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第20章调度数据和旅客服务信息传输通道第20章调度数据和旅客服务信息传输通道20.1概述铁路信息化是铁路发展的必然趋势。目前，我们拥有了TMIS，DMIS，PMIS等等各种各样的信息系统，这些系统为提高铁路的运输能力，提高列车安全性能诸多方面发挥着重要作用。为了支持这些信息系统，各种数据通信网络相继建成并且投入使用，包括传输网，X.25数据通信网、铁路互联网、卫星通信网，这些网络为铁路提供了强大的通信能力。但是，这些通信手段中，大部分解决的是地面上固定节点之间的通信问题。在实际的运营中，列车作为铁路运营的中心载体，是一个巨大的信息源，列车上的数据如列车位置、列车尾部风压信息、旅客和货物实时信息都需要传送到地面上来，在另一方面，地面的控制中心有时会有一些信息发送到列车上来，这样就需要在列车与地面之间建立一条双向的数据传输通道。过去由于铁路移动通信平台的局限，双方的信息都无法实时地被传递，这对于铁路信息化不能不说是一个巨大的瓶颈。GSM-R作为铁路综合通信平台，能够在列车高速移动时提供可靠的信息传输能力，因此，它在中国铁路上的发展，列车－地面双向数据传输这一目标的实现提供了契机。在本章内容中，将详细介绍一种基于GSM电路交换技术的数据采集传输应用系统。20.2系统结构20.2.1实体定义为了能够说明系统的结构，我们先定义几个物理实体，并且用简称代替：OAE：OnboardApplicationEntity车载应用实体，在列车上实时采集数据，发送到地面中心，或者接收来自地面中心的数据。GDT：GeneralDataTransceiver通用传输电台，与地面通信接入服务器(AS)保持一条电路交换数据链路；为OAE提供接入接口，接收来自OAE的数据，发送到地面；同时能够接收来自地面的数据，转发给对应的OAE。AS：AccessServer地面通信接入服务器，与GDT保持一条电路交换数据链路；为地面上的各种应用服务器提供接入接口；接收来自GDT的数据转发到相应的应用服务器。SAE：TracksideApplicationEntity地面应用实体，它与地面通信接入服务器相连，OAE采集的数据最终将发送到这里，也有可能向OAE发送数据。381第20章调度数据和旅客服务信息传输通道20.2.2系统组成通用数传电台(GDT)通信接入服务器AS车载应用n车载应用1地面应用1地面应用2地面应用3地面应用n地面车载GSM-R网络通信子系统通用数传电台(GDT)车载应用1机车1车载应用n机车2图20-1系统组成如图20-1所示，根据实体所处的位置，整个分为车载子系统和地面子系统两大部分：20.2.2.1车载子系统车载子系统包括GDT以及各种OAE。GDT负责呼叫AS，与之建立一条透明的数据通道，并且将各种OAE传来的数据包传到地面。GDT保证各种OAE在传送数据时要能够平均分配到通信资源，即不允许某个OAE独占资源；OAE负责与GDT建立一条可靠的通道，所有要发往SAE的信息都必须按照规定好的格式封装成一条一条的消息发送给GDT，由通信子系统根据路由信息传送到正确的SAE。GDT可以连接多个OAE，每一个OAE有一个标识自己身份的编码，就是应用类型的编号，这个编码与地面上相应的SAE的编码应当一致；当OAE向GDT发送数据时，会包含这个编码，这样地面通信服务器收到以后，根据这个编码来寻址到相应的SAE。目前，GDT最多可以接入256个OAE。GDT与OAE之间的硬件接口可以是RS-232或者局域网，但是接口上采用统一的数据传输格式。每一个OAE都被分配了一个优先级，应用类型与优先级之间的关系存储在GDT中。有可能有多个OAE属于同一个优先级，高优先级的数据优先发送，同优先级的数据轮流发送。所有OAE数据共享一条物理链路，GSM数据传输通道的带宽有限，所以OAE与SAE数据速率也收到限制，尽管系统允许短时间内的高速数据，但是GDT在缓冲区满之后，将丢掉382第20章调度数据和旅客服务信息传输通道多余的数据。20.2.2.2地面子系统地面子系统包含AS以及各种SAE。AS负责接受GDT的呼叫，并与之建立一条透明的数据传输通道。AS能够同时接入多个GDT（根据需要设定，最大30个）。因此，AS维持了一张路由表，能够根据每条消息头中的路由信息将其在相应的OAE和SAE之间正确地传输。路由表静态存储在数据库中，只能由管理员手动更新。AS保证各种SAE在传送数据时能够平均分配到通信资源，即不允许某个SAE独占资源；SAE负责与AS建立一条可靠的通道，所有要发往OAE的信息都必须按照规定好的格式封装成一条一条的消息发送给AS，由通信子系统根据路由信息传送到正确的OAE。同GDT与OAE的关系一样，AS与SAE也是一对多的关系，即AS可以接入多个SAE，AS根据应用类型编码来寻址SAE。AS最多可以接入256个SAE。按照功能来分，整个系统又可以分为应用子系统和通信子系统；应用子系统包括OAE和SAE，而通信子系统包括GDT、AS以及GSM-R网络。我们可以这样理解：通信子系统为应用子系统提供的是承载业务，而应用子系统就是承载业务的用户，它的数据对于通信子系统来说是透明的。20.2.3系统拓扑结构和物理设备接口图20-2标识了系统的拓扑结构和物理设备接口：383第20章调度数据和旅客服务信息传输通道HUBHUBOAE1OAE2OAEnGDTOAE3RS-232HUBOAE1OAE2OAEnGDTOAE3RS-232OAE1OAE2OAEnGDTGSM-RPRIASSAE1SAE2SAE3OAE3RS-232SAEn图20-2系统拓扑和物理设备接口如图中所示，所有使用BASE-T型接口的OAE通过集线器连接到GDT上，当然，这是在OAE比较少的情况下的方案，OAE较多的时候，可以使用以太网交换机来连接GDT；而使用RS-232型接口的OAE直接连接到GDT主机的RS-232接口上。当然，当前计算机的接口种类繁多，GDT还可以支持USB以及并行接口等等连接方式，这都视具体情况而定。GSM-R移动终端作为GDT主机的数据收发电台，连接到GDT上，通过GSM-R网络进行通信。AS通过PRI接口连接到GSM-R移动交换机上，PRI可以提供最大到30条物理连接，因此一个AS可以最多可以接入30个GDT。一般来说，GDT安装在机车上，这样的话，每一台AS可以转发来自30台机车的数据。从图中可以看出，GDT与OAE是一对多的连接，而AS与SAE是一对多的连接，AS与GDT也是一对多的关系。这样的拓扑结构决定了GDT-OAE的接口上的数据格式，具体细节将在后面的章节中详细讲述。384可变2字节4字节3字节1字节A-PDU数据长度保留机车号应用类型通信控制本地接口控制N1中继N2本地接口控制通信控制N2中继N3第20章调度数据和旅客服务信息传输通道38520.2.4系统分层结构GDTASOAE应用N1本地接口控制SAE应用N3本地接口控制图20-3系统分层结构图20-3为系统的分层结构，注意，这里并没有完全遵从OSI的七层参考模型。而是以功能为标准划分的分层结构。其中，应用层负责收集应用数据，包括用户输入和设备采集N层（包括N1、N2、N3）负责转发数据，本地接口控制负责通信子系统与应用子系统之间的通信，通信控制层负责车载子系统与地面子系统之间的通信。注意到只有OAE和SAE才在应用层工作，而GDT和AS只负责传输数据，换句话说，应用的数据对它们来说是透明的。20.3接口数据格式20.3.1关于接口的说明因为物理接口类型的多样化，包括RS-232，RS-422，BASE-T，USB，并行口等等，这些都是底层通信需要关心的事情，他们的具体接口数据格式视实现方法而定，只要能保证OAE-GDT和AS-SAE的可靠通信即可，由于篇幅有限，这里不做赘述。我们只对最关键的应用子系统和通信子系统之间的接口N层数据进行描述。20.3.2接口上的数据格式N层接口上的数据格式如下表20-1所示：表20-1N层数据格式第20章调度数据和旅客服务信息传输通道应用类型：标识OAE和SAE的一个长度为1字节的数，取值范围0～255，具体取值由系统管理员来分配，OAE和对应的SAE的应用类型的取值应一致，否则数据将不能正确接收，同时，同一个GDT上连接的OAE取值不能相同，否则数据也不能正确接收；这个值在OAE、SAE、GDT、AS中都应当保存。GDT和AS根据这个值把数据转发到正确的OAE和SAE上去。这样才能保证多个应用子系统同时复用一条物理链路而不致发生混乱。机车号：3个字节的一个数，用来唯一标识系统中的一个GDT，因为GDT一般安装在机车上，所以我们采用机车号来标识，实际铁路运营中的机车号与这个数有一个映射关系，映射方案不在本文中赘述。另外这个值还可以在SAE中用来标识一列火车。当SAE向OAE发送数据的时候先通过机车号找到对应的物理链路。保留字节：是为了今后的功能扩展之用；数据长度：是后面的A-PDU的数据长度；A-PDU：是来自用户的应用数据，只是在应用层才去解析这部分数据，对于N层以下的部分是透明的。由此可见，通信子系统的基本寻址原理就是：当OAE向SAE发送数据的时候，直接把数据发送到GDT上，GDT将数据传送到AS的时候，再按照应用类型转发到对应的SAE；当SAE向OAE发送数据的时候，先通过机车号找到要接收数据的GDT，数据到达GDT后再按照应用类型发送到对应的OAE。20.4应用子系统举例20.4.1概述由于GSM无线频率的限制，造成它的电路交换数据不能像象有线通信那样具有强大的数据带宽，因此，系统的数据传输能力是有限的。但是由于采用了数据复用技术，当数据速率不大的时候，任何车地应用系统的稀疏数据都可以通过系统的通信子系统来传输，构成应用子系统。在本节中，将简要介绍一下几种典型的应用子系统，希望能使读者这个系统有更进一步的认识，同时能够开阔思路以拓展出更多的应用类型，提高我国铁路运营的技术和管理水平以及服务质量。20.4.220.4.2.1GPS列车定位的作用现代铁路安全和指挥系统中，列车定位是一项关键技术。它的作用主要有以下几方面：为保证列车间的足够间隔提供保证；在一些列车自动控制系统中，提供区间占用和出清消息，作为转换轨道检测信息和速度控制信息发送的依据；用来计算列车速度曲线，实现列车自动控制；386第20章调度数据和旅客服务信息传输通道为地面电子地图提供列车的具体位置信息，作为列车运行状态的一种信息；可以为GSM-R的基于位置的寻址提供位置信息。目前，国内外各种列车定位技术发展很快，技术日趋成熟。目前使用的定位方法包括无绝缘音频轨道电路法，电子计轴器法，测速定位法，查询/应答器法，感应回线车载传感器法，GPS法，无线扩频定位法等等。其中最流行的是基于卫星的GPS法，下面我们就将介绍一下GPS。20.4.2.2GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。目前，只要购买GPS的用户接收机就可以准确接收来自空间部分定位卫星的定位信号，计算出位置信息。GPS系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然GPS系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类GPS接收机和处理软件纷纷涌现出来。GPS系统的实时导航定位精度很高，美国在1992年起实行了所谓的SA政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动（使伪距和相位的量测精度降低），后又实行了A-S政策，即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响。按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2。02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，