WORD UrgPtr; /16HEADTCP; IP（网际协议）工作在网络层，提供无链接数据报传输，IP协议的 C语言数据描述如下所示：type struct

36、HeadIP unsigned char headerlen:4; /首部长度，占 4位服务类型，占 8位，即 1个字节/版本，占 4位总长度，占 16位unsigned char version:4; unsigned char servertype; /unsigned short id; /与 idoff构成标识，共 16位unsigned short totallen; /unsigned short idoff; unsigned char proto；unsigned char ttl; /生存时间，占 8位unsigned short checksum; /首部检验和，占 16位

37、unsigned int sourceIP; /源 IP地址，占 32位unsigned int destlIP; /目的 IP地址，占 32位2.4 GPRS技术选用原理GPRS业务是移动运营商提供的一种移动数据业务。当前的移动电话只要在能搜索到无线信号的范围内都可以通过GPRS上网。GPRS为用户提供速度适中的传输，占用GSM网络中的TDMA信道，在Release97之后，GPRS被集成进GSM标准，起先它是由ETSI标准化的，但是当前已经移交3GPP负责 。9标准，又称泛欧数字蜂窝移动通信系统，是世界上应用最为广泛的第二代移动通信系统，GSM无线通信业务是由欧洲电信标准化协会(ETSI)

38、制定的泛欧数字移动电话系统也是迄今为止最为成功的全球性移动通信系统，GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署“漫游协定”后用户的国际漫游变得很平常，因此全球有超过 200个国家和地区超过 10亿人正在使用 GSM电话。从用户观点出发，GSM的主要优势在于用户可以从更高的数字语音质量和低费用的短信之间作出选择。网络运营商的优势是他们可以根据不同的客户定制他们的设备配置，因为 GSM 作为开放标准提供了更容易的互操作性。GSM技术属于 2G技术，在速度上不如 GPRS，短信发送有字符限制且只能做单向传输 。10GSM-R无线传输网络为铁路运营专用网络，利用铁轨和沿铁轨建设的天线构成信 号覆

39、盖链，从而进行信号传输。它由 GSM 网络发展而来，与 GSM 网络的约定规范基本相同。GSM-R 速度传输快，具有组呼和广播功能，为了适应铁路通信，设置了高优先级。GSM-R 网络可以用于列车无线调度，列车控制等，但由于其覆盖范围有限，使得用户在非铁路沿线外不能使用，其应用具有地域局限性，而 GPRS网络，只要在能搜到移动信号地方就能进行数据传输，相比之下，GPRS的应用更加便利 。112.4.1 GPRS网络组成 GPRS 与 GSM具有相同的频段、另外其频带宽带、跳频规则、突发结构、无线调制标准、TDMA帧结构也是相同的。因此，可以在原有的 GSM系统的基础上构建 GPRS系统，其硬件并

40、不需要太大的改动，需要增加的主要部件为： GPRS 服务支持节点(SGSN)、GPRS网关支持结点(GGSN)，其改变后的 GPRS系统如图 2.4所示 。网络结构中增加的主要设备：12(1) SGSN：相当于 GSM系统中的 MSC/VLR，分辨和管理移动终端，连接移动台和GPRSGGSN，移动终端分组数据通过 BSS传输过来，经过 SGSN进行协议转换，由 GPRS骨干网进行传送。SGSN能与不同的 GPRS网络进行互联且具有计费功能。 (2) GGSN：主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如 ISDN、PSPDN和 LAN等。GGSN可以把 GSM网中的 GPRS分组数据包

41、进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的 TCP/IP或 X.25网络。GGSN接收移动终端发送的数据，将其转发到外部网络，或者接收外部网络的数据，通过隧道技术传送给相应的 SGSN。2.4.2 GPRS特点 (1) GPRS采用分组交换技术，对网络资源和无线资源充分利用，能高效传输数据和指令。(2) GPRS数据传输速率为 9.05-171.2kbit/S，支持中、高速率数据传输。每个帧可分配 1到 8个无线接口间隙并定义了新的 GPRS无线信道。(4) GPRS适应性强，能在 0.5-1秒内恢复数据的重新传输。(3) GPRS基于 GPRS 技术的设计特点，不同的应用平台都能或多或少的应用到 GPRS。如Internt浏览业务，各种类型的信息查询，E-mail业务，电话会议，信用卡确认，电子商务，远程监测，定位业务，车辆调度，点对多点单向广播业务和集团内部点对多点双向小数据量事物处理