李 伟，王 剑，蔡伯根，上官伟

（1. 北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；

2. 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室， 北京100044）

利用车载设备进行列车自主完整性检查即检测列车在运行中有无分离现象，是列控系统的重要功能之一，对于保障铁路运输安全具有重要意义[1]。目前国内大多采用监视列车尾部风压的方法。由于列尾装置检测部件单一，抗干扰能力差，一旦发生故障，容易造成虚警或漏警，影响列车的行车安全和行车效率[2~3]。

随着GSM-R和GPS等先进技术在铁路领域的广泛应用，为提高完整性监测系统的可靠性，本文结合目前的列尾装置，增加GPS定位模块和加速度传感器，基于多传感器信息融合技术进行完整性监测，通过GSM-R网络将多传感器信息传输到地面监控服务器，各监控计算机可以实现资源的共享。

1 系统总体架构

1.1 系统组成

本系统由车载设备与地面设备组成。系统结构如图1。

图1 列车完整性监测系统结构图

车载设备包括列尾终端设备（EOT）和车头终端设备（HOT），由GPS定位模块、GSM-R无线通信模块、加速度信息采集模块、风压信息采集模块，数据存储模块组成。地面设备包括控制中心服务器端和客户端。

控制中心服务器接收多传感器数据信息，监测列车的完整性状态，并将相应数据信息转发到车载设备及客户端。车载设备与控制中心服务器端采用GSM-R方式完成双向通信，客户端通过局域网或广域网访问控制中心服务器，实现数据资源共享。

1.2 系统工作原理

列车在运行过程中，车载终端采集多传感器数据信息，基于GSM通信模块，将多源数据信息传输到控制中心服务器。

控制中心服务器通过监测列车尾部风压、比较列车头部与尾部的加速度及GPS定位测量车长的方法，进行决策级信息融合，综合判断列车的完整性状态，并将状态信息转发至车载终端。车载终端将状态信息传输至司机控制盒，实现列车状态显示及语音播报。也可根据需求向车载终端发送控制命令，如设定传感器信息采样频率等，实现远程控制车载终端的工作状态。

客户端通过局域网或广域网访问控制中心服务器，根据权限调用数据库中的数据，并以图、表、曲线等可视化形式表现给用户，并提供管理员客户对数据的处理与分析功能。

2 关键技术分析

2.1 车载终端设计

2.2.1 车载终端硬件设计

车载终端硬件由微控制器ARM7, GPS模块，通信模块，加速度计模块等组成。车载终端包含以下功能：

（1）采集GPS、加速度、列尾风压数据信息；

（2）记录多传感器数据，建立列车运行日志；

（3）通信功能；

（4）工作状态显示；

（5）提供人机调试接口。

在车载终端硬件结构中，微控制器ARM7是整个车载终端的核心。本文选用AT91SAM7S256芯片，它是基于ARM7TDMI的高性能32 bit RISC微控制器，具有64 KB内部RAM，256KB片内flash。该处理器接口可以实现不同传感器信息的采集，并为传感器部分的扩展提供很大的方便。

无线通信单元使用EM310模块，该模块性能稳定，支持GSM标准的AT指令，还附带有功能强大的自有命令。模块内部有TVS管，防止出现烧卡现象。在本设计中无线通信单元负责与主控中心进行通信，实时地向主控中心上传数据信息并且接受主控中心的控制命令。

GPS接收机选用Super Star II，它是一款并行12通道单频导航型GPS接收机板卡。通过RS-232串口输出导航定位的解算结果，可输出精度为50 ns的PPS信号。

加速度计单元使用SCA3000三轴加速度传感器，它采用SPI数字串口通信，具有64组缓冲存储器记录数据，采用先进的硅电容技术，具有能耗低，过载能力强，外围电路简单等特点，易于集成到各种应用当中去。

为了建立列车运行日志，系统工作时需要保存各传感器采集的数据信息。对列车运行日志的记录采用SD卡来实现。处理器通过SPI方式对SD卡进行读写操作。

2.2.2 车载终端软件设计

本设计在ARM7上移植了嵌入式实时操作系统μC/OS-II，通过任务的方式实现事件的同步处理，在设计时需要把所处理的事件分为多个任务，包括初始任务、GPS解析任务、GPRS数据发送任务、SD卡信息存储任务等。

本设计采用多个信号量进行任务间通信，完成各个传感器信息的采集、记录以及与控制中心的信息交互。在起始任务里进行各种任务的初始化及创建。

2.2 通信技术设计与实现

采用GSM-R无线通信技术实现地面控制中心与车载终端信息双向传输。

车载终端通信模块建立与GSM-R网关的PPP连接，获得IP地址，并负责链路的维护与检测工作，如果链路出现故障就要自动发起重新建链请求，无法建立的时候要进行报警并进入保护运行状态。

车载终端数据信息按照数据通信协议格式通过无线方式传送到GSM-R基站，经过GSM-R网络将信息传到调度中心的通信服务器，再把信息给GSM-R无线交换中心。无线交换中心依照数据通信协议，采用调度中心局域网，按信息分类、用户需求、信息格式、用户地址，依照数据通信协议把信息传送给地面控制中心服务器，数据处理后传给车载的信息以同样的方式反馈给车载嵌入式终端。客户端通过局域网或广域网访问控制中心服务器，根据权限调用数据库中的数据。

2.3 多传感器信息融合技术

多传感器信息融合技术充分利用多个传感器资源，通过合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述[4~5]。OODA控制环即观测、定向、决策、执行环，在信息融合系统中极具代表性。本系统设计通过引入OODA环的模型，建立基于信息融合的列车完整性监测系统模型。

信息融合主要有3种方式[6]，分别是数据级、特征级和决策级融合。列车完整性监测系统的信息融合采用决策级融合。利用监测列车尾部风压、比较列车头部与尾部的加速度及GPS定位测量车长的方法分别实现列车的完整性监测，单个传感器的本地决策传送到融合中心，它融合来自每个传感器的决策，产生总的目标决策，监视列车的完整性状态。

2.4 地面设备软件设计与开发

控制中心服务器端包括通信控制器和数据库服务器。服务器端的软件强调数据显示功能，后台运行的SQL数据库，提供了数据查询和发送设置界面。

通信控制器调整接收数据的包容量，并且按照优先级对数据进行排队，根据通信协议对数据包进行解码并转发给数据库服务器。数据库服务器接收并保存通信控制器发出的数据，接收用户通过查询和设置命令，完成相应的操作。另外，添加防火墙和身份验证，防火墙仅开放服务器正常运行时数据传输端口，身份验证采用设备编号、用户编号与密钥结合的方式，保证系统的安全稳定运行。

控制中心服务器端软件数据处理，首先对采集的各个传感器的信息进行解析、滤波处理以及时标匹配，然后再进行决策级的信息融合，完成列车完整性的判断。列车完整性监测系统数据处理流程如图2。

3 系统实现及验证

图2 列车完整性监测系统数据处理流程图

图3 基于GPS测距的车长测量结果

图4 模拟列车分离时车长测量结果

试验采用2辆汽车前后相距一段距离行驶模拟机车和列尾的活动。重点测试利用GPS测量车长的方法。2辆汽车间隔一定距离即为模拟列车长度。本实验设计为1 500 m，利用车载终端GPS定位测量车长的结果如图3。

设计2辆汽车以相同速度行驶一段时间后，后车自然减速模拟列车分离的过程，图4为该过程的车长测量结果，预设车长为1 500 m。

测试结果表明，利用GPS定位测算列车长度能够直观的显示列车完整性情况，如果发生列车分离事故，根据GPS接收机提供的位置信息，可以及时显示出事故的发生地点。同时结合加速度比较法及监测列尾风压法，进行列车完整性的综合决策。

地面控制中心通过无线GSM-R网络接收车载终端传感器数据信息，对多源数据进行解算、分析，实时显示列尾风压，列车长度信息，有效监控列车完整性状态。

4 结束语

本文应用多传感器技术，设计了GPS定位模块、风压传感器和加速度传感器相结合的列车完整性监测系统。通过GSM-R网络实现车地双向通信，系统通过融合多源信息，综合监测列车完整性状态，各监控计算机可以实现资源共享，提高了完整性监测系统的可靠性。目前系统的设计和各模块的功能测试已经完成。测试结果表明该系统能够有效监控列车分离，具有较高的应用价值。

[1] 周冬苏，全球定位列车压控列尾尾部装置国产化的研制[D] . 上海：上海交通大学，2007.

[2] Roel Westenberg, Manfred Schoemaker. Sensing Train Integrity[C] //the Netherlands. IEEE SENSORS 2009 Conference.

[3] 王树珂，蒋大明. 加速度传感器在列车完整性监测系统中的应用[J] . 铁路计算机应用，2007，16（12）：31-34.

[4] 陈晓乾，王剑，蔡伯根. GPS在列车完整性检查中的应用研究[J] . 北京交通大学学报，2006， 30（2）：69-75.

[5] 刘洪志. GPS辅助列车完整性检查的算法研究与实现[D] .北京：北京交通大学，2008.

[6] 惠怀志. 列车组合定位系统中信息融合算法的研究[D] . 北京：北京交通大学，2008.