車載通信設備GPS數據應用研究

■ 李曉峰 俞健

1 概述

隨著我國鐵路GSM-R網絡建設的不斷推進，網絡覆蓋的范圍越來越廣，新建鐵路基本覆蓋了GSM-R網絡，既有鐵路GSM-R網絡覆蓋的改造正在有序實施。我國鐵路裝備現代化水平也在同步提高，機車綜合無線通信設備（CIR）正逐步成為新一代列車無線調度通信的主要車載裝備。目前我國鐵路所有動車組和新造大功率機車都安裝了標準型CIR，既有機車的改造也將使用小型CIR代替傳統無線列調機車電臺。

在GSM-R網絡中融入GPRS網絡，是我國鐵路GSM-R網絡的技術特點，為鐵路信息化數據傳輸提供了重要的網絡平臺。作為新一代列車無線調度通信車載裝備，CIR由主控制單元、GSM-R話音單元、GSM-R數據單元、衛星定位單元（目前采用GPS定位）、記錄單元、450 M Hz機車電臺單元、電源單元和接口單元等組成，既能滿足我國新建鐵路GSM-R數字移動通信網絡話音調度通信和數據傳輸通信的應用需求，又兼容了傳統模擬制式450 MHz無線列調話音通信和數據傳輸通信的應用要求。

在我國，列車運行在GSM-R網絡覆蓋區段時，使用GSM-R進行調度通信；運行在沒有GSM-R網絡覆蓋區段時，繼續采用傳統450 M Hz頻段模擬制式進行調度通信。如果列車需跨區段運行，則通過CIR的GPS定位單元內部設定數據信息，根據列車運行的位置，自動實現CIR在450 MHz通信模式和GSM-R通信模式之間切換。

目前，GPS定位單元所采用的這種技術方案基本滿足CIR調度通信應用的要求，但通過一段時間的應用也發現了一些問題。

2 GPS單元使用現狀及存在問題

根據鐵道部有關技術條件要求，目前CIR使用的GPS單元內部設計了一個板載數據庫，用于存儲各運行線路的數據，實際應用中主要解決以下問題。

（1）在450 M Hz通信區段，根據GPS定位信息確定的列車實際運行位置，向CIR主控制單元輸出當前的線路和區段名稱、線路代碼、通信制式和通信頻率等。根據數據庫中預先設定的切換點位置，實現不同通信制式和工作頻點的自動切換。

（2）在GSM-R通信區段，根據GPS定位信息確定的列車實際運行位置，向CIR主控制單元輸出當前的線路和區段名稱、線路代碼，前方車站、本地車站、后方車站的名稱和車站值班臺的ISDN號碼，當前調度區段調度臺的ISDN號碼等。

（3）在450 M Hz與GSM-R切換區段，根據數據庫中預先設定的切換點位置，通過列車的GPS定位信息實現450 MHz和GSM-R通信模式的自動切換。

（4）在多條運行線路并行且距離較近，GPS定位信息無法區分時，或在GSM-R區段多條運行線路共用GSM-R基站小區時，根據數據庫中預先設定區域向CIR主控單元、操作顯示終端（M M I）等輸出運行線路列表信息，供司機選擇當前的運行線路。

（5）為CIR系統提供標準時鐘信息。

自CIR開通應用以來，經過不斷修改和完善，基本滿足當前實際應用的要求，同時也存在一些問題。

（1）線路數據庫保存在CIR的GPS單元存儲器中，而CIR設備又安裝在列車上，隨著新建線路的增加和既有線路的改造，需要不斷更新和維護GPS單元的線路數據庫，對分散在各列車上的線路數據庫逐臺進行更新工作量很大。

（2）同一鐵路局內，機車隸屬不同機務段、動車隸屬不同動車段，即使增加或修改支線數據、走行線數據等，都要修改GPS單元線路數據庫，頻繁更改造成現場不同列車上的線路數據庫版本不統一，對各GPS單元中所含線路數據也不易掌握，運用管理比較困難。

（3）不同廠家CIR設備的GPS單元，線路數據庫結構不統一，更新維護方法也不一致，現場數據庫的編輯維護很不方便，升級管理困難。

（4）列車運行交路很多，列車回庫時間很難掌握，各列車上GPS單元線路數據庫更新不能同步完成，數據更新周期較長。

（5）列車運行交路不固定，列車調撥也比較頻繁，CIR數據庫的更新管理難以跟蹤。

（6）如果列車需長交路跨區段運行，因運行線路（或區段）隸屬不同鐵路局，當線路數據出現修改時，不同鐵路局的數據修改很難同步完成，容易對實際應用造成影響。

（7）數據庫容量受限，定位精度也不夠高，不便于以后的發展。

（8）數據庫分散在各個列車上，無法做到資源共享，不利于未來鐵路應用業務的發展。

為解決這些問題，廠家和用戶進行了一些探索，如統一接口定義，規范GPS單元數據庫升級方法等。但數據庫分散、更新維護工作量大、數據庫更新管理困難、更新周期長等根本問題依然存在。為解決這些問題，可考慮采用將GPS數據信息進行集中處理的技術方案。

3 GPS數據信息集中處理技術方案

3.1 技術原理

我國鐵路數據信息網絡的發展和完善為GPS數據信息集中處理提供了保障，線路數據庫的集中存儲、GPS數據信息的集中處理也為我國鐵路數據信息網云計算技術的相關應用創造了條件。云計算是分布式處理、并行處理和網格計算的發展。云計算的一個核心理念就是通過不斷提高“云”的處理能力，進而減少用戶終端的處理負擔，最終使用戶終端簡化成一個單純的輸入輸出設備，并能按需享受“云”的強大計算處理能力。我國鐵路的數據信息網越來越完善，各種業務的應用服務器也越來越多。如果將鐵路數據信息網看成一個“云”，列車上的車載CIR就是一個用戶終端，網絡中不同功能的數據處理服務器可通過通用分組無線服務業務（GPRS）網絡為車載CIR用戶提供多種應用服務。

根據我國的實際情況，按照鐵道部GSM-R相關技術條件的規定，鐵路行車調度信息、鐵路設施維護管理信息、旅客服務信息，以及其他服務信息均可采用GPRS方式進行數據傳輸。目前使用GPRS進行數據傳輸的行車調度信息主要包括無線車次號校核信息和調度命令信息等，用于處理此類業務的是GPRS接口服務器（GRIS），每個鐵路局根據線路情況設置1個或多個GRIS。

如果將GPS數據信息進行集中處理，可考慮在各鐵路局地面數據網絡中增設一臺GPS信息應用服務器（GIS），用于集中處理各機車CIR所需列車行車調度通信信息。這種方案進一步弱化了CIR中GPS單元數據處理能力，GPS單元僅簡單輸出GPS的原始信息，將GPS單元中的數據庫和數據處理能力移植到地面GIS服務器中。各車載CIR通過GPRS網絡向GIS報告本列車的運行位置信息，GIS通過多線程并行計算分析將各列車所需的行車調度通信信息反饋給各車載CIR。

鐵路局增設的GIS服務器應存儲本局管內各條線路的GPS應用數據信息，其中至少應包含線路GPS信息、公里標信息、小區和位置區信息、線路名稱、區段名稱、線路代碼、工作模式、車站一名稱、車站一值班臺電話號碼、車站二名稱、車站二值班臺電話號碼、車站三名稱、車站三值班臺電話號碼、車站四名稱、車站四值班臺電話號碼、當前行車調度臺電話號碼以及線路列表等信息。

如果列車長交路跨區段運行，目標GRIS和GIS的IP地址應根據列車運行位置進行更新，當前GRIS和GIS的IP地址分配和運行過程中目標GRIS和GIS的IP地址更新可以通過GPRS歸屬服務器（GROS）完成。增加GIS服務器后，地面GPRS網絡結構見圖1。

3.2 主要工作流程

（1）CIR開機，GSM-R數據單元獲取IP地址后，向GROS申請當前GRIS的IP地址的同時申請當前GIS的IP地址，GROS返回當前GRIS的IP地址和GIS的IP地址。

（2）CIR獲取到當前GIS的IP地址后，向GIS服務器報告列車當前位置信息。

圖1 增加GIS后的GPRS網絡結構示意圖

（3）GIS服務器根據列車當前位置進行分析判斷，如果存在需要選擇的線路列表則向CIR反饋線路列表信息；CIR收到列表信息后，在MM I顯示并語音提醒司機選擇線；司機進行選線操作后，CIR向GIS報告當前的運行線路；GIS收到確定線路后，向CIR返回當前行車調度通信所需要的數據信息。如果司機未進行選線操作則，GIS每間隔一定時間（可根據實際應用要求確定）重發線路列表。

（4）GIS服務器根據列車當前的位置信息進行分析判斷，如果不存在線路選擇列表則直接向CIR返回當前行車調度通信需要的數據信息。

（5）列車運行過程中，每間隔一定時間（可根據實際應用要求確定）向GIS報告當前列車位置信息，GIS向CIR返回當前行車調度通信所需數據。

（6）當G IS發現列車位置超出本局管范圍時，向GROS發送GIS目標IP地址更新請求，GROS向CIR返回目標GIS的IP地址。

（7）CIR收到更新后的GIS目標IP地址后，向新的IP地址報告列車位置信息。

3.3 主要優點

采用將GPS數據信息進行集中處理的技術方案有以下優點。

（1）各鐵路局只需配置并驗證好本局內的線路數據庫，CIR設備可直接使用，與列車無關；

（2）任何線路數據的修改只在GIS服務器上進行，大大減少了工作量；

（3）單點修改效率很高，數據調整和驗證速度快；

（4）線路數據存儲在G IS服務器中，維護管理方便，安全可控；

（5）GPS單元僅輸出原始數據，互換性好，維護成本低，維護方便；

（6）列車在跨區段長交路運行時，不需要考慮其他鐵路局的線路數據是否有修改，GPS單元線路數據庫是否需要升級，任何修改只在相關鐵路局內部進行，不需通知設備廠家重新編輯修改線路數據庫；

（7）GIS服務器的存儲容量大，可存儲更高精度的GPS數據信息，提高了定位精度；

（8）當GPS單元出現故障時，也可通過小區和位置區信息等提供粗略定位，弱化了故障；

（9）隨著鐵路應用業務的發展，地面G IS服務器也為鐵路私有“云”中其他終端用戶提供服務，通過不斷發展和完善GIS的功能，可為將來新業務的發展提供條件；

（10）解決了在GSM-R區段CIR數據通信的活動性檢測問題，為CIR的GSM-R數據單元可靠工作提供了條件。

3.4 主要問題和解決方案

采用將GPS數據信息進行集中處理的技術方案，需要注意解決以下問題。

（1）450 M Hz區段通信制式和工作頻率的切換。在450 M Hz區段，通信制式和工作頻率可通過手動方式選擇。目前列車使用傳統的模擬制式機車電臺，基本都是通過手動方式選擇工作頻點，CIR在450 M Hz區段可繼續沿用此方法。

（2）450 M Hz區段和GSM-R區段的自動切換。采用將GPS數據信息進行集中處理的技術方案后，CIR工作模式的自動切換將通過GIS的分析處理來控制。要求CIR即使工作在450 M Hz通信模式，如果進入GSM-R網絡覆蓋區，CIR的語音單元和數據單元應登錄GSM-R網絡，在獲得當前GIS的IP地址后，也應該向GIS報告列車當前的位置信息，GIS根據數據庫中設備定的切換點位置，控制CIR由450 M Hz工作模式切換到GSM-R工作模式；當列車駛離GSM-R區段時，由GIS服務器根據CIR報告的列車位置信息控制CIR由GSM-R工模式切換到450 M Hz工作模式。

（3）列車高速運行時，行車調度通信所需要的信息包丟失。正常情況下，列車運行過程中GIS向列車CIR反饋2個前方車站、1個本地車站、1個后方車站的數據信息，但可以對GIS進行配置，根據列車運行的速度，輸出多個前方車站的信息，如果速度較高，最多可配置輸出前方4個車站的信息。這樣即使短時間的數據通信中斷，或部分信息包丟失，也能保持前方車站呼叫可用。如果前方出現岔路時，可通過配置輸出多條岔路上的前方車站信息，供司機選擇使用。

（4）CIR數據單元出現故障，無法與GIS進行數據通信。當CIR數據單元出現故障，無法獲取調度臺、車站值班臺的ISDN號碼時，可手動選擇GSM-R工作模式，采用基于位置的尋址方式實現調度員、車站值班員的通信聯絡。

（5）列車遭遇遮擋或GPS單元出現故障時，CIR無法獲取GPS有效定位信息。在列車遭遇遮擋或GPS單元出現故障時，CIR無法獲取GPS有效定位信息，CIR可向GIS報告列車當前所在的小區和位置區信息，GIS可通過小區ID或位置區ID進行粗略定位。如果判斷出存在需要選擇的線路列表，則向CIR反饋線路列表信息；CIR收到列表信息后，在M M I顯示并語音提醒司機選擇線；司機進行選線操作后，CIR向GIS報告當前的運行線路；GIS收到確定線路后，向CIR反饋當前行車調度通信所需要的數據信息。如果不存在線路列表，則直接向CIR反饋當前行車調度通信所需要的數據信息。

4 結束語

綜上所述，將GPS數據信息進行集中處理是一種趨勢，所提技術方案為解決當前列車車載通信設備GPS單元應用中存在的問題提供參考，在實際應用中還需對方案進行討論細化，并制定相關統一的技術規范。

[1] 科技運［2009］28號 關于印發《GSM-R 數字移動通信網設備技術規范：第二部分：機車綜合無線通信設備（V2.0）》的通知[S]

[2] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數字移動通信系統[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007