车载通信设备GPS数据应用研究

2011-12-31李晓峰俞健

铁路技术创新 2011年2期

■ 李晓峰俞健

1 概述

随着我国铁路GSM-R网络建设的不断推进，网络覆盖的范围越来越广，新建铁路基本覆盖了GSM-R网络，既有铁路GSM-R网络覆盖的改造正在有序实施。我国铁路装备现代化水平也在同步提高，机车综合无线通信设备（CIR）正逐步成为新一代列车无线调度通信的主要车载装备。目前我国铁路所有动车组和新造大功率机车都安装了标准型CIR，既有机车的改造也将使用小型CIR代替传统无线列调机车电台。

在GSM-R网络中融入GPRS网络，是我国铁路GSM-R网络的技术特点，为铁路信息化数据传输提供了重要的网络平台。作为新一代列车无线调度通信车载装备，CIR由主控制单元、GSM-R话音单元、GSM-R数据单元、卫星定位单元（目前采用GPS定位）、记录单元、450 M Hz机车电台单元、电源单元和接口单元等组成，既能满足我国新建铁路GSM-R数字移动通信网络话音调度通信和数据传输通信的应用需求，又兼容了传统模拟制式450 MHz无线列调话音通信和数据传输通信的应用要求。

在我国，列车运行在GSM-R网络覆盖区段时，使用GSM-R进行调度通信；运行在没有GSM-R网络覆盖区段时，继续采用传统450 M Hz频段模拟制式进行调度通信。如果列车需跨区段运行，则通过CIR的GPS定位单元内部设定数据信息，根据列车运行的位置，自动实现CIR在450 MHz通信模式和GSM-R通信模式之间切换。

目前，GPS定位单元所采用的这种技术方案基本满足CIR调度通信应用的要求，但通过一段时间的应用也发现了一些问题。

2 GPS单元使用现状及存在问题

根据铁道部有关技术条件要求，目前CIR使用的GPS单元内部设计了一个板载数据库，用于存储各运行线路的数据，实际应用中主要解决以下问题。

（1）在450 M Hz通信区段，根据GPS定位信息确定的列车实际运行位置，向CIR主控制单元输出当前的线路和区段名称、线路代码、通信制式和通信频率等。根据数据库中预先设定的切换点位置，实现不同通信制式和工作频点的自动切换。

（2）在GSM-R通信区段，根据GPS定位信息确定的列车实际运行位置，向CIR主控制单元输出当前的线路和区段名称、线路代码，前方车站、本地车站、后方车站的名称和车站值班台的ISDN号码，当前调度区段调度台的ISDN号码等。

（3）在450 M Hz与GSM-R切换区段，根据数据库中预先设定的切换点位置，通过列车的GPS定位信息实现450 MHz和GSM-R通信模式的自动切换。

（4）在多条运行线路并行且距离较近，GPS定位信息无法区分时，或在GSM-R区段多条运行线路共用GSM-R基站小区时，根据数据库中预先设定区域向CIR主控单元、操作显示终端（M M I）等输出运行线路列表信息，供司机选择当前的运行线路。

（5）为CIR系统提供标准时钟信息。

自CIR开通应用以来，经过不断修改和完善，基本满足当前实际应用的要求，同时也存在一些问题。

（1）线路数据库保存在CIR的GPS单元存储器中，而CIR设备又安装在列车上，随着新建线路的增加和既有线路的改造，需要不断更新和维护GPS单元的线路数据库，对分散在各列车上的线路数据库逐台进行更新工作量很大。

（2）同一铁路局内，机车隶属不同机务段、动车隶属不同动车段，即使增加或修改支线数据、走行线数据等，都要修改GPS单元线路数据库，频繁更改造成现场不同列车上的线路数据库版本不统一，对各GPS单元中所含线路数据也不易掌握，运用管理比较困难。

（3）不同厂家CIR设备的GPS单元，线路数据库结构不统一，更新维护方法也不一致，现场数据库的编辑维护很不方便，升级管理困难。

（4）列车运行交路很多，列车回库时间很难掌握，各列车上GPS单元线路数据库更新不能同步完成，数据更新周期较长。

（5）列车运行交路不固定，列车调拨也比较频繁，CIR数据库的更新管理难以跟踪。

（6）如果列车需长交路跨区段运行，因运行线路（或区段）隶属不同铁路局，当线路数据出现修改时，不同铁路局的数据修改很难同步完成，容易对实际应用造成影响。

（7）数据库容量受限，定位精度也不够高，不便于以后的发展。

（8）数据库分散在各个列车上，无法做到资源共享，不利于未来铁路应用业务的发展。

为解决这些问题，厂家和用户进行了一些探索，如统一接口定义，规范GPS单元数据库升级方法等。但数据库分散、更新维护工作量大、数据库更新管理困难、更新周期长等根本问题依然存在。为解决这些问题，可考虑采用将GPS数据信息进行集中处理的技术方案。

3 GPS数据信息集中处理技术方案

3.1 技术原理

我国铁路数据信息网络的发展和完善为GPS数据信息集中处理提供了保障，线路数据库的集中存储、GPS数据信息的集中处理也为我国铁路数据信息网云计算技术的相关应用创造了条件。云计算是分布式处理、并行处理和网格计算的发展。云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，进而减少用户终端的处理负担，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力。我国铁路的数据信息网越来越完善，各种业务的应用服务器也越来越多。如果将铁路数据信息网看成一个“云”，列车上的车载CIR就是一个用户终端，网络中不同功能的数据处理服务器可通过通用分组无线服务业务（GPRS）网络为车载CIR用户提供多种应用服务。

根据我国的实际情况，按照铁道部GSM-R相关技术条件的规定，铁路行车调度信息、铁路设施维护管理信息、旅客服务信息，以及其他服务信息均可采用GPRS方式进行数据传输。目前使用GPRS进行数据传输的行车调度信息主要包括无线车次号校核信息和调度命令信息等，用于处理此类业务的是GPRS接口服务器（GRIS），每个铁路局根据线路情况设置1个或多个GRIS。

如果将GPS数据信息进行集中处理，可考虑在各铁路局地面数据网络中增设一台GPS信息应用服务器（GIS），用于集中处理各机车CIR所需列车行车调度通信信息。这种方案进一步弱化了CIR中GPS单元数据处理能力，GPS单元仅简单输出GPS的原始信息，将GPS单元中的数据库和数据处理能力移植到地面GIS服务器中。各车载CIR通过GPRS网络向GIS报告本列车的运行位置信息，GIS通过多线程并行计算分析将各列车所需的行车调度通信信息反馈给各车载CIR。

铁路局增设的GIS服务器应存储本局管内各条线路的GPS应用数据信息，其中至少应包含线路GPS信息、公里标信息、小区和位置区信息、线路名称、区段名称、线路代码、工作模式、车站一名称、车站一值班台电话号码、车站二名称、车站二值班台电话号码、车站三名称、车站三值班台电话号码、车站四名称、车站四值班台电话号码、当前行车调度台电话号码以及线路列表等信息。

如果列车长交路跨区段运行，目标GRIS和GIS的IP地址应根据列车运行位置进行更新，当前GRIS和GIS的IP地址分配和运行过程中目标GRIS和GIS的IP地址更新可以通过GPRS归属服务器（GROS）完成。增加GIS服务器后，地面GPRS网络结构见图1。

3.2 主要工作流程

（1）CIR开机，GSM-R数据单元获取IP地址后，向GROS申请当前GRIS的IP地址的同时申请当前GIS的IP地址，GROS返回当前GRIS的IP地址和GIS的IP地址。

（2）CIR获取到当前GIS的IP地址后，向GIS服务器报告列车当前位置信息。

图1 增加GIS后的GPRS网络结构示意图

（3）GIS服务器根据列车当前位置进行分析判断，如果存在需要选择的线路列表则向CIR反馈线路列表信息；CIR收到列表信息后，在MM I显示并语音提醒司机选择线；司机进行选线操作后，CIR向GIS报告当前的运行线路；GIS收到确定线路后，向CIR返回当前行车调度通信所需要的数据信息。如果司机未进行选线操作则，GIS每间隔一定时间（可根据实际应用要求确定）重发线路列表。

（4）GIS服务器根据列车当前的位置信息进行分析判断，如果不存在线路选择列表则直接向CIR返回当前行车调度通信需要的数据信息。

（5）列车运行过程中，每间隔一定时间（可根据实际应用要求确定）向GIS报告当前列车位置信息，GIS向CIR返回当前行车调度通信所需数据。

（6）当G IS发现列车位置超出本局管范围时，向GROS发送GIS目标IP地址更新请求，GROS向CIR返回目标GIS的IP地址。

（7）CIR收到更新后的GIS目标IP地址后，向新的IP地址报告列车位置信息。

3.3 主要优点

采用将GPS数据信息进行集中处理的技术方案有以下优点。

（1）各铁路局只需配置并验证好本局内的线路数据库，CIR设备可直接使用，与列车无关；

（2）任何线路数据的修改只在GIS服务器上进行，大大减少了工作量；

（3）单点修改效率很高，数据调整和验证速度快；

（4）线路数据存储在G IS服务器中，维护管理方便，安全可控；

（5）GPS单元仅输出原始数据，互换性好，维护成本低，维护方便；

（6）列车在跨区段长交路运行时，不需要考虑其他铁路局的线路数据是否有修改，GPS单元线路数据库是否需要升级，任何修改只在相关铁路局内部进行，不需通知设备厂家重新编辑修改线路数据库；

（7）GIS服务器的存储容量大，可存储更高精度的GPS数据信息，提高了定位精度；

（8）当GPS单元出现故障时，也可通过小区和位置区信息等提供粗略定位，弱化了故障；

（9）随着铁路应用业务的发展，地面G IS服务器也为铁路私有“云”中其他终端用户提供服务，通过不断发展和完善GIS的功能，可为将来新业务的发展提供条件；

（10）解决了在GSM-R区段CIR数据通信的活动性检测问题，为CIR的GSM-R数据单元可靠工作提供了条件。

3.4 主要问题和解决方案

采用将GPS数据信息进行集中处理的技术方案，需要注意解决以下问题。

（1）450 M Hz区段通信制式和工作频率的切换。在450 M Hz区段，通信制式和工作频率可通过手动方式选择。目前列车使用传统的模拟制式机车电台，基本都是通过手动方式选择工作频点，CIR在450 M Hz区段可继续沿用此方法。

（2）450 M Hz区段和GSM-R区段的自动切换。采用将GPS数据信息进行集中处理的技术方案后，CIR工作模式的自动切换将通过GIS的分析处理来控制。要求CIR即使工作在450 M Hz通信模式，如果进入GSM-R网络覆盖区，CIR的语音单元和数据单元应登录GSM-R网络，在获得当前GIS的IP地址后，也应该向GIS报告列车当前的位置信息，GIS根据数据库中设备定的切换点位置，控制CIR由450 M Hz工作模式切换到GSM-R工作模式；当列车驶离GSM-R区段时，由GIS服务器根据CIR报告的列车位置信息控制CIR由GSM-R工模式切换到450 M Hz工作模式。

（3）列车高速运行时，行车调度通信所需要的信息包丢失。正常情况下，列车运行过程中GIS向列车CIR反馈2个前方车站、1个本地车站、1个后方车站的数据信息，但可以对GIS进行配置，根据列车运行的速度，输出多个前方车站的信息，如果速度较高，最多可配置输出前方4个车站的信息。这样即使短时间的数据通信中断，或部分信息包丢失，也能保持前方车站呼叫可用。如果前方出现岔路时，可通过配置输出多条岔路上的前方车站信息，供司机选择使用。

（4）CIR数据单元出现故障，无法与GIS进行数据通信。当CIR数据单元出现故障，无法获取调度台、车站值班台的ISDN号码时，可手动选择GSM-R工作模式，采用基于位置的寻址方式实现调度员、车站值班员的通信联络。

（5）列车遭遇遮挡或GPS单元出现故障时，CIR无法获取GPS有效定位信息。在列车遭遇遮挡或GPS单元出现故障时，CIR无法获取GPS有效定位信息，CIR可向GIS报告列车当前所在的小区和位置区信息，GIS可通过小区ID或位置区ID进行粗略定位。如果判断出存在需要选择的线路列表，则向CIR反馈线路列表信息；CIR收到列表信息后，在M M I显示并语音提醒司机选择线；司机进行选线操作后，CIR向GIS报告当前的运行线路；GIS收到确定线路后，向CIR反馈当前行车调度通信所需要的数据信息。如果不存在线路列表，则直接向CIR反馈当前行车调度通信所需要的数据信息。