基于光纤的铁路通信自动监测系统设计

邵玉华

（吉林铁道职业技术学院，吉林 132001）

0 引言

当前我国在铁路通信自动监测方面的技术水平不高[1]，这与我们这个人口超级大国铁路作为主要交通工具的通信及安全需求极不相称。随着我国动车组的不断加入，列车的运行速度也越来越快，目前我国铁路列车运行时速最高已达380km/h，这么高的运行速度带来的必然是高安全性要求，尤其是作为铁路命令传达的通信系统的安全性备受关注，特别是作为通信支撑的主干光纤的可靠性。如果铁路的主干光纤出现问题，则整个铁路通信系统必将陷入瘫痪。这就要求铁路通信监控部门能够及时了解到整个铁路通信的实时状态，及时发现潜在的问题并及时消除。本文就是在这个背景下对目前的铁路通信系统的薄弱环节进行了探讨，重点设计了针对这些环节的通信自动监测系统。

1 自动监测系统的方案设计

铁路的通信系统可以看成两部分：作为节点的列车和车站调度部分与将各个节点进行串联的光纤部分。要设计铁路自动监测系统必须考虑到这两方面的因素，因此本监测系统的方案设计主要包括两个部分，其一是作为通信载体的光纤自动监测系统，其二是光纤通信管理的自动监测。

1.1 铁路光纤系统自动监测方案

光纤系统的自动监测部分的设计是以监测主干网络的光纤状态为主，光纤部分的监测端口主要分为两部分，分别是监测站和接收站。监测站为发出测试光纤安全性的测试光信号的站点，接收站为测试信号通过需要被测试的光纤后被接收处理的站点。在测试中还有阻止光纤测试信号前行的站点，叫做端站。在整个自动监测系统中我们设计了管理站点，这个站点的设立能够对各个监测站及接收站进行实时数据采集，同时控制监测站的信号输出频率和信号类型。在整个铁路的沿线上分布着一系列通信站，在我们所设计的光纤自动监测系统中将监测站直接设置在这些通信站中。我们所采用的监测站在有效监测距离上要求大于10千米，能够同时对光纤的上行通信数据和下行通信数据进行监测。在监测站的测试光信号发出端设置了光分波合波装置，而在接收站部分设置了光滤波器。监测距离的计算公式如下面的式（1）所示[2]。

式中，L为整个铁路通信系统光纤自动测试部分能够监测的光纤的有效长度；P为光纤监测站和系统控制部分的有效指标；Ac为介入损耗，指的是光纤监测控制单元、光路切换，光耦合单元等介入损耗的总和；Mc为光纤监测及控制部分测试设备的动态范围的富余度；A为测试指标与实际测试状态的动态范围的差值；As为光纤平均衰减系数； 为光熔接接头平均衰减系数。本公式计算长度为理想距离，考虑到实际情况中的各种损耗因素，该距离在计算完成后需要预留4 8Km的余量。

本光纤自动监测系统的软件设计将与后面设计的节点监测系统的软件设计集成到一起，因此在本小节中仅对其硬件设计进行相关探讨。我们设计的硬件模块主要包括光开关控制模块、智能控制模块、组网通信模块、电源模块、管理测试模块及光耦合模块等。其中切换光路的任务由光开关模块来完成，智能控制模块的作用是与光开关模块进行连接，其能够提供标准的监测接口。管理测试模块主要包括管理主机、打印机、中心组网通信模块等部分。光耦合单元的作用是使测试光波跨过通信站继续监测下一段光纤,或使测试光波到达某通信站即停止不再前行。跨接站在光纤监测系统中是使测试光波跨过通信基站继续监测下一段光纤[3]。当发现目前的某光纤出现通信阻塞或者其流量突然不正常，如出现流量大增，数据规模急剧升高等现象时，该监测系统能够立即发出告警信息，当这种光纤通信网络受到突然的破坏而控制人员无法及时作出判断时，本自动监测系统能够与自动控制系统直接取得联系，将被破坏部分的光纤通信转到临近的光纤网络中进行传输。

本光纤通信测试部分的测试分为定时测试、连续测试和立即测试三种模式。由于铁路运行的时间延续性特点存在，即每时每刻都有列车在铁路上运行，这就要求我们的监测系统具有较好的实时性。本自动监测系统以数据库为核心，在图形界面方面以 Windows NT为主控制界面。系统的用户图形终端采用Windows NT平台，这样就能保证一致性强、易于操作和管理。由于列车具有规定路线行驶的特点，因此一次做成的地图可以有效的对行驶在铁路上的列车实施监控。本系统的监测分为三级，其中一级部分只有一个，两级部分有若干个，三级部分是监测站，具有成千上万个。本系统的监测功能以实现铁路局级通信监测维护为主要目标，设有远程访问端口，能够实现远程访问与控制。系统可以提供告警和作业流程管理工具，能够实现可靠的系统访问安全控制，同时还可以提供线路维护、地理信息、统计报告等详细的报表。

1.2 铁路通信自动监测系统节点部分设计

本系统设计之初确定了系统的设计目的为铁路调度、列车行车及整个铁路通信监测系统服务。设计的原则主要包括高可靠性、可实时扩展、性能稳定、具有升级接口、操作简单、维护方便等。本部分为通信监测系统中的管理系统，该部分对于光纤通信中的自动监测的信息进行管理与调度，完成其监测的最终目的。本节点部分的设计在模块上主要包括通信接口部分、计算机处理部分以及人机界面部分，下面分别对这几部分进行相关探讨。

通信接口的设计在自动监测系统的设计中占有很大的比例，其主要作用是连接系统的各个模块，使各个模块能够合理地进行功能分配。节点部分作为通信方面的主体和系统控制方面的分系统，其主要功能有状态的实时显示、通信的有效完成、人机对话、系统性能参数的测试与控制、后台数据库链接与支持等。要同时完成这些功能，控制核心必须具备较强的多任务处理能力，在这里我们采用多线程动态控制策略。因为在系统运行期间需要将所有的进程进行在线等待，一旦某方面需要能够及时进行处理，这样就会造成多进程争抢CPU和系统内存的状况，因此我们针对这一要求，采用动态监测和实时分配的策略，当某个进程仅仅处于挂起状态而不是有效状态时就将其所占用的资源自动分配给其他正在进行信息处理的进程，对该挂起进程仅仅在间隔一定的时间后重复进行查询，看是否有任务需要其处理，如果有则重新为其分配资源。这样就可以最大限度的利用CPU的处理能力[4]。

1.3 铁路光纤通信自动监测系统软件设计

本部分的软件设计主要包括作为载体-光纤自动监测的软件设计和作为节点的列车控制室和车站调度室的综合管理部分软件设计。在我们的软件的设计平台中采用的是VC++语言，其具体的主程序流程图如图1所示。

从图中可以看出，本系统的软件流程具有一定的反馈功能，首先是程序进行初始化，然后各个监测模块开始运转对系统状况进行实时监测，并将监测的数据通过光纤同时传到近处的控制节点和远处的总控制系统，如果显示一切正常，则系统不断地进行状况数据采集与实时显示，若系统中光纤传输部分或节点通信部分出现问题，则及时启动问题处理模块，这个模块的启动分两种情况，一种是有人控制的较严重问题的处理，另一种是实时的处理，如某光纤的信息传输负荷太高，则系统自动将某些信息转移到别的光纤路径进行传输，如果一切恢复正常则系统继续以在线监测和实时显示为主。

图1 主程序流程图

2 铁路通信自动监测系统的仿真实验及分析

在进行完简单的软硬件设计后，我们对其进行了仿真实验，以此来验证系统的有效性。光纤沿铁路铺设，其径路比较明确，由于铁路有准确的里程和明显的里程标，因此对埋设其旁的光纤来说这些设备是天然的坐标轴，能够为定位光纤起到很好的参照作用[5]。我们的系统在测试的过程中并不将这些定位系统加入，而仅仅将这些坐标作为验证我们的系统有效性的依据。

在仿真过程中将系统接入到整个光纤网络中，测试人员通过节点远程显示系统来掌握整个光纤通信监测网络的状态，并根据系统中的严重破坏或网络阻塞状况对系统进行硬件修复或信号转发。我们进行了三组测试，测试的具体设置为：采用五根100m到500m不等的光纤网络连接五个代表列车控制室和车站调度室的节点，在其中某一节点上设置我们所设计的自动监测系统，通过人为的破坏模拟正常情况下的光纤、节点通信问题。以显示设备上的显示结果为依据，使其与实际的操作进行比较。

通过一系列测试，我们得到了相关的测试数据。进行的三次测试中两次为光纤本体的破坏，一次为节点的破坏，通过拟合平均，我们得到的自动监测数据与实际的距离破坏误差为1.2%。

通过分析可知影响测试误差的原因有四个：1）光纤长度与光纤皮长不同。由于光纤制造长度有限，因此在一个增益段内需要接续，而每一个接头需将两端的光纤外护套开剥1m，这样光纤就会比光纤皮长多2m。如果接头多则累计的偏差会更大。考虑到光纤在敷设工程中承受拉力和侧压力应尽量小，生产厂家往往将光纤内的松套光纤及骨架型光纤做成层绞型。这种结构会使得100 km的光纤线路中光纤比皮长约长200m；2）直埋光纤的长度与地面长度存在误差。直埋光纤在坡度大于20°、坡高大于30m的山坡上会采用“S”形敷设，再加上光纤的自然弯曲、特殊地段的盘留和光纤接头坑内的预留等，会造成地面长度与直埋光纤的实际皮长存在着较大偏差；3）架空光纤与杆路长度之间存在着偏差。光纤杆路基本上是50m一档的杆档长度，再加上光纤在每根电杆上预留20～30cm以及架空光纤本身自重引起的垂度长度、光纤接头两边电杆上预留的10～12m部分，每一杆档的光纤长度平均要比杆路一档长度多0.8m左右；4）单向测量误差。光纤的模场直径影响后向散射时会遮蔽接头的真实损耗。如果单向测量，则会因具有失配模场直径的光纤引起的误差可能比内在接头损耗自身大得多。所以要想提高监测精度必须在监测的设计中将这些现实问题考虑进去，比如设计成双向监测或网络化监测模式，通过多终端监测的方式来消减这些因素对于监测精度的影响。

3 结论

铁路系统的通信问题对于铁路的安全运行具有至关重要的作用，目前的铁路通信以光纤作为传输介质。通过一根根光纤将各个车站控制室及列车联系在一起，目前的列车通信以无线通信为主，但这种无线通信是以附近的以光纤为基础的基站为基点，因此也可以看成是光纤将列车控制室与车站调度室进行了连接。因此光纤及各个节点的实时状态的监测问题就成了近年来研究的热点，本文在这个背景下对铁路通信监测系统进行了设计与模拟仿真，从仿真结果上看本系统在自动监测的可靠性上还是比较高的，平均达到1.2%的误差率。由于成本等因素，本文所设计的系统并没有进行更多的测试，因此在下一步的研究中，这将成为研究的重点内容。

[1] 陈玲, 李毓才, 刑智明. 铁路移动信息传输安全平台的设计与实现[J]. 中国铁道科学, 2007, 28(3): 126-129.

[2] 李毅力, 李辉, 蒋志勇. 提高移动信道可靠性的编码方法和数据通信协议[J]. 中国铁道科学, 1998, 19(3): 82-93.

[3] Wonfor A. Yu S.Penty R Novel Constant Output Power Control of a Se. miconductor Optical Amplifier Based Switch[A]. CI EO.Laser and Electoro-Optics Technical Digest[C]. USA:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2001: 43-44.

[4] 郑玉甫, 肖强, 张春玲, 安小景, 肖莎. SOA实现光纤通信链路的自动交换设计[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(3):126-129.

[5] 徐田华, 唐涛. 列车控制系统中数据通信子系统的帧丢失概率[J]. 中国铁道科学, 2008, 29(3): 110-114.