機車運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

崔明朗，錢雪軍

（同濟大學 電氣工程系，上海 200331）

機車運行安全是當今鐵路發(fā)展的重中之重，本文針對機車運行的特點，提出了一種機車運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，以實現(xiàn)機車運行過程中實時狀態(tài)信息的遠程監(jiān)控。主要研究內容包括：機車在三維虛擬場景內的模擬運行、機車視頻監(jiān)控，機車工況信息展示。

1 系統(tǒng)總體功能

1.1 系統(tǒng)模塊組成

機車運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）的主要功能是將各類傳感器采集到的機車定位數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)（包括機車前方視景視頻以及車內視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)）、機車工況信息數(shù)據(jù)，通過3G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控展示中心，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的綜合展示。整個監(jiān)控系統(tǒng)主要由機車車載終端、網(wǎng)絡通信設備和監(jiān)控展示中心3大模塊組成，如圖1所示。

機車車載終端是整個監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和預處理功能。采集數(shù)據(jù)包括機車視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)、機車工況數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是將各類采集數(shù)據(jù)轉變成能在網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式。

圖1 系統(tǒng)結構

網(wǎng)絡通信設備是系統(tǒng)信息傳輸?shù)妮d體，也是系統(tǒng)實時性和可靠性的重要保障。考慮到機車運行過程中運行區(qū)間較大，運行速度較快等特點，系統(tǒng)采用3G無線網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的通信設備，其主要功能是將實時數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控展示中心。

監(jiān)控展示中心主要由中心服務器和展示2大部分組成。中心服務器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的接收、解包、還原、校正等操作，展示模塊主要實現(xiàn)監(jiān)控視頻和機車工況信息的展示，同時根據(jù)機車的定位數(shù)據(jù)實現(xiàn)機車在三維虛擬場景內的模擬運行。監(jiān)控展示中心的軟件組成主要包括機車運行跟蹤定位軟件、視頻監(jiān)控展示軟件、機車三維虛擬場景軟件、機車工況展示軟件4部分。

1.2 系統(tǒng)層次架構

系統(tǒng)的層次架構主要由數(shù)據(jù)信息采集層、數(shù)據(jù)信息傳輸層、數(shù)據(jù)信息處理層和機車運行狀態(tài)展示層4個層次組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次架構

數(shù)據(jù)信息采集層主要由安裝在機車上的各類傳感器組成，該層能對機車運行時的視頻數(shù)據(jù)、途經地理位置經緯度坐標數(shù)據(jù)、工況信息（如行駛速度和時間）等相關信息進行采集。將采集到的數(shù)據(jù)傳入到機車車載終端，通過數(shù)據(jù)信息傳輸層傳到數(shù)據(jù)信息處理層，數(shù)據(jù)信息處理層對接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理后，啟動機車運行狀態(tài)展示層的機車運行跟蹤定位軟件、視頻播放展示軟件、機車三維虛擬場景軟件以及工況信息展示軟件，在監(jiān)控展示中心實時展示當前機車運行的各種狀態(tài)信息以及監(jiān)控視頻。達到對機車的運行狀態(tài)進行實時跟蹤定位、展示、觀察的目的。

2 機車車載終端的設計

車載機車車載終端裝置主要包括車載主控單元、各類數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GPS定位模塊、通信終端設備等。

2.1 機車車載終端的硬件結構

機車車載終端從硬件結構上可以分為5個部分，分別為采集機車工況信息的LKJ2000，采集機車視頻信息的USB攝像頭，采集機車定位信息的IT500GPS，連接網(wǎng)絡的3G通信模塊以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制核心eKINO-945GSE工業(yè)主板，其硬件框圖如圖3所示。

圖3 車載終端硬件結構框圖

終端的數(shù)據(jù)處理和控制核心采用eKINO-945GSE工業(yè)主板，CPU為Intel? Atom? N270 1.6 GHz ，支持超低電壓無風扇，功耗較小。主板工作時能接受寬范圍9 V ～28 V 的直流輸入，非常適合機車上工作時電壓不穩(wěn)定的情況。該主板具有非常豐富的外設接口，擴展較為方便。該設備主要負責控制各個采集設備，并對采集數(shù)據(jù)進行預處理和網(wǎng)絡打包。

定位信息的采集選用 Fastrax IT500GPS 接收模塊，該模塊在非?？量痰膽弥幸材軐崿F(xiàn)高性能的導航，在較惡劣的 GPS 衛(wèi)星可見度環(huán)境下也能穩(wěn)定定位。 冷啟動靈敏度（-148 dBm）使得它在其他模塊不能定位的環(huán)境中也能捕獲衛(wèi)星并開始導航。該設備主要用來采集機車途經地理位置經緯度坐標數(shù)據(jù)。

USB攝像頭采用CMOS傳感器的奧尼AONI，其硬件像素為30萬，軟件像素為200萬，默認視像解像度為640×480。它采用的是標準USB2.0接口，圖像傳輸速率高達30幀/s，高清全玻璃鍍膜鏡頭，通光率提高100%。 該設備主要用來采集機車的視頻信息。

國內以LKJ2000型為主體的機車運行監(jiān)控記錄裝置已基本上在全路各種類型的內燃機車、電力機車上安裝使用。終端采用LKJ2000機車的監(jiān)控數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)工況信息的來源。

網(wǎng)絡設備采用的是E220聯(lián)通3G上網(wǎng)卡，E220是一個即插即用的便攜式上網(wǎng)卡，產品尺寸較小，可以使終端接入3G無線網(wǎng)絡。

2.2 機車車載終端的軟件組成

機車車載終端是一個嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)劣在于嵌入式操作系統(tǒng)的選取。嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。它是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協(xié)調并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。目前在嵌入式領域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及應用在智能手機和平板電腦的Android、iOS等。

本系統(tǒng)的軟件是基于Windows XP Embedded（XPE）操作系統(tǒng)設計的，系統(tǒng)整體的軟件結構如圖4 所示。在XPE操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件主要分為驅動程序和應用程序2個部分。其中驅動程序部分包括網(wǎng)卡驅動，顯卡驅動，主板驅動和其他接口驅動等；應用程序部分包括各類數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)傳輸程序和系統(tǒng)通信程序。

圖4 機車車載終端總體軟件結構圖

3 通信接口設計

監(jiān)控展示中心和機車車載終端建立的是面向連接的Socket通信。在這一過程中，機車車載終端將采集到的機車實時狀態(tài)信息傳輸給監(jiān)控展示中心，監(jiān)控展示中心對數(shù)據(jù)進行接收、解析、校正、處理等一系列的操作。通信協(xié)議采用的是面向連接的數(shù)據(jù)流TCP協(xié)議，收發(fā)雙方按照協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)包結構進行統(tǒng)一的封裝和解析。

根據(jù)連接啟動的方式以及本地Socket要連接的目標，Socket之間的連接過程可以分為3個步驟：監(jiān)控展示中心監(jiān)聽，機車車載終端請求，連接確認。在連接成功時，應用程序2端都會產生一個Socket實例，操作這個實例，完成所需的會話。系統(tǒng)的監(jiān)控展示中心端為服務器端，機車車載終端為客戶端。

機車車載終端和監(jiān)控展示中心進行Socket通信的過程如下：監(jiān)控展示中心監(jiān)聽，機車車載終端請求，連接確認。

監(jiān)控展示中心監(jiān)聽：是監(jiān)控展示中心端Socket并不定位具體的機車車載終端Socket，而是處于等待連接的狀態(tài)，實時監(jiān)控網(wǎng)絡狀態(tài)。

機車車載終端請求：是指由機車車載終端的Socket提出連接請求，要連接的目標是監(jiān)控展示中心端的Socket。為此，機車車載終端的Socket必須首先描述它要連接的監(jiān)控展示中心的Socket，指出監(jiān)控展示中心端Socket的地址和端口號，然后向監(jiān)控展示中心端Socket提出連接請求。

連接確認：是指當監(jiān)控展示中心端Socket監(jiān)聽到或者說接收到機車車載終端Socket的連接請求，它就響應機車車載終端Socket的請求，建立一個新的線程，把監(jiān)控展示中心端Socket的描述發(fā)給機車車載終端，一旦機車車載終端確認了此描述，連接就建立好了。而監(jiān)控展示中心端Socket繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他機車車載終端Socket的連接請求。在通信過程中，地面監(jiān)控展示中心可以隨時向機車車載終端發(fā)送停止數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱螅瑱C車車載終端作出相應處理并釋放資源。其工作流程如圖5所示。

圖5 面向連接的Socket操作流程

4 監(jiān)控展示中心軟件組成

4.1 機車運行跟蹤定位軟件

機車運行跟蹤定位軟件在和機車車載終端建立通信連接后，對機車車載終端傳輸?shù)膶崟r狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進行分析處理，以實現(xiàn)機車實時定位信息在三維電子地圖上可視化呈現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給視頻監(jiān)控軟件以啟動視頻播放展示。該部分軟件是在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，使用OpenSceneGraph驅動Creator創(chuàng)建的三維機車模型在三維虛擬場景的實時模擬運行。

4.2 視頻播放軟件

視頻播放軟件與機車運行跟蹤定位軟件通信連接后，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)視頻文件的自動播放及其他輔助展示功能等。其中，視頻文件由安裝在機車上的數(shù)字攝像機獲得。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，基于多媒體數(shù)據(jù)處理平臺DirectShow，采用面向對象編程方式開發(fā)。

4.3 機車三維虛擬場景軟件

機車三維虛擬場景軟件主要實現(xiàn)三維虛擬場景（包括機車、軌道、城市、鐵路沿線的平原和山脈等）的繪制和展示以及簡單的三維分析功能等。使用Creator建模軟件并利用Visual C++2005和OpenSceneGraph API實現(xiàn)課題中需要的虛擬場景。

4.4 機車工況信息展示軟件

機車工況信息展示軟件主要實現(xiàn)機車工況信息的實時呈現(xiàn)。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，應用對話框技術進行開發(fā)。

5 結束語

本文提出并設計了一種基于嵌入式和網(wǎng)絡技術的機車運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高速發(fā)展的嵌入式技術為核心，結合網(wǎng)路通信技術和流媒體技術，為當今的機車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種解決方案。

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