基于光纖的鐵路通信自動監測系統設計

邵玉華

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 132001）

0 引言

當前我國在鐵路通信自動監測方面的技術水平不高[1]，這與我們這個人口超級大國鐵路作為主要交通工具的通信及安全需求極不相稱。隨著我國動車組的不斷加入，列車的運行速度也越來越快，目前我國鐵路列車運行時速最高已達380km/h，這么高的運行速度帶來的必然是高安全性要求，尤其是作為鐵路命令傳達的通信系統的安全性備受關注，特別是作為通信支撐的主干光纖的可靠性。如果鐵路的主干光纖出現問題，則整個鐵路通信系統必將陷入癱瘓。這就要求鐵路通信監控部門能夠及時了解到整個鐵路通信的實時狀態，及時發現潛在的問題并及時消除。本文就是在這個背景下對目前的鐵路通信系統的薄弱環節進行了探討，重點設計了針對這些環節的通信自動監測系統。

1 自動監測系統的方案設計

鐵路的通信系統可以看成兩部分：作為節點的列車和車站調度部分與將各個節點進行串聯的光纖部分。要設計鐵路自動監測系統必須考慮到這兩方面的因素，因此本監測系統的方案設計主要包括兩個部分，其一是作為通信載體的光纖自動監測系統，其二是光纖通信管理的自動監測。

1.1 鐵路光纖系統自動監測方案

光纖系統的自動監測部分的設計是以監測主干網絡的光纖狀態為主，光纖部分的監測端口主要分為兩部分，分別是監測站和接收站。監測站為發出測試光纖安全性的測試光信號的站點，接收站為測試信號通過需要被測試的光纖后被接收處理的站點。在測試中還有阻止光纖測試信號前行的站點，叫做端站。在整個自動監測系統中我們設計了管理站點，這個站點的設立能夠對各個監測站及接收站進行實時數據采集，同時控制監測站的信號輸出頻率和信號類型。在整個鐵路的沿線上分布著一系列通信站，在我們所設計的光纖自動監測系統中將監測站直接設置在這些通信站中。我們所采用的監測站在有效監測距離上要求大于10千米，能夠同時對光纖的上行通信數據和下行通信數據進行監測。在監測站的測試光信號發出端設置了光分波合波裝置，而在接收站部分設置了光濾波器。監測距離的計算公式如下面的式（1）所示[2]。

式中，L為整個鐵路通信系統光纖自動測試部分能夠監測的光纖的有效長度；P為光纖監測站和系統控制部分的有效指標；Ac為介入損耗，指的是光纖監測控制單元、光路切換，光耦合單元等介入損耗的總和；Mc為光纖監測及控制部分測試設備的動態范圍的富余度；A為測試指標與實際測試狀態的動態范圍的差值；As為光纖平均衰減系數； 為光熔接接頭平均衰減系數。本公式計算長度為理想距離，考慮到實際情況中的各種損耗因素，該距離在計算完成后需要預留4 8Km的余量。

本光纖自動監測系統的軟件設計將與后面設計的節點監測系統的軟件設計集成到一起，因此在本小節中僅對其硬件設計進行相關探討。我們設計的硬件模塊主要包括光開關控制模塊、智能控制模塊、組網通信模塊、電源模塊、管理測試模塊及光耦合模塊等。其中切換光路的任務由光開關模塊來完成，智能控制模塊的作用是與光開關模塊進行連接，其能夠提供標準的監測接口。管理測試模塊主要包括管理主機、打印機、中心組網通信模塊等部分。光耦合單元的作用是使測試光波跨過通信站繼續監測下一段光纖,或使測試光波到達某通信站即停止不再前行。跨接站在光纖監測系統中是使測試光波跨過通信基站繼續監測下一段光纖[3]。當發現目前的某光纖出現通信阻塞或者其流量突然不正常，如出現流量大增，數據規模急劇升高等現象時，該監測系統能夠立即發出告警信息，當這種光纖通信網絡受到突然的破壞而控制人員無法及時作出判斷時，本自動監測系統能夠與自動控制系統直接取得聯系，將被破壞部分的光纖通信轉到臨近的光纖網絡中進行傳輸。

本光纖通信測試部分的測試分為定時測試、連續測試和立即測試三種模式。由于鐵路運行的時間延續性特點存在，即每時每刻都有列車在鐵路上運行，這就要求我們的監測系統具有較好的實時性。本自動監測系統以數據庫為核心，在圖形界面方面以 Windows NT為主控制界面。系統的用戶圖形終端采用Windows NT平臺，這樣就能保證一致性強、易于操作和管理。由于列車具有規定路線行駛的特點，因此一次做成的地圖可以有效的對行駛在鐵路上的列車實施監控。本系統的監測分為三級，其中一級部分只有一個，兩級部分有若干個，三級部分是監測站，具有成千上萬個。本系統的監測功能以實現鐵路局級通信監測維護為主要目標，設有遠程訪問端口，能夠實現遠程訪問與控制。系統可以提供告警和作業流程管理工具，能夠實現可靠的系統訪問安全控制，同時還可以提供線路維護、地理信息、統計報告等詳細的報表。

1.2 鐵路通信自動監測系統節點部分設計

本系統設計之初確定了系統的設計目的為鐵路調度、列車行車及整個鐵路通信監測系統服務。設計的原則主要包括高可靠性、可實時擴展、性能穩定、具有升級接口、操作簡單、維護方便等。本部分為通信監測系統中的管理系統，該部分對于光纖通信中的自動監測的信息進行管理與調度，完成其監測的最終目的。本節點部分的設計在模塊上主要包括通信接口部分、計算機處理部分以及人機界面部分，下面分別對這幾部分進行相關探討。

通信接口的設計在自動監測系統的設計中占有很大的比例，其主要作用是連接系統的各個模塊，使各個模塊能夠合理地進行功能分配。節點部分作為通信方面的主體和系統控制方面的分系統，其主要功能有狀態的實時顯示、通信的有效完成、人機對話、系統性能參數的測試與控制、后臺數據庫鏈接與支持等。要同時完成這些功能，控制核心必須具備較強的多任務處理能力，在這里我們采用多線程動態控制策略。因為在系統運行期間需要將所有的進程進行在線等待，一旦某方面需要能夠及時進行處理，這樣就會造成多進程爭搶CPU和系統內存的狀況，因此我們針對這一要求，采用動態監測和實時分配的策略，當某個進程僅僅處于掛起狀態而不是有效狀態時就將其所占用的資源自動分配給其他正在進行信息處理的進程，對該掛起進程僅僅在間隔一定的時間后重復進行查詢，看是否有任務需要其處理，如果有則重新為其分配資源。這樣就可以最大限度的利用CPU的處理能力[4]。

1.3 鐵路光纖通信自動監測系統軟件設計

本部分的軟件設計主要包括作為載體-光纖自動監測的軟件設計和作為節點的列車控制室和車站調度室的綜合管理部分軟件設計。在我們的軟件的設計平臺中采用的是VC++語言，其具體的主程序流程圖如圖1所示。

從圖中可以看出，本系統的軟件流程具有一定的反饋功能，首先是程序進行初始化，然后各個監測模塊開始運轉對系統狀況進行實時監測，并將監測的數據通過光纖同時傳到近處的控制節點和遠處的總控制系統，如果顯示一切正常，則系統不斷地進行狀況數據采集與實時顯示，若系統中光纖傳輸部分或節點通信部分出現問題，則及時啟動問題處理模塊，這個模塊的啟動分兩種情況，一種是有人控制的較嚴重問題的處理，另一種是實時的處理，如某光纖的信息傳輸負荷太高，則系統自動將某些信息轉移到別的光纖路徑進行傳輸，如果一切恢復正常則系統繼續以在線監測和實時顯示為主。

圖1 主程序流程圖

2 鐵路通信自動監測系統的仿真實驗及分析

在進行完簡單的軟硬件設計后，我們對其進行了仿真實驗，以此來驗證系統的有效性。光纖沿鐵路鋪設，其徑路比較明確，由于鐵路有準確的里程和明顯的里程標，因此對埋設其旁的光纖來說這些設備是天然的坐標軸，能夠為定位光纖起到很好的參照作用[5]。我們的系統在測試的過程中并不將這些定位系統加入，而僅僅將這些坐標作為驗證我們的系統有效性的依據。

在仿真過程中將系統接入到整個光纖網絡中，測試人員通過節點遠程顯示系統來掌握整個光纖通信監測網絡的狀態，并根據系統中的嚴重破壞或網絡阻塞狀況對系統進行硬件修復或信號轉發。我們進行了三組測試，測試的具體設置為：采用五根100m到500m不等的光纖網絡連接五個代表列車控制室和車站調度室的節點，在其中某一節點上設置我們所設計的自動監測系統，通過人為的破壞模擬正常情況下的光纖、節點通信問題。以顯示設備上的顯示結果為依據，使其與實際的操作進行比較。

通過一系列測試，我們得到了相關的測試數據。進行的三次測試中兩次為光纖本體的破壞，一次為節點的破壞，通過擬合平均，我們得到的自動監測數據與實際的距離破壞誤差為1.2%。

通過分析可知影響測試誤差的原因有四個：1）光纖長度與光纖皮長不同。由于光纖制造長度有限，因此在一個增益段內需要接續，而每一個接頭需將兩端的光纖外護套開剝1m，這樣光纖就會比光纖皮長多2m。如果接頭多則累計的偏差會更大。考慮到光纖在敷設工程中承受拉力和側壓力應盡量小，生產廠家往往將光纖內的松套光纖及骨架型光纖做成層絞型。這種結構會使得100 km的光纖線路中光纖比皮長約長200m；2）直埋光纖的長度與地面長度存在誤差。直埋光纖在坡度大于20°、坡高大于30m的山坡上會采用“S”形敷設，再加上光纖的自然彎曲、特殊地段的盤留和光纖接頭坑內的預留等，會造成地面長度與直埋光纖的實際皮長存在著較大偏差；3）架空光纖與桿路長度之間存在著偏差。光纖桿路基本上是50m一檔的桿檔長度，再加上光纖在每根電桿上預留20～30cm以及架空光纖本身自重引起的垂度長度、光纖接頭兩邊電桿上預留的10～12m部分，每一桿檔的光纖長度平均要比桿路一檔長度多0.8m左右；4）單向測量誤差。光纖的模場直徑影響后向散射時會遮蔽接頭的真實損耗。如果單向測量，則會因具有失配模場直徑的光纖引起的誤差可能比內在接頭損耗自身大得多。所以要想提高監測精度必須在監測的設計中將這些現實問題考慮進去，比如設計成雙向監測或網絡化監測模式，通過多終端監測的方式來消減這些因素對于監測精度的影響。

3 結論

鐵路系統的通信問題對于鐵路的安全運行具有至關重要的作用，目前的鐵路通信以光纖作為傳輸介質。通過一根根光纖將各個車站控制室及列車聯系在一起，目前的列車通信以無線通信為主，但這種無線通信是以附近的以光纖為基礎的基站為基點，因此也可以看成是光纖將列車控制室與車站調度室進行了連接。因此光纖及各個節點的實時狀態的監測問題就成了近年來研究的熱點，本文在這個背景下對鐵路通信監測系統進行了設計與模擬仿真，從仿真結果上看本系統在自動監測的可靠性上還是比較高的，平均達到1.2%的誤差率。由于成本等因素，本文所設計的系統并沒有進行更多的測試，因此在下一步的研究中，這將成為研究的重點內容。

[1] 陳玲, 李毓才, 刑智明. 鐵路移動信息傳輸安全平臺的設計與實現[J]. 中國鐵道科學, 2007, 28(3): 126-129.

[2] 李毅力, 李輝, 蔣志勇. 提高移動信道可靠性的編碼方法和數據通信協議[J]. 中國鐵道科學, 1998, 19(3): 82-93.

[3] Wonfor A. Yu S.Penty R Novel Constant Output Power Control of a Se. miconductor Optical Amplifier Based Switch[A]. CI EO.Laser and Electoro-Optics Technical Digest[C]. USA:Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2001: 43-44.

[4] 鄭玉甫, 肖強, 張春玲, 安小景, 肖莎. SOA實現光纖通信鏈路的自動交換設計[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(3):126-129.

[5] 徐田華, 唐濤. 列車控制系統中數據通信子系統的幀丟失概率[J]. 中國鐵道科學, 2008, 29(3): 110-114.