基于GPRS的機車實時監測系統
[摘 要]：GPRS（通用分組無線電業務）由于其流量計費、高速傳輸等特點，正越來越廣泛地用于車載監控、電力抄表、氣象監測等行業的遠程數據傳輸。本文介紹一種基于GPRS無線通信網絡的機車實時監測系統，給出該系統的總體結構以及各單元的主要功能，闡述GPRS在機車無線監測系統中的優勢。通過GPRS網絡實現車載子系統與地面監測中心之間的通信。該系統已投入實際運行，并取得了良好的效果。
關鍵詞：機車 GPRS數據傳輸 實時監測
0 引 言
機車運行狀態直接關系到鐵路運行的安全，而機車運行狀態的監測與機車維修是機車保持良好狀態的有力保障。現在國內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。機車在線監測系統用于電力機車運行狀態的實時監測與故障分析，從根本上指導機車的檢修工作。這樣不但減少了維修時間，提高了機車運行效率，而且可以大大地節約檢修成本，提高了機車運行質量。
傳統機車監控裝置通過轉存將機車運行過程所記錄的數據轉存到地面二次開發平臺，在地面進行機車運行數據分析和故障診斷，這樣的檢測設備實時性不強，不能實時檢測機車的運行狀態。本文研究的機車實時監測系統采用GPRS移動通信方式，實現了車載數據采集系統與地面監控系統的實時通信。GPRS技術是當前應用在我國通信領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171.2Kb/s。基于GPRS的監控系統具有雙向傳輸、傳輸時延小，系統響應快、安全可靠性高等眾多優點，為機車無線監測系統快速穩定地傳輸數據提供了有力的保障。
1 系統總體構成
該系統主要由車載數據采集子系統和地面監控子系統兩部分組成，如圖1所示。車載子系統采集所需要的電力機車運行狀態信息以及各設備的狀態信息，并對采集的信息進行簡單判斷后，通過GPRS網絡發送到地面監控中心；地面子系統將車載子系統傳輸回來的全部數據存儲到數據庫中，實時監測機車的運行狀態，對機車進行在線故障診斷、部件病歷管理及壽命預測，并將收到的實時數據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。
關鍵詞：機車 GPRS數據傳輸 實時監測
0 引 言
機車運行狀態直接關系到鐵路運行的安全，而機車運行狀態的監測與機車維修是機車保持良好狀態的有力保障。現在國內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。機車在線監測系統用于電力機車運行狀態的實時監測與故障分析，從根本上指導機車的檢修工作。這樣不但減少了維修時間，提高了機車運行效率，而且可以大大地節約檢修成本，提高了機車運行質量。
傳統機車監控裝置通過轉存將機車運行過程所記錄的數據轉存到地面二次開發平臺，在地面進行機車運行數據分析和故障診斷，這樣的檢測設備實時性不強，不能實時檢測機車的運行狀態。本文研究的機車實時監測系統采用GPRS移動通信方式，實現了車載數據采集系統與地面監控系統的實時通信。GPRS技術是當前應用在我國通信領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171.2Kb/s。基于GPRS的監控系統具有雙向傳輸、傳輸時延小，系統響應快、安全可靠性高等眾多優點，為機車無線監測系統快速穩定地傳輸數據提供了有力的保障。
1 系統總體構成
該系統主要由車載數據采集子系統和地面監控子系統兩部分組成，如圖1所示。車載子系統采集所需要的電力機車運行狀態信息以及各設備的狀態信息，并對采集的信息進行簡單判斷后，通過GPRS網絡發送到地面監控中心；地面子系統將車載子系統傳輸回來的全部數據存儲到數據庫中，實時監測機車的運行狀態，對機車進行在線故障診斷、部件病歷管理及壽命預測，并將收到的實時數據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。
1．1 車載子系統
該子系統包括模擬量采集單元、開關量采集單元、數字量采集單元和存儲發送單元，各單元通過CAN總線連接在一起，如圖2所示。
該子系統包括模擬量采集單元、開關量采集單元、數字量采集單元和存儲發送單元，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點，形成多主控制的分布式采集系統。總線控制器采用Philips公司P87C591微控器
內置的CAN控制器。為增強CAN總線節點的抗干擾能力，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。
內置的CAN控制器。為增強CAN總線節點的抗干擾能力，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轉換芯片ADS774，它是由美國Burr-Brown公司生產的12位逐次逼近型并行A/D轉換器，典型轉換時間為8.5μs。
開關量信號主要來源于機車電子控制柜，包括110V和48V的開關量。為了實現與機車的電氣隔離，增強系統的抗干擾能力，在采樣時需要進行光電隔離。
數字量采集單元安裝在TAX2箱里，通過RS485與TAX2箱進行通信，主要采集機車當前時間、公里標、運行速度、機車號、車次等重要信息，并將采集的數據通過CAN總線傳送到存儲發送單元中。
存儲發送單元主要完成對各采集單元數據的存儲與發送。由于機車環境惡劣，干擾強，因此選用CF、卡作為數據暫存器，最后通過GPRS模塊發回地面監測中心。
1．2 地面子系統
地面監控子系統的核心是故障診斷專家系統，其次還包括機車狀態實時顯示系統和機車部件病歷管理系統。
故障診斷專家系統仿真機務技術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、推理執行機構、知識獲取機構等構成。其中知識庫的形成及其知識的數量和質量是衡量專家系統好壞的重要因素。推理執行機構是專家系統的另外一個重要組成部分，它根據規則庫中的規則以及實時數據庫中的信息，確定故障及發生的原因，如果規則庫中沒有該規則，則調用知識獲取機構，在規則庫中產生新的規則。
機車狀態實時顯示系統能夠實時地直觀地在計算機屏幕上顯示出機車的運行狀態，顯示的內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
在該設計中，車載子系統與地面子系統的數據傳輸通過GPRS無線通信網絡來完成。GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的TDMA幀結構，圖4為其結構原理圖。
開關量信號主要來源于機車電子控制柜，包括110V和48V的開關量。為了實現與機車的電氣隔離，增強系統的抗干擾能力，在采樣時需要進行光電隔離。
數字量采集單元安裝在TAX2箱里，通過RS485與TAX2箱進行通信，主要采集機車當前時間、公里標、運行速度、機車號、車次等重要信息，并將采集的數據通過CAN總線傳送到存儲發送單元中。
存儲發送單元主要完成對各采集單元數據的存儲與發送。由于機車環境惡劣，干擾強，因此選用CF、卡作為數據暫存器，最后通過GPRS模塊發回地面監測中心。
1．2 地面子系統
地面監控子系統的核心是故障診斷專家系統，其次還包括機車狀態實時顯示系統和機車部件病歷管理系統。
故障診斷專家系統仿真機務技術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、推理執行機構、知識獲取機構等構成。其中知識庫的形成及其知識的數量和質量是衡量專家系統好壞的重要因素。推理執行機構是專家系統的另外一個重要組成部分，它根據規則庫中的規則以及實時數據庫中的信息，確定故障及發生的原因，如果規則庫中沒有該規則，則調用知識獲取機構，在規則庫中產生新的規則。
機車狀態實時顯示系統能夠實時地直觀地在計算機屏幕上顯示出機車的運行狀態，顯示的內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
在該設計中，車載子系統與地面子系統的數據傳輸通過GPRS無線通信網絡來完成。GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的TDMA幀結構，圖4為其結構原理圖。
GPRS用于無線數據接入具有多方面的優勢：
（1）接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網絡，方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署；
（2）傳輸速率高，數據傳輸速度可達57.6Kbps，最高可達到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，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，用戶可以一直在線。
以上優勢使得GPRS非常適合機車運行狀態實時監測系統的數據傳輸。另外，很多GPRS模塊支持RS232/RS485數據接口，小型化設計，編程簡單可靠，特別適合嵌入式系統應用。
為簡化整個系統的設計，本設計采用了桑榮公司帶TCP/IP協議處理的GPRS無線數傳終端SARO-1010EP，它提供RS232，TTL和RS485接口，可適用于所有帶TTL或485的終端設備，為不具備TCP/IP協議處理的終端提供GPRS通信的能力。SARO-1010EP支持標準的AT命令，為程序的設計提供了便利。
該GPRS模塊為本系統提供了簡單的硬件設計和軟件編程。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模塊設置為IP訪問模式和全透明傳輸模式，IP訪問模式是根據預先設定在GPRS模塊里的IP地址來訪問數據中心服務器，適用于數據中心服務器有固定IP地址的應用。該GPRS模塊設計在車載子系統的存儲發送單元中，接口電路如圖5所示。當CPU通過RS232串口向GPRS模塊寫入數據，GPRS模塊便能自動地將數據發送到地面。這樣，只要地面監測中心具有一個固定IP地址連接到Internet上，就可以實現車載子系統與地面子系統之間的數據傳輸。
（1）接入范圍廣，可充分利用全國范圍的電信網絡，方便、快速、低成本地為用戶數據終端提供遠程接入網絡的部署；
（2）傳輸速率高，數據傳輸速度可達57.6Kbps，最高可達到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，用戶只有在發送或接收數據期間才占用資源，用戶可以一直在線。
以上優勢使得GPRS非常適合機車運行狀態實時監測系統的數據傳輸。另外，很多GPRS模塊支持RS232/RS485數據接口，小型化設計，編程簡單可靠，特別適合嵌入式系統應用。
為簡化整個系統的設計，本設計采用了桑榮公司帶TCP/IP協議處理的GPRS無線數傳終端SARO-1010EP，它提供RS232，TTL和RS485接口，可適用于所有帶TTL或485的終端設備，為不具備TCP/IP協議處理的終端提供GPRS通信的能力。SARO-1010EP支持標準的AT命令，為程序的設計提供了便利。
該GPRS模塊為本系統提供了簡單的硬件設計和軟件編程。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模塊設置為IP訪問模式和全透明傳輸模式，IP訪問模式是根據預先設定在GPRS模塊里的IP地址來訪問數據中心服務器，適用于數據中心服務器有固定IP地址的應用。該GPRS模塊設計在車載子系統的存儲發送單元中，接口電路如圖5所示。當CPU通過RS232串口向GPRS模塊寫入數據，GPRS模塊便能自動地將數據發送到地面。這樣，只要地面監測中心具有一個固定IP地址連接到Internet上，就可以實現車載子系統與地面子系統之間的數據傳輸。
3 結束語
目前，本系統已經在SS4B電力機車上試驗運行，取得了良好效益。由于GPRS數據傳輸有著傳輸速率高、永遠在線等優點，把GPRS技術應用到機車運行狀態數據傳輸中可較大地提高通訊的穩定性。隨著GPRS網絡的不斷完善和市場需求的不斷擴大，預計GPRS車載系統將會有更廣闊的應用前景。
目前，本系統已經在SS4B電力機車上試驗運行，取得了良好效益。由于GPRS數據傳輸有著傳輸速率高、永遠在線等優點，把GPRS技術應用到機車運行狀態數據傳輸中可較大地提高通訊的穩定性。隨著GPRS網絡的不斷完善和市場需求的不斷擴大，預計GPRS車載系統將會有更廣闊的應用前景。
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