基于多通道回传定位的铁路智能监控系统设计

王志强

（神华新朔铁路有限责任公司大准分公司，内蒙古鄂尔多斯 010300）

铁路的行车安全问题一直是交通部门考虑的重点问题，及时掌握列车行驶实时位置、监控铁路的运行状态成为解决问题的关键。传统的铁路智能监控系统以GPS 技术为基础，回传定位通道数量少，通信方式以网络通信为主，网络覆盖盲区的铁路监控稳定性较低，数据采集不全面，导致数据传输速度较慢，回传数据质量不高，无法满足物联网环境下交通部门对铁路信息的回传需求[1-2]。因此文中设计了一种基于多通道回传定位的铁路智能监控系统，确定了系统整体的硬件结构及软件功能，并对设计的关键技术进行了分析，促进了我国北斗系统及铁路行业的进一步发展。

1 系统硬件设计

系统硬件由定位模块、通信模块、无线数据传输模块、存储模块以及接口电路等结构组成，系统的硬件结构如图1 所示。

图1 系统的硬件结构

1.1 处理器控制模块

处理器是硬件系统的核心，负责实时处理运行数据，维护各模块间的信息交流。从处理器的实时性、扩展性及适应性出发，选择ARM11 处理器，因为相较于传统监控系统采用的Cortex M3 系列，该处理器具有更强的处理能力，且扩展性强，能够满足未来对多种通讯模式的扩展需求[3-5]。ARM11 处理器采用三星S3C6410 核心板，以16/32-bit RISC 内核为核心，工艺类型为COMS，具有高性能的同时成本较低且功率消耗较低，适用于需长期运行的终端。且S3C6410 核心板集成4 通道UART，可以同时满足4个串口通信，保证系统内部沟通顺畅的同时，进一步提升与外界的通信能力，从而提升处理器的工作效率。处理器控制模块结构如图2 所示。

图2 处理器控制模块结构

除串口外，S3C6410 核心板还具备多个不同类型的外设接口，进一步加强了系统终端的可扩展性。补偿控制原理如图3 所示。

图3 补偿控制原理

1.2 定位模块

定位模块的功能是接收北斗卫星信号及GPS 信号，即需要经过定位计算，确定当前位置信息[6-8]。为提升定位精确度，采用UM220 系列定位模块，该模块能够实时接收卫星信号及GPS 信号，实现对铁路运行信息的高精度定位、三维跟踪，被广泛应用于物品高精度跟踪定位等领域。UM220 模块体积为26.9 mm×40 mm×3.4 mm，相较于市面上大部分芯片，其体积更小、功耗较低，适用于小型集成终端设备。且该模块的单点定位精度为1 m，采用标准的导航电文输出接口TTL，兼具两个频点信号的接收，且自定义性强，既可选择单频点信号接收，也可通过后台编译实现信号转换[9-12]。芯片安装时，为保证系统其他模块间产生干扰，需在接口处添加滤波器，降低欧姆阻抗。UM220 定位模块的硬件结构如图4 所示。

图4 UM220定位模块的硬件结构

1.3 通信模块

基于多通道回传定位的铁路智能监控系统的通信模块分为网络通信、无线数传以及卫星通信3 部分[13-16]。其中，网络通信是目前较为普遍的通信方式，文中采用SIM5320A 模块进行网络通信，该模块支持AI 指令集，具有SPI 接口，便于用户对其进行控制，且数据传输效率快，可以传输较大容量的数据，SIM5320A的上电电路示意图如图5 所示。

图5 SIM5320A的上电电路示意图

图5 中采用KYL-320L 无线数传模块，该模块具有8 个通信信道，可以根据需求实时扩展信道，但是与网络通信相比，体积略大且功耗较高；卫星通信过程中，采用ND250A 模块作为主要模块，其可靠性强，且数据传输速度快、传输量多，兼具网络通信及无线数传的优点，是未来主要的通信方式，不足之处在于卫星通信的成本较高，且维护费用较大。

2 系统软件设计

在上述系统硬件的设计基础上，对基于多通道回传定位的铁路智能监控系统软件进行设计。采用嵌入式Linux 系统，开发图形界面，即主界面和参数设置界面；并以嵌入式Linux 系统为基础，建立多通道切换协议，形成多通道式的定位、跟踪、通信数据处理与控制为一体的智能铁路监控系统。

嵌入式Linux系统以Linux系统为基础，遵循GPL协议，通过剪裁、修改运行在嵌入型计算机系统上，源代码资源具有开放性。从文中设计系统的开发需求出发，嵌入式Linux 系统能够提升系统整体的数据处理能力，且提升了系统的适应能力，为各大硬件提供友好的人机接口，便于系统功能的扩展；嵌入式Linux系统的移植包含系统剪裁、配置生成、镜像生成、UBOOT编写、根文件编译等关键步骤，且在移植后，系统默认无图形界面，因此在移植嵌入式Linux 系统的同时还需移植图形化系统，进行参数设置和界面生成；待嵌入式Linux 系统移植成功后，将所编译的功能模块移植到操作系统进行测试，遵循从局部到整体的测试原则，根据测试结果对部分功能进行修改。

首先，系统开始运行时，对定位数据处理模块进行初始化，将各项参数归置回原始设定参数，当数据输入成功后，采用标准的导航电文分析法解析数据，同时启动定时器，规定定时器的周期为1 s，即以1 s为处理周期，处理这一秒内的定位数据，采用串口读取的方式，从定位数据中计算出目标列车的实时经纬度、运行速度等信息，并将计算结果存入SGNRMC的帧结构中。从本质上讲，SGNRMC的帧结构是一个小型的数据中转中心，随着计算周期的更替，SGNRMC 帧结构内的数据也在不断更新，使SGNRMC的帧结构提取计算结果显示在终端界面上，当显示结束后，SGNRMC的帧结构经数据传输通道将数据传输至数据库进行存储，此时，下一周期的数据会直接覆盖上一周期数据，SGNRMC的帧结构最多可保存5 个周期的定位数据。定位数据的处理流程如图6 所示。

图6 定位数据的处理流程

假设某一铁路站点为原点，建立二维平面坐标图，设t时刻某一列车的位置为(x,y)，u和v分别为该列车沿x轴和y轴两个方向的速度分量，且满足：

为确保定位精度，采用约束方程对计算数值进行约束，约束方程如下：

式中，Ix、Iy、It分别为参考位置点沿x、y、t3 个方向的偏导数。

针对噪声定位信号，采用二值化处理法对噪声信号进行处理，噪声处理系数的计算方式如下：

根据以上计算结果，目标的位置计算如下：

3 实验研究

为验证文中设计的基于多通道回传定位的铁路智能监控系统的实际监控性能，设置相应的实验环境和实验参数，进行仿真测试，并将文中设计的基于多通道回传定位的铁路智能监控系统的监控性能与传统铁路智能监控系统（文献[1]系统和文献[2]系统）进行对比分析，对它们的数据传输速率及定位精确性进行对比。

向智能铁路监控系统监控端输入相同的数据集，确保数据传输始点与终点一致，并根据铁路的行车特点，行驶火车及高铁的车厢数量约为30 节，故在仿真试验中，数据的传输距离应远大于行驶火车的长度，从而忽略列车长度对实验结果的影响。考虑到网络信号在数据传输过程中的影响，在实验前对网络信号进行测试，并对相似网络信号的数据结果进行比较，以保证比较结果的可靠性，得到的数据传输效果对比如表1 所示。

表1 数据传输效果对比

从表1 实验结果可以看出，相较于传统的两种铁路智能监控系统，文中设计的基于多通道回传定位的铁路智能监控系统的数据传输效率更快，数据传输量更多。区别在于，传统的铁路智能监控系统的回归定位方式单一且通道较少，无法完成大数量的数据传输，而文中设计的铁路智能监控系统采用多通道传输方式，建立了多个通信协议，维护了通信环境，多个传输通道共同进行数据传输，进一步提升了传输稳定性，降低了数据丢失的概率。

4 结束语

文中设计的基于多通道回传定位的铁路智能监控系统能够克服传统系统存在的一系列问题，一方面，双模式的定位体制进一步提升了系统的定位精确度，且保证在各种环境下能够及时进行消息回传，因此，文中采用双重定位信号接收模式，融合2G/3G/4G/5G 网络通信、无线数传以及卫星通信3 种通信方式，即使在无网络区也可以通过卫星探测进行定位和数据传输，加快信息传输速度的同时提升传输质量；另一方面，Linux-ARM11 类型的软硬件搭配模式进一步提升了系统的数据处理能力，并保留多个扩展接口，为系统的创新和升级保留进步空间，促进了多通道回传定位技术广泛应用的同时，实现了系统定位、跟踪、通信的一体化功能，具有较高的应用价值，为其他系统的开发提供借鉴。