專利名稱：列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于自由空間光通訊(FSO)技術為主，附加藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、紅外通訊(IrDA)設備、Wi-Fi Mesh自組網設備、GPRS通訊模塊中的任意一種作備份的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統。本發明主要應用在鐵路上對具有多節機車車輛的列車每相鄰的兩個車體之間自動建立起無線鏈路的網絡通訊系統，通過該網絡系統可方便地實現列車牽引、制動及緩解控制和全列車狀態的實時監測等。
背景技術：
公知的鐵路列車車輛制動系統是靠機車乘務員操縱制動機，各列車車輛的制動系統靠與機車相連的空氣管路來逐次傳遞制動力，列車車輛產生制動力的時刻、力的大小都不相同，由于列車管充風(緩解)和放風(制動)的風源及放風口位于機車上，所以列車管空氣制動(緩解)波傳播規律都是按照從機車開始向機車后1位、2位、3位…直至末尾車輛進行作用力的傳遞。這樣，司機通過操縱制動機控制全列車制動與緩解作用的指令發出后，從機后1位到末位車輛響應就有很大的時間延遲(通常達數十秒)，大大降低了列車的制動效果和延長了制動距離。這對列車行車安全性及提高列車的運行速度和運能都極為不利。同時，目前的貨物列車車輛與客車車輛也有很大不同，一是貨車車輛上無電源供電，二是貨車車輛上一般都無專門值乘人員，對于行進中的車輛狀態不能實時監控，三是貨物車輛編組流動性大，一般不固定配屬某一車輛段(企業自備車除外)，連掛編組后開行的貨物列車車輛狀態只能靠沿線分段布置的地面紅外檢測所等間斷性地監測和預報軸溫、輪緣踏面損傷、脫軌等運行中的車輛技術狀態。所以，一般現階段列車不能實施列車的同步制動與緩解，也不能實時連續、動態地監測各編組車輛的狀態并預報。更不能將危及列車行車安全的車輛重要信息實時反饋到唯一能及時取措施的機車乘務員那里。
為解決上述問題，我國的鐵路系統在編組相對固定的客車列車上，已經開始應用電纜以及固定在車輛兩端的連接插座將全列車連接起來，進行簡單的列車制動、緩解等控制指令的下達。這種簡單的列車單向信息線路具有很高的可靠性和信息安全性，但其缺陷是1、不支持大信息量的數據交換；2、每當機車連掛車列或列車重新編組時，都要人工手動連接或摘除電纜連接器，費人費工又費時；3、插頭(針)經多次拔插或氧化后也會造成接觸不良影響通訊質量，甚至完全失效；4、對于在大部分情況下，編組都極不固定的貨物列車來說，通過電纜連接的方法建立通訊幾乎更不可能。
另外，專利號為4682144的美國專利于1987年公開了一種基于有線光纖的列車通訊鏈路，雖然光纖能提供巨大數據傳輸量的通訊鏈路，但畢竟屬有線方式，經反復經常性地拔插加上工作環境惡劣，大量粉塵、煙霧、油脂可能污染光耦合設備插接腳，影響光的傳輸效果。同時，對接插腳的清潔又極不方便。這樣將會極大地影響其通訊效率和效果，甚至完全失效。
在加拿大人安德魯.馬丁于1996年提出的發明中，提供一種無線電磁微波鏈路的列車車載網絡通訊方法，利用無線電電磁耦合的一對復用器/去復用器建立無線鏈路通訊的方法雖然可行，但也存在著一些不足之處1、電磁微波通訊的頻率絕大多數是要向各地無線電委員會申請使用許可證并每年要交納相當可觀的費用。即使頻率選擇在免申請頻段，由于該頻段的用戶數量太多，且密度大，無線電通訊的所有缺點諸如同頻干擾、鄰道干擾、多徑干擾一樣都不能避免；2、電磁通訊由于是全向傳播，小區覆蓋方式，對與大量機車車輛聚集的場合來說任意兩個通訊設備要建立有效聯系并排除各種干擾是相當困難的。3、行車信息安全性也是很難保證的，無線電偵聽及干擾技術相對是容易實現的。而這對于鐵路行車部門來說，其信息傳輸的安全性又是極其重要的。
自由空間光通訊(FSO)技術是21世紀初被通訊界評價極高并重新認識和極力開發的一種固體紅外激光通訊技術，它被認為是21世紀全光網絡通訊主干網應用中的兩種主要信息傳輸方式，光纖通訊和自由空間光通訊(FSO)技術中的一種。并且從發展趨勢來看，二者將會從技術標準上統一起來，一起構成被認為是21世紀最理想的網絡狀態-無縫連接的新一代全光交換網絡。自由空間光通訊(FSO)之所以被人稱為“虛擬光纖”，其主要原因在于無線的形式，光纖的特性，可靠性高，安全性好，抗干擾性強，通訊速率潛力(帶寬)同光纖一樣。另外，固體紅外激光通訊采用紅外激光光束近似線形傳播，能量集中，一般功率都很小。幾乎不會受周圍環境或設備干擾也不干擾其他設備，尤其考慮安裝在列車上相鄰的兩車廂相對緊靠的車輛端部，發射與接收是近距離水平對視(約1m)，由于相距很近，甚至對光通訊影響最大的惡劣氣候-濃霧，對其通訊效果的影響也微乎其微。環境的影響主要考慮列車停靠和運行在灰塵和沙粒飛揚的站場或曠野上，一般情況下可以利用列車管風壓定時自動吹掃方法予以消除其影響即可。另外也可根據列車運行環境變化制定定期清潔粘性附著物制度來保證。利用自由空間光通訊技術構建的列車無線網絡通訊系統有著極高的可靠性和安全性，且支持大數據量的信息傳輸，目前技術下其所能提供的帶寬已達2.5G。在目前情況下既可支持數據、語音、視頻無壓縮方式的同時實時性傳播，同時由FSO設備為主構建的列車網絡還可支持升級到無電端-端光交換的全光網絡系統。也就是說，在列車無線網中傳輸的無論上行或是下行的數據，可不經機車或車輛子機的一級級轉發，即可在自由空間及有線光纖中直接全光傳播，數據傳輸的效率及可靠性更高。
發明內容本發明的目的正是為了克服在現有的長大鐵路貨物列車上不能實現多機車牽引、制動、緩解等同步控制及車輛狀態的實時檢測和預報的不足，利用自由空間光通訊(FSO)技術，提供一種列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態的實時監控系統。本發明基于列車車載無線自組網的網絡通訊平臺，并通過該平臺實現多機車牽引、列車制動、緩解指令向全列車系統指令的下達，以及通過該網絡平臺及時地將全列車車輛狀態信息數據及時反饋給機車乘務員。
本發明的目的可通過以下措施來實現本發明的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統包括設置在機車上的網絡中心站和設置在每節車輛上的網絡接點站；所述網絡中心站和網絡接點站均包括作為轉發及設備控制中心的DSP數字處理機、自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端、數據采集和執行部件和電源部分；所述自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端包括光收發信機A和光收發信機B，光收發信機A和B與DSP之間采用RS-485或高速USB串口或光纖連接；所述數據采集和執行部件中的數據采集部分包括負責對機車或車輛狀態的實時連續監測的風壓傳感器、熱軸傳感器、軸承傳感器、脫軌檢測器、輪緣踏面損傷探測器、數字攝像機，其網絡中心站的執行部件對補機主機主要是指根據本務主機傳輸的信息控制補機機車發揮出與本務機車牽引力或制動力特性相一致的控制部件(本務機車主機在身份被乘務員設置后，執行部件不發揮作用)，其網絡接點站的執行部件包括控制本車輛的制動、緩解的電空閥，該部分通過I/O端口與DSP連接；所述數據采集部件中的數字攝像機通過USB與DSP連接，其余部分皆通過A/D模數轉換器與DSP連接。
為了確保通訊系統的暢通，本發明在機車和每節車輛上均設置有附加無線通訊鏈路備份部分；所述無線通訊鏈路備份是由藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、紅外通訊(IrDA)設備、Wi-Fi Mesh自組網設備、GPRS通訊模塊中的任意一種設備構建而成；所述無線通訊鏈路備份設備采用USB串口與DSP相連接。
本發明中所述的DSP數字處理機、由藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、Wi-Fi Mesh自組網設備、GPRS通訊模塊中的任意一種構建而成的無線鏈路備份、以及電源部分均安裝在機車和每節車輛的底部中心位置；數據采集和執行部件安裝在各信號的采集和控制點；自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端分別安裝在車輛(機車)兩端車鉤部位的正下方的車體上，且都保證其在每節車輛(機車)上相對于地面軌道的水平和垂直位置一致。
本發明中由紅外通訊(IrDA)設備構建而成的無線鏈路備份設備的前端和后端分別安裝在車輛(機車)兩端車鉤部位的正下方的車體上，且都保證其在每節車輛(機車)上相對于地面軌道的水平和垂直位置一致。
更具體地講，本發明的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統利用自由空間光通訊(FSO)設備在機車上設立網絡中心站(稱主機)，并同時配置一套藍牙(Bluetooth)設備、無線USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、紅外通訊設備(IrDA)、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊等其中的任意一種作為通訊鏈路備份，在每節車輛上構建網絡接點站(子機)，并同時配置一套藍牙(Bluetooth)設備、無線USB(WUSB)設備、IEEE802.1x設備、紅外通訊設備(IrDA)、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊等其中的任一種設備作為通訊鏈路備份。無論主機或是子機的無線光鏈路通訊系統當在事先設置好的固定時間段內收不到來自另一臺FSO設備的聯絡信號后都將處于節能的休眠待機狀態，當列車編組連掛后子機檢測到列車管壓力達到定值時，自由空間光通訊鏈路系統取消休眠待機狀態，開始工作并等待呼叫。主機以本機車的機車編號作為網絡主機地址碼，而子機是將由鐵道部統一編碼的貨物車輛編號作為其子機地址碼。所有的FSO設備在每節車輛(或機車)上都采用背靠背安裝，點到點組網方式。
本發明通過構建的車載式無線光網絡通訊平臺，解決了困擾鐵路多年的長大貨物列車上不能實現同步牽引、同步制動、同步緩解等一系列的問題，同時，也極大地提升了貨車車輛的技術裝備水平，使我國貨車車輛長時間處于監測“盲區”的運用狀態工作的狀況，得到徹底改變。這樣，不僅在貫徹我國鐵路運輸“客運高速”，“貨運重載”的技術政策下，邁出了關鍵實質性的一步，同時，也將原本無電狀態下的貨車車輛，提升至一個完全智能化實時監控其狀態的信息化水平。對于提高鐵路貨物列車運能、運行速度、效率和行車安全性方面都具有極其重要的現實意義。
圖1是本發明的列車網絡系統組成及安裝方式。
該視圖給出了僅包含一臺機車和機后一位一輛的網絡構成形式舉例。
圖2為本發明中每節機車或車輛上的主機或子機系統構成框圖。
圖3為本發明的無線自組網網絡結構線形拓撲框圖。
圖中箭頭A表示列車的運行方向，其中“主-前”、“主-后”、“1#-前”、“1#-后“、“2#-前”、“2#-后”及“n#-前”、“n#-后”都表示光收發信機。
圖4為本發明的自由空間光通訊網絡的自組網過程程序框圖。
圖5為本發明中所稱FSO光通訊設備工作原理圖。其中光收發信機A和光收發信機B分別表示相鄰車輛的前后端安裝的兩臺互相通訊的FSO設備。
具體實施方式
本發明以下將結合實施例(附圖)作進一步描述本發明的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統利用公知的自由空間光通訊(FSO)設備在機車上設立網絡中心站(稱主機)(并同時配置一套由公知的藍牙(Bluetooth)設備、無線USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、紅外通訊設備(IrDA)、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊等其中的任意一種作為無線通訊鏈路備份部分)，同時利用公知的自由空間光通訊(FSO)設備在每節車輛上構建網絡接點站(子機)(并同時配置一套由公知的藍牙(Bluetooth)設備、無線USB(WUSB)設備、IEEE802.1x設備、紅外通訊設備(IrDA)、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊等其中的任意一種設備作為無線通訊鏈路備份部分)。
如圖2所示，本發明所稱網絡中心站(主機)和網絡接點站(子機)系統皆有五部分組成1、DSP數字處理機，該部分既為主機或子機的數據處理、轉發及設備控制中心，也可稱其為列車網絡的一個網絡節點；2、自由空間光通訊部分前端和后端分別指的是光收發信機A和光收發信機B，A和B與DSP之間采用光纖連接，當然也可采用RS-485或高速USB串口進行連接；3、無線通訊鏈路備份部分是由紅外通訊設備(IrDA)構成(所述無線通訊鏈路備份部分也可以是藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊中的任一種)，所述無線通訊鏈路備份部分采用高速USB串口與DSP連接；4、數據采集和執行部件，其中數據采集部分包括風壓傳感器、熱軸傳感器、軸承傳感器、脫軌檢測器、輪緣踏面損傷探測器、數字攝像機等設備負責對機車或車輛狀態的實時連續監測等，其網絡中心站的執行部件對補機主機主要是指根據本務主機傳輸的信息控制補機機車牽引、制動特性的控制部件，該部分通過I/O端口與DSP連接；其網絡接點站的執行部件包括控制本車輛的制動、緩解電空閥，該部分通過I/O端口與DSP連接；其中數據采集各部件除數字攝像機外皆通過A/D模數轉換器與DSP連接，數字攝像機則通過USB連接DSP；5、電源部分，指的是為主機或子機系統工作提供電力的電源部分。
如圖1、3所示，DSP數字處理機及電源部分安裝在每節車輛(或機車)的底部中心位置；數據采集和執行部件安裝在各信號的采集和控制點；自由空間光通訊(FSO)設備和作為無線鏈路備份部分的紅外通訊設備(IrDA)的前端和后端均分別安裝在車輛(或機車)兩端車鉤部位的正下方的車體上且都保證位置在每節車輛(或機車)上相對地面軌道的水平和垂直位置一致。
本發明中的無線鏈路備份部分也可采用套藍牙(Bluetooth)設備、無線USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、Wi-Fi Mesh設備、GPRS通訊模塊等其中的任意一種，由上述設備中的任意一種構成的無線鏈路備份部分安裝在安裝在每節車輛(或機車)的底部中心位置處。
本發明的工作原理如下第一種情況，考慮全列車單機車牽引，當機車與編組車輛連掛后通訊自組網時，已處于工作狀態的機車主機通過“主-后”FSO設備首先呼叫機后1位車輛的“1#-前”FSO設備，機后1位車輛子機回傳機車“收到”信息，同時1位車輛子機對本機“列車編組數量寄存器”和“編組位置寄存器”加“1”，然后通過1位車輛的“1#-后”FSO設備再呼叫機后2位車輛的“2#-前”FSO設備，2位子機通過“2#-前”FSO設備回傳1位車輛“收到”信息，2位子機并將“列車編組數量寄存器”和“編組位置寄存器”加1，該信息再后傳給機后3位車輛FSO設備…，直到末尾車輛。末尾車輛FSO設備由于收不到“收到”信息，就將本車的“列車編組數量寄存器”和“編組位置寄存器”值作為“列車編組數最大值”信息逐次回傳到機車主機，主機收到該“列車編組數最大值”后，與乘務員開機后預先輸入設備中的“列車編組數”比較，確定正確與否，如正確，說明全列車自組網完成，且驗證了列車無線自組網絡設備-切正常。當數據被驗證不正確時，有以下幾種情況1、傳回值n＜實際編組值N傳回值正好說明是機后第n位車輛“n#-后”FSO設備故障或第n+1位車輛通訊鏈路或設備故障，可通知地面人員及時檢查處理。
2、傳回值n＞實際編組值N說明末尾車輛后同股道內近距離處有本列車編組外的機車或車輛停留，機車主機的處理方法是本列車主機從網絡中排除超過N值的所有機車或車輛。
第二種考慮多機車牽引情況，與第一種情況類似，首先，作為本務機車的主機呼叫機后車輛子機并完成自組網過程中，當組網連接到補位機車時，既告第一網段結束。補位機車一方面向本務機報告“收到”，同時再向補位機車機后編組車輛作呼叫和自組網工作。依次類推，對于超長多機車牽引的重載貨物列車也可方便完成自組網編組和網絡設備故障檢測。
如圖4所示，列車通過自組網網絡編組后，至下次解體重新編組前的一段時期內，該列車的網絡結構組成及機車主機的控制和監測對象就確定下來。在該網絡編組系統中傳輸的數據按性質分成兩種類型一種是下行數據，指的是由機車主機向機后至補機機車/末尾車輛間的所有車輛及補機機車傳遞的數據，一般該數據包括組網命令數據、列車牽引、制動、緩解指令數據、定時網絡狀態自檢命令數據等。另一種是上行數據，一般指的是網絡定檢結果回復數據、機后車輛技術狀態的各種檢測數據等。
在通常情況下，列車編組完成并且組網成功后，自由空間光通訊部分(FSO)一切都處于正常工作狀態下，應用光通訊系統傳輸信息，只有當兩個相鄰的車體間光鏈路中斷時(當呼叫端光收發信機設備聽不到回應時即判定為光鏈路中斷)，那么相鄰的兩車體的車載無線通訊鏈路備份部分備份自動啟動投入工作并同時向機車主機傳送主通訊鏈路故障信息。
本發明中所述的無線通訊鏈路備份(除IrDA設備外)僅在列車網絡編組后的運行途中才會啟動工作，在列車運行途中自由空間光通訊部分(FSO)設備定時自檢，當發現某相鄰兩車體間FSO設備聯絡異常(比如蓬布垂落遮擋光線或FSO設備出現損壞不能正常通訊時，相鄰兩車體的DSP處理器自動開啟備份鏈路設備投入工作，并向機車主機發送機后第幾位車體和第幾位車體之間主鏈路故障、且備用無線通訊鏈路備份部分已投入工作信息；如果，在一個網絡定檢周期后，機車主機收到機后某位車體發回聯絡信息為“中斷”和列車管壓力值時，此時，應立即通知副司機向后了望并分析列車管壓力值是否正常，以確定到底是發生車體斷鉤或是子機系統損壞，以便采取相應措施。由于無線通訊電磁鏈路備份設備只在FSO設備發生故障的兩車體間啟用，故對啟用的無線電磁鏈路備份設備來說，僅在有限的時間段內和極少量備份設備投入工作，所以其所受干擾的幾率將很低。
本發明中所述的紅外通訊(IrDA)設備作備份時，主要考慮的是IrDA設備可在列車編組連掛完成時，具有代替FSO設備實現列車自組網功能，自組網方法同FSO設備一樣。但IrDA設備的缺點是，1、在室外環境下容易受太陽光的干擾，所以不適合用于要求系統長時間穩定、可靠的通訊場合；2、在于IrDA設備所使用的紅外發光管是一種不耐用的器件，一旦在器件長時間工作發熱后，很容易損壞。
權利要求
1.一種列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統，其特征在于它包括設置在機車上的網絡中心站和設置在每節車輛上的網絡接點站；所述網絡中心站和網絡接點站均包括作為轉發及設備控制中心的DSP數字處理機、自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端、數據采集和執行部件以及電源部分；所述自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端包括光收發信機A和光收發信機B，光收發信機A和B與DSP之間采用光纖或RS-485或高速USB串口或普通網線連接；所述數據采集和執行部件中的數據采集部分包括負責對機車或車輛狀態的實時連續監測的風壓傳感器、熱軸傳感器、軸承傳感器、脫軌檢測器、輪緣探測器、數字攝像機，其網絡中心站的執行部件對補位機車主機主要是指根據本務主機傳輸的信息控制補位機車發揮出與本務機車牽引及制動特性相一致的部件，其網絡接點站的執行部件包括控制本車輛的制動、緩解電空閥部分，該部分通過DSP處理機系統的I/O端口與之連接；所述數據采集和執行部件部件中的數字攝像機通過高速USB串口與DSP連接，其余數據采集傳感器部分皆通過A/D模/數轉換器與DSP連接。
2.根據權利要求1所述的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統，其特征在于在機車和每節車輛上均設置有附加無線通訊鏈路備份部分；所述無線通訊鏈路備份是由藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、紅外通訊(IrDA)設備、Wi-Fi Mesh自組網設備、GPRS通訊模塊中的任意一種構建而成；所述無線通訊鏈路備份設備采用USB串口與DSP連接。
3.根據權利要求1或2所述的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統，其特征在于DSP數字處理機、由藍牙(Bluetooth)設備、無線寬帶USB(WUSB)設備、IEEE802.xx設備、Wi-Fi Mesh自組網設備、GPRS通訊模塊中的任意一種構建而成的無線鏈路備份、以及電源部分均安裝在機車和每節車輛的底部中心位置；數據采集和執行部件安裝在各信號的采集和控制點；自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端分別安裝在車輛(機車)兩端車鉤部位的正下方的車體上，且都保證其在每節車輛(機車)上相對于地面軌道的水平和垂直位置一致。
4.根據權利要求2所述的列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統，其特征在于由紅外通訊(IrDA)設備構建而成的無線鏈路備份設備的前端和后端分別安裝在車輛(機車)兩端車鉤部位的正下方的車體上，且都保證其在每節車輛(機車)上相對于地面軌道的水平和垂直位置一致。
全文摘要
一種列車車載無線自組網絡通訊及列車狀態實時監控系統，它包括設置在機車上的網絡中心站和設置在每節車輛上的網絡接點站；所述網絡中心站和網絡接點站均是由作為轉發及設備控制中心的DSP數字處理機、自由空間光通訊部分(FSO)設備前端和后端、數據采集和執行部件及電源部分；所述自由空間光通訊部分(FSO)包括光收發信機A和光收發信機B；所述數據采集和執行部件中的數據采集部分包括負責對機車或車輛狀態的實時連續監測的風壓傳感器、熱軸傳感器、軸承傳感器、脫軌檢測器、輪緣踏面損傷探測器、數字攝像機等，其執行部件包括控制補機機車發揮出與本務機車牽引、制動特性相一致的部件，對車輛子機來講，指控制本車輛的制動和緩解的電空閥等。
文檔編號H04B17/00GK1710841SQ20041001034
公開日2005年12月21日 申請日期2004年6月16日 優先權日2004年6月16日
發明者鄭樂觀, 張安全, 王長青, 高志生, 杜艷齊 申請人:鄭州捷安網絡科技開發有限公司