维普资讯 http://www.cqvip.com 第２８卷第３期 ２ ０ ０ ８年６月 文章编号：１００８—７８４２（２００８）０３—００３４—０３ 铁道机车车辆 Ｒ ＡⅡ ＡＹ ＩＤＣ０Ｍ０１Ｔ Ｅ＆ＣＡＲ Ｖ０１．２８ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ． ２００８ 基于移动通讯网络的提速列车接近报警系统研究 杜锦程 ，薛军兴 （１ 南昌铁路局 车辆处，江西南昌３３０００２；２深圳远望谷公司，广东深圳５１８０５７） 摘要提出了一种新的提速列车接近报警方案，它以铁路移动通讯网络（ＧＳＭ—Ｒ）为基础，结合全球定位 系统（ＧＰＳ）和铁路地理信息系统（ＧＩＳ），实时监测在线运行列车的位置和速度，通过计算机网络汇总数据到 报警服务器，由报警服务器向有报警接收设备的报警点发送报警信息。该方案的优势在于可在全铁路范围内实 时、动态传送在线运行列车速度、方位，自动推算列车接近时间等报警防护信息，更有效的实现列车安全运 行，保障沿线施工人员生命和财产安全。 关键词列车接近报警；报警服务器；ＧＰＲＳ；ＧＳＭ—Ｒ；全球定位系统；铁路地理信息系统 文献标志码：Ａ 中图分类号：Ｕ２７９．３ ６ 目前，用于铁路列车接近报警的手段种类繁多， 报警准确率约为９０～９５％。随着铁路的多次提速和重 载运输的需要，紧急情况下的列车制动距离明显加长， （２）ＧＧＳＮ：网关支持节点 ＧＧＳＮ支持与外部分组交换网的互通，并经由基 于ＩＰ的ＧＰＲＳ骨干网和ＳＧＳＮ连通。ＧＰＲＳ支持ＴＣＰ／ＩＰ 现有的报警手段已无法满足铁路提速线保障线路施工 人员和器材安全的需要。 协议，可以与分组数据网（Ｉｎｔｅｍｅｔ等）直接互通。 （３）车载信息采集和通讯单元 实时采集列车运行线路、公里标、ＧＰＳ位置、速 度等信息，通过ＧＰＲＳ以无线方式发送给附近的移动 网络基站，并最终到达ＧＰＲＳ骨干网。 （４）报警服务器（组） ＧＰＲＳ数据传输技术和ＧＰＳ定位技术已经在铁路 的多个领域得到成功应用ｌ、１ Ｊ，如客车运行安全监控系 统ｌ、２Ｊ。此外，能够提供更加畅通可靠的ＧＰＲＳ数据服 务的铁路专用ＧＳＭ—Ｒ网络系统也在建设中 ３Ｊ。因此， 基于现有成熟技术，设计以移动通讯网络为基础的高 速列车接近报警系统是一种切实可行的选择。 １系统构架 通过ＴＣＰ／ＩＰ（Ｉｎｔｅｍｅｔ或专线）与ＧＰＲＳ网络相连 接，接收车载单元发送的信息，并进行处理。 （５）报警接收机 分为便携式和固定式两种，固定式接收机安装在 道口等固定位置；便携式接收机用于在铁路沿线移动 施工的无固定位置的情况。报警接收机也包含ＧＰＲＳ 本系统由安装在机车上的车载信息采集和通讯单 元、报警服务器、报警信息接收机３部分组成，报警 网络的拓扑结构如图ｌ所示。 （１）ＳＧＳＮ：ＧＰＲＳ服务支持节点 通讯模块和６ＰＳ定位模块，通过６ＰＳ模块确定自己的 位置，通过ＧＰＲＳ及移动网络向报警服务器注册并接 收报警服务器发送的报警信息。 ２系统报警服务器 报警服务器在该系统中有着举足轻重的地位，其 布局位置、功能规划是系统方案设计的核心。 （１）服务器配置 报警服务器的配置有下列两种方案可供选择，本 设计选择方案２。 ①方案１ 在铁路局一级布置报警服务器，各铁路局负责所 管辖铁路线的列车接近报警。 图１ 以ＧＰＲＳ为基础的列车接近报警网络 该方案可以分散处理压力，包括通讯压力和报警 信息处理的计算压力，但是在列车跨铁路局运行的情 杜锦程（１９６３一）男，山东潍坊人，高级工程师（收稿Ｅｔ期：２００７—１１—０７） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 基于移动通讯网络的提速列车接近报警系统研究 ３５ 信息服务器 图２报警服务器组的功能划分及网络连接 况下，需要列车位置信息的铁路局为列车当前位置所 在的铁路局，实际却发送给列车所属铁路局，信息的 再次汇总会带来较大的延时、容易导致错失报警、系 统可靠性下降等问题。 ②方案２ 在铁道部集中布置报警服务器，负责全铁路范围 的列车接近报警（图２）。 该方案采用全铁路报警信息集中处理的方法，车 载单元只向一个固定服务器发送数据，报警服务器发 送的信息连续、完整、安全可靠，且可供所有在线运 行列车使用。至于服务器的处理和通讯压力，可以考 虑采用多个服务器组成的服务器阵列及申请多条通讯 专线等办法来解决。 （２）服务器的组成 因系统中的服务器通讯、处理工作量大，由不同 的服务器分担不同的处理作业，各服务器由高速网络 交换机连接，构成可扩展的报警服务器组，如图２所 不。 （３）服务器功能 报警服务器组通过防火墙连接到ＧＰＲＳ专线网络， 等待接收列车的信息和报警点手持设备的信息。 来自车载设备和报警接收机的通讯连接经过通讯 分配服务器按照功能和负载平衡的原则向列车实时位 置信息接收、处理服务器组和报警接收机服务器组中 的服务器进行均衡定向分配。 列车实时位置信息接收、处理服务器接收来自车 载设备的信息，进行认证，处理其发送的位置信息， 并发送应答，更新列车的实时位置；当车载设备的通 讯中断时，根据最近一次发送的速度、位置信息（行 车计划），结合铁路地理信息，推算更新列车的实时位 置。 报警接收机服务器接收报警接收机的注册认证和 位置信息，查询危险区间信息共享服务器，分析接收 机附近列车的运行状况，生成报警信息，向接收机发 布报警信息。 铁路地理信息（ＧＩＳ）服务器为整个系统提供精确 的铁路地理信息数据，以便于和列车的ＧＰＳ位置信息 结合获得更高的位置精度；在通讯短暂中断的情况下 可以利用ＧＩＳ估算位置。还可以利用ＧＩＳ直观清晰的 显示列车、报警点的实时位置等。 数据库服务器记录列车报警器的连接情况、所发 送的信息、报警情况、通讯中断、工作日志及系统运 行所需要的其他支持信息。 各服务器采用高速交换机连接（千兆以太网交换 机），相互间的通讯延时可以忽略。为了实现更快速的 负载均衡，也可以采用更高层次的交换技术（３层交 换、４层交换）实现统一外部ＩＰ地址的动态内部映射。 ３系统工作原理 安装在机车上的车载信息采集单元实时采集列车 的运行线路、公里标、ＧＰＳ位置、速度等信息，通过 ＧＰＲＳ模块及图１所示的网络实时传输给报警服务器， 由报警服务器接收汇总全铁路列车的实时位置、速度 等信息。 报警接收机在开机阶段向报警服务器注册自己的 位置、类型（固定式或移动式）等信息，移动式报警 接收机在注册之后还需要定时向报警服务器报告自己 的实时位置，以便报警服务器能够对其进行跟踪。 报警服务器对接收到的列车信息，结合铁路地理 信息系统（ＧＩＳ）进行处理，根据每列车的位置、速度 及系统设置的报警时间，标示出每列车前方的危险区 间，如图３中铁路线上的黑色短线所示。 报警服务器汇总报警接收机的注册信息，通过快 速搜索算法在每一个危险区间内搜索是否有注册的报 警接收机（图３中圆点表示报警接收机所在的报警 点）。如果有，根据接收机的实时位置和列车的实时位 图３报警服务器形成的危险区间及报警位置的实时图景 维普资讯 http://www.cqvip.com 铁道机车车辆 第２８卷 置和速度，向报警接收机发出不同等级的报警信号。 ４关键问题及解决办法 通讯和运算处理的工作量，对外表现为一个整体，只 有有限的ＩＰ地址（可能只有１个）。这需要采取流量 分配和负载均衡设备保证通讯和处理量的均衡，保持 公共数据的同步更新，防止访问冲突。目前，这方面 的技术很成熟，可选择产品也很多【 。 ５试验及结论 （１）全铁路列车实时位置的快速更新 全铁路机车１５０００辆左右，同时在线运行的列车 估计有８０００辆左右，这些机车以一定的时间间隔（３ ～５ Ｓ）向服务器发送数据，服务器需要及时接收处理 并更新相应的危险区间。在网络结构上采用多台服务 根据上述方案，我们设计了试验系统，并在广深 线进行了多次试验，将由蓄电池供电的车载设备装在 客车上，在广州东、深圳站及深￣ｌｌＪＬ货场附近布置报 警接收器，因试验系统中车载设备、报警接收机比较 少，线路信息也简单，采用１台计算机实现图３中所 有的服务器功能。预警时间设置为５ ｍｉｎ，报警时间设 置为２ ｍｉｎ，测试中深圳北货场附近的车速最高为 １２０ｋｍ／ｈ，深圳站和广州东站测试点的车速为３０ｋｍ／ｈ。 经过３个多月的现场测试，接收机能够正确收到预警、 报警信息，未出现虚报警及漏报警。 基于移动通讯网络并实现覆盖全铁路的列车接近 报警系统，其预警时间和距离可以灵活设定，报警时 间、距离可根据报警接收机位置和接近列车速度自动 推算，在节约设备投资的同时能够很好的适应铁路重 器分散处理负担，在算法上要采用快速有效的更新处 理算法，在数据存储上设计便于快速处理的存储结构。 （２）位置信息的精度和可靠性 ＧＰＳ目前能够提供很高的定位精度，覆盖范围也 很广，但是仍存在因通讯延迟引入误差、信号被遮挡 无法获取位置信息等情况。通过整个系统时钟的同步， 并结合铁路地理信息系统提供的高精度地理信息可以 有效减少通讯延迟引入的误差，在ＧＰＳ位置信息短时 间不可用的情况下可以根据列车的速度和线路位置信 息推算列车的位置。 （３）ＧＰＲＳ数据通讯的延时及可靠性 虽然ＧＰＲＳ技术已被用于铁路通讯的多个方面， 但是象所有的无线通讯一样都存在延时和可靠性的问 题。有关ＧＰＲＳ通讯的延时、狈０试的结果表明传输的数 据包越短，发送数据的间隔加大，被延时的概率越 小【 。因此尽可能精简每次传送的数据包（２０ Ｂ以 内），合理设置数据传输周期（３～５ Ｓ），采用ＵＤＰ传 载、提速发展的需求，更有效的实现列车安全运行， 保障沿线施工人员生命和财产安全。 参考文献 ［１］刘瑞扬，杨［２］李敏之，孙京．铁路客车运行安全监控系统（ＴＣＤＳ）原 奇．基于ＧＳＭ—Ｒ的ＧＰＲｓ技术在我国铁路交 输协议，可以获得理想的传输效果。 在ＧＰＲＳ通讯中断的情况下，对于列车的信息， 服务器可以采用最近一次收到的位置、速度信息结合 理及应用［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２００５． 通运输中的应用［Ｊ］．甘肃科技，２００５，２１（８）：２６，３２ —ＧＩＳ推算当前位置；对于报警接收机通讯中断的情况， 一３３． 方面可以通过设置较长的预警时间使接收机提前得 到报警信息，再在接收机内部自行推算，另一方面接 ［３］李晓华．中国铁路ＧＳＭ—Ｒ进入全面建设阶段［ＥＢ／ＯＬ］． ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｅｌｉｕ．ｃｏｒｎ．ｃｎ／ｚｈｉｓ 一０８一 ３１／２０Ｏ６０８３１ １４２９１ １ ６８８７．ｈｔｍｌ 收机要提醒用户此时应该采取适当的应急措施。 ［４］赵金明，曹晓卫，等．ＧＰＲＳ数据传输时延测试［Ｊ］．移动 通信，２００４，（６）：３６—３９． （４）多台服务器的并行协调工作和通讯流量的均 衡分配 ［５］刘皓．负载均衡技术概览［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｃｉｄｎｅｔ．ｃｏｒｎ／ 多台服务器在统一的协调调度下并行处理，分担 ｔｅｃｈ／ｎｅｔｗｏｒｋ／／２００１／０４／３０／５８ ２１０５．ｈｔｍ１． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｒａｉｓｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ Ｔｒａｉｎ Ｎｅａｒｌｙ Ａｌａｒｍ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＤＵ，ｉｒｎｇ—ｃｈｅｎｇ．ＸＵＥ Ｊｕｎ—ｘｉｎｇ （１ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０００２ Ｊｉａｎｇｘｉ，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｉｎｖｅｎｇｏ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０５７ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｖａｎｃｅｄ ａ ｎｅｗ ｐｒｏｇｒａｍｍｅ ａｂｏｕｔ ｒａｉｓｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ ｎｅａｒｌｙ ａｌａｒｍ ｓｙｓｔｅｍ，ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＧＳＭ—Ｒ，，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ＧＰＳ ａｎｄ ＧＩＳ．ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｒａｉｎ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｌｌｅｃｔｄ ｄａｔｅａ ｔｏ ａｌａｒｍ ｓｅｒｖｅｒｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｇ ａｎｌａｒｍ ｍｅｓｓａｇｅ ｆｒｏｍ ａｌａｒｍ ｓｅｒｖｅｒ ｔｏ ａｌａｒｍ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｖｉｎｇ ａｌａｒｍ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｅ ｓ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｌｉｅｓ ｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ｄｙ．ａｍｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｄ０ｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｒａｉｎ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ａｌａｒｍ ｐｒｏｔｃｔｅｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｓ ｔｒａｉｎ ｎｅａｒｌｙ ｔｉｍｅｍｏｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆｔｒａｉｎ， ，ｐｒｏｔｅｃ— ｉｏｎ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｌｔｉｆｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｓａｆｅｔｙ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｉｎ ｎｅａｒｌｙ ａｌａｒｍ；ａｌａｒｍ Ｓｅｒｖｅｒ；ＣＰＲＳ；ＧＳＭ—Ｒ；ＧＰＳ；ＧＩＳ
