基于GPRS的機車實時監(jiān)測系統(tǒng)
[摘 要]：GPRS（通用分組無線電業(yè)務(wù)）由于其流量計費、高速傳輸?shù)忍攸c，正越來越廣泛地用于車載監(jiān)控、電力抄表、氣象監(jiān)測等行業(yè)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹一種基于GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)的機車實時監(jiān)測系統(tǒng)，給出該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各單元的主要功能，闡述GPRS在機車無線監(jiān)測系統(tǒng)中的優(yōu)勢。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車載子系統(tǒng)與地面監(jiān)測中心之間的通信。該系統(tǒng)已投入實際運行，并取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：機車 GPRS數(shù)據(jù)傳輸 實時監(jiān)測
0 引 言
機車運行狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運行的安全，而機車運行狀態(tài)的監(jiān)測與機車維修是機車保持良好狀態(tài)的有力保障?，F(xiàn)在國內(nèi)常用的機車檢修機制為“定期檢修”，這樣不但檢修成本高，而且極其容易使機車帶病運行，與鐵路運行對“安全”的要求相背離。機車在線監(jiān)測系統(tǒng)用于電力機車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障分析，從根本上指導(dǎo)機車的檢修工作。這樣不但減少了維修時間，提高了機車運行效率，而且可以大大地節(jié)約檢修成本，提高了機車運行質(zhì)量。
傳統(tǒng)機車監(jiān)控裝置通過轉(zhuǎn)存將機車運行過程所記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到地面二次開發(fā)平臺，在地面進行機車運行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，這樣的檢測設(shè)備實時性不強，不能實時檢測機車的運行狀態(tài)。本文研究的機車實時監(jiān)測系統(tǒng)采用GPRS移動通信方式，實現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)的實時通信。GPRS技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用在我國通信領(lǐng)域中的最強大最先進的移動通訊手段，它的最大傳輸速率可高達(dá)171.2Kb/s?；贕PRS的監(jiān)控系統(tǒng)具有雙向傳輸、傳輸時延小，系統(tǒng)響應(yīng)快、安全可靠性高等眾多優(yōu)點，為機車無線監(jiān)測系統(tǒng)快速穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)提供了有力的保障。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
該系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和地面監(jiān)控子系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。車載子系統(tǒng)采集所需要的電力機車運行狀態(tài)信息以及各設(shè)備的狀態(tài)信息，并對采集的信息進行簡單判斷后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控中心；地面子系統(tǒng)將車載子系統(tǒng)傳輸回來的全部數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，實時監(jiān)測機車的運行狀態(tài)，對機車進行在線故障診斷、部件病歷管理及壽命預(yù)測，并將收到的實時數(shù)據(jù)用曲線或其它形式顯示在屏幕上，直觀地反映機車的運行狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：機車 GPRS數(shù)據(jù)傳輸 實時監(jiān)測
0 引 言
機車運行狀態(tài)直接關(guān)系到鐵路運行的安全，而機車運行狀態(tài)的監(jiān)測與機車維修是機車保持良好狀態(tài)的有力保障?，F(xiàn)在國內(nèi)常用的機車檢修機制為“定期檢修”，這樣不但檢修成本高，而且極其容易使機車帶病運行，與鐵路運行對“安全”的要求相背離。機車在線監(jiān)測系統(tǒng)用于電力機車運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障分析，從根本上指導(dǎo)機車的檢修工作。這樣不但減少了維修時間，提高了機車運行效率，而且可以大大地節(jié)約檢修成本，提高了機車運行質(zhì)量。
傳統(tǒng)機車監(jiān)控裝置通過轉(zhuǎn)存將機車運行過程所記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到地面二次開發(fā)平臺，在地面進行機車運行數(shù)據(jù)分析和故障診斷，這樣的檢測設(shè)備實時性不強，不能實時檢測機車的運行狀態(tài)。本文研究的機車實時監(jiān)測系統(tǒng)采用GPRS移動通信方式，實現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)的實時通信。GPRS技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用在我國通信領(lǐng)域中的最強大最先進的移動通訊手段，它的最大傳輸速率可高達(dá)171.2Kb/s?；贕PRS的監(jiān)控系統(tǒng)具有雙向傳輸、傳輸時延小，系統(tǒng)響應(yīng)快、安全可靠性高等眾多優(yōu)點，為機車無線監(jiān)測系統(tǒng)快速穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)提供了有力的保障。
1 系統(tǒng)總體構(gòu)成
該系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和地面監(jiān)控子系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。車載子系統(tǒng)采集所需要的電力機車運行狀態(tài)信息以及各設(shè)備的狀態(tài)信息，并對采集的信息進行簡單判斷后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面監(jiān)控中心；地面子系統(tǒng)將車載子系統(tǒng)傳輸回來的全部數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，實時監(jiān)測機車的運行狀態(tài)，對機車進行在線故障診斷、部件病歷管理及壽命預(yù)測，并將收到的實時數(shù)據(jù)用曲線或其它形式顯示在屏幕上，直觀地反映機車的運行狀態(tài)。
1．1 車載子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)包括模擬量采集單元、開關(guān)量采集單元、數(shù)字量采集單元和存儲發(fā)送單元，各單元通過CAN總線連接在一起，如圖2所示。
該子系統(tǒng)包括模擬量采集單元、開關(guān)量采集單元、數(shù)字量采集單元和存儲發(fā)送單元，各單元通過CAN總線連接在一起，如圖2所示。
CAN總線是一種多主總線，通過雙絞線連接各個模塊節(jié)點，形成多主控制的分布式采集系統(tǒng)?？偩€控制器采用Philips公司P87C591微控器
內(nèi)置的CAN控制器。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，P87C591的RXDC和TXDC腳，通過高速光耦6N173后與82C250相連，保證總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離，光耦部份電路所采用的兩個電源必須完全隔離，如圖3所示。
內(nèi)置的CAN控制器。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，P87C591的RXDC和TXDC腳，通過高速光耦6N173后與82C250相連，保證總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離，光耦部份電路所采用的兩個電源必須完全隔離，如圖3所示。
模擬量采集單元包括電網(wǎng)電壓、輔助回路電壓、主回路電機電壓、電機電流、勵磁電流等。模擬量信號的采集選用高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS774，它是由美國Burr-Brown公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型并行A/D轉(zhuǎn)換器，典型轉(zhuǎn)換時間為8.5μs。
開關(guān)量信號主要來源于機車電子控制柜，包括110V和48V的開關(guān)量。為了實現(xiàn)與機車的電氣隔離，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在采樣時需要進行光電隔離。
數(shù)字量采集單元安裝在TAX2箱里，通過RS485與TAX2箱進行通信，主要采集機車當(dāng)前時間、公里標(biāo)、運行速度、機車號、車次等重要信息，并將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送到存儲發(fā)送單元中。
存儲發(fā)送單元主要完成對各采集單元數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)送。由于機車環(huán)境惡劣，干擾強，因此選用CF、卡作為數(shù)據(jù)暫存器，最后通過GPRS模塊發(fā)回地面監(jiān)測中心。
1．2 地面子系統(tǒng)
地面監(jiān)控子系統(tǒng)的核心是故障診斷專家系統(tǒng)，其次還包括機車狀態(tài)實時顯示系統(tǒng)和機車部件病歷管理系統(tǒng)。
故障診斷專家系統(tǒng)仿真機務(wù)技術(shù)人員判斷故障的過程，對機車進行故障診斷與定位。它主要由知識庫、推理執(zhí)行機構(gòu)、知識獲取機構(gòu)等構(gòu)成。其中知識庫的形成及其知識的數(shù)量和質(zhì)量是衡量專家系統(tǒng)好壞的重要因素。推理執(zhí)行機構(gòu)是專家系統(tǒng)的另外一個重要組成部分，它根據(jù)規(guī)則庫中的規(guī)則以及實時數(shù)據(jù)庫中的信息，確定故障及發(fā)生的原因，如果規(guī)則庫中沒有該規(guī)則，則調(diào)用知識獲取機構(gòu)，在規(guī)則庫中產(chǎn)生新的規(guī)則。
機車狀態(tài)實時顯示系統(tǒng)能夠?qū)崟r地直觀地在計算機屏幕上顯示出機車的運行狀態(tài)，顯示的內(nèi)容包括機車的位置和工況、牽引電機電壓和電流、勵磁電流等信息。
2 GPRS模塊
在該設(shè)計中，車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，圖4為其結(jié)構(gòu)原理圖。
開關(guān)量信號主要來源于機車電子控制柜，包括110V和48V的開關(guān)量。為了實現(xiàn)與機車的電氣隔離，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在采樣時需要進行光電隔離。
數(shù)字量采集單元安裝在TAX2箱里，通過RS485與TAX2箱進行通信，主要采集機車當(dāng)前時間、公里標(biāo)、運行速度、機車號、車次等重要信息，并將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送到存儲發(fā)送單元中。
存儲發(fā)送單元主要完成對各采集單元數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)送。由于機車環(huán)境惡劣，干擾強，因此選用CF、卡作為數(shù)據(jù)暫存器，最后通過GPRS模塊發(fā)回地面監(jiān)測中心。
1．2 地面子系統(tǒng)
地面監(jiān)控子系統(tǒng)的核心是故障診斷專家系統(tǒng)，其次還包括機車狀態(tài)實時顯示系統(tǒng)和機車部件病歷管理系統(tǒng)。
故障診斷專家系統(tǒng)仿真機務(wù)技術(shù)人員判斷故障的過程，對機車進行故障診斷與定位。它主要由知識庫、推理執(zhí)行機構(gòu)、知識獲取機構(gòu)等構(gòu)成。其中知識庫的形成及其知識的數(shù)量和質(zhì)量是衡量專家系統(tǒng)好壞的重要因素。推理執(zhí)行機構(gòu)是專家系統(tǒng)的另外一個重要組成部分，它根據(jù)規(guī)則庫中的規(guī)則以及實時數(shù)據(jù)庫中的信息，確定故障及發(fā)生的原因，如果規(guī)則庫中沒有該規(guī)則，則調(diào)用知識獲取機構(gòu)，在規(guī)則庫中產(chǎn)生新的規(guī)則。
機車狀態(tài)實時顯示系統(tǒng)能夠?qū)崟r地直觀地在計算機屏幕上顯示出機車的運行狀態(tài)，顯示的內(nèi)容包括機車的位置和工況、牽引電機電壓和電流、勵磁電流等信息。
2 GPRS模塊
在該設(shè)計中，車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)來完成。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)，圖4為其結(jié)構(gòu)原理圖。
GPRS用于無線數(shù)據(jù)接入具有多方面的優(yōu)勢：
（1）接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，方便、快速、低成本地為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)的部署；
（2）傳輸速率高，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)57.6Kbps，最高可達(dá)到171Kbps；
（3）接人時間短，GPRS接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為2s；
（4）提供實時在線功能；
（5）按流量計費，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，用戶可以一直在線。
以上優(yōu)勢使得GPRS非常適合機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。另外，很多GPRS模塊支持RS232/RS485數(shù)據(jù)接口，小型化設(shè)計，編程簡單可靠，特別適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。
為簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計，本設(shè)計采用了桑榮公司帶TCP/IP協(xié)議處理的GPRS無線數(shù)傳終端SARO-1010EP，它提供RS232，TTL和RS485接口，可適用于所有帶TTL或485的終端設(shè)備，為不具備TCP/IP協(xié)議處理的終端提供GPRS通信的能力。SARO-1010EP支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，為程序的設(shè)計提供了便利。
該GPRS模塊為本系統(tǒng)提供了簡單的硬件設(shè)計和軟件編程。首先，通過RS232串口，在PC機上運用AT指令對SARO-1010EP進行通訊模式配置，部分AT指令如表1所示。將GPRS模塊設(shè)置為IP訪問模式和全透明傳輸模式，IP訪問模式是根據(jù)預(yù)先設(shè)定在GPRS模塊里的IP地址來訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，適用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器有固定IP地址的應(yīng)用。該GPRS模塊設(shè)計在車載子系統(tǒng)的存儲發(fā)送單元中，接口電路如圖5所示。當(dāng)CPU通過RS232串口向GPRS模塊寫入數(shù)據(jù)，GPRS模塊便能自動地將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。這樣，只要地面監(jiān)測中心具有一個固定IP地址連接到Internet上，就可以實現(xiàn)車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
（1）接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網(wǎng)絡(luò)，方便、快速、低成本地為用戶數(shù)據(jù)終端提供遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)的部署；
（2）傳輸速率高，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)57.6Kbps，最高可達(dá)到171Kbps；
（3）接人時間短，GPRS接入等待時間短，可快速建立連接，平均耗時為2s；
（4）提供實時在線功能；
（5）按流量計費，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，用戶可以一直在線。
以上優(yōu)勢使得GPRS非常適合機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。另外，很多GPRS模塊支持RS232/RS485數(shù)據(jù)接口，小型化設(shè)計，編程簡單可靠，特別適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。
為簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計，本設(shè)計采用了桑榮公司帶TCP/IP協(xié)議處理的GPRS無線數(shù)傳終端SARO-1010EP，它提供RS232，TTL和RS485接口，可適用于所有帶TTL或485的終端設(shè)備，為不具備TCP/IP協(xié)議處理的終端提供GPRS通信的能力。SARO-1010EP支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，為程序的設(shè)計提供了便利。
該GPRS模塊為本系統(tǒng)提供了簡單的硬件設(shè)計和軟件編程。首先，通過RS232串口，在PC機上運用AT指令對SARO-1010EP進行通訊模式配置，部分AT指令如表1所示。將GPRS模塊設(shè)置為IP訪問模式和全透明傳輸模式，IP訪問模式是根據(jù)預(yù)先設(shè)定在GPRS模塊里的IP地址來訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，適用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器有固定IP地址的應(yīng)用。該GPRS模塊設(shè)計在車載子系統(tǒng)的存儲發(fā)送單元中，接口電路如圖5所示。當(dāng)CPU通過RS232串口向GPRS模塊寫入數(shù)據(jù)，GPRS模塊便能自動地將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。這樣，只要地面監(jiān)測中心具有一個固定IP地址連接到Internet上，就可以實現(xiàn)車載子系統(tǒng)與地面子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
3 結(jié)束語
目前，本系統(tǒng)已經(jīng)在SS4B電力機車上試驗運行，取得了良好效益。由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸有著傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點，把GPRS技術(shù)應(yīng)用到機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸中可較大地提高通訊的穩(wěn)定性。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和市場需求的不斷擴大，預(yù)計GPRS車載系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。
目前，本系統(tǒng)已經(jīng)在SS4B電力機車上試驗運行，取得了良好效益。由于GPRS數(shù)據(jù)傳輸有著傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點，把GPRS技術(shù)應(yīng)用到機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸中可較大地提高通訊的穩(wěn)定性。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的不斷完善和市場需求的不斷擴大，預(yù)計GPRS車載系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。
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