CN108860218B - 一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法 - Google Patents

一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法，所述的装置包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块。本发明的网关设备将无线通信技术应用于高速列车的检修中，完成列车与数据监测终端之间的数据交互及协议转换等工作，可及时发现问题，消除列车的安全隐患，使得列车‑数据监测终端的信息利用无线通信成为可能，提高了列车运行的安全性。本发明具有设备通用简单、成本低，便于安装、维护费用小，可广泛应用于快速轨道交通。

Description

一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及列车健康状态信息监测，特别是一种列车健康状态信息监测无线网关装置，将多种无线通信方式应用于高速列车的无线传输，通过多模式通信无缝切换技术，将列车的健康状态信息无障碍的传送到后台数据监测终端。
背景技术
目前，中国已全面步入高铁时代，高速列车的设备类型随之增多，关键设备对高速列车的健康状态的影响也逐渐加大，一旦列车设备的故障不能及时发现和解决，将严重影响列车的运行安全。如今的高速列车还保持着计划性和周期性的维修机制，远不能满足列车设备的快速损耗，不能及时发现列车的安全隐患，造成此问题的原因在于列车的健康数据不能实时的传输到数据监测终端。如今铁路通信专网GSM-R只限于传输铁路调度方面的信息，未有专用的通信信道来传输高速列车的健康状态数据，因此只能通过4G网络、WIFI网络和北斗网络等其他网络方式进行传输。
但由于4G网络、WIFI网络和北斗网络覆盖的区域不同，如何在列车的行进过程中利用现有的4G网络、WIFI网络和北斗网络进行无缝切换，目前尚无成熟的技术。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能实现多种网络无缝切换并能将列车设备健康信息及时传送到数据监测终端的列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种列车健康状态信息监测无线网关装置，包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；
所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块；所述的4G模块、WIFI模块和北斗模块分别与数据监测终端建立通信。
所述的存储器用于存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息，为列车健康状态信息的融合及封装做准备；
所述的主控制器用于根据列车所处网络区域切换通信方式，实现数据传输的实时性和完整性；
所述的车地无线传输装置通过4G模块、WIFI模块及北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。
进一步地，所述的WIFI模块选用USR-WIFI232-D2模块；所述的4G模块采用USR-LTE-7S4模块；所述的北斗模块采用ATGM336H-5N系列模块；所述的存储器采用SD700模块；所述的主控制器采用STM32F407VET6芯片。
一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，包括以下步骤：
A、存储器存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息；
B、主控制器利用“表带链条式数据帧”，对列车健康状态信息进行统一封装，将要传输的列车健康状态信息的数据大小和数据类型填入帧头。若此时传输速率较大，则将行成的“表带链条”的帧头帧尾进行“握手”设计，即两帧之间的帧头与帧尾合并；反之，则将这种“表带链条式数据帧”进行拆卸传输，以此达到不同通信协议的兼容；所述的数据类型包括连续量和离散量；
C、主控制器对列车健康状态信息进行数据处理；
考虑到所需传输的数据具有多元性、复杂性和繁多性的特点，针对不同类型、不同来源、不同条件下的列车健康状态信息进行融合优化处理。
利用加权融合算法先将列车健康状态信息根据其属性进行分类，分为列车基本信息数据、机械状态信息数据、电气状态信息数据、车载状态信息数据和列车运行环境状态信息数据，为防止观测噪声很大或是估计值发散而导致的严重估计偏差，在进行多个传感器加权融合之前，先对单个传感器进行加权，更准确地估计出各传感器的估计值。定义Wk为单个传感器最优比例权重。Xk为估计值，Zk为观测值。
Figure BDA0001721443160000021
再考虑方差σ，计算多个传感器融合权重αk，进行数据融合。
Figure BDA0001721443160000031
从而计算出更准确地融合值
Figure BDA0001721443160000032
实现多类型数据的优化融合。
Figure BDA0001721443160000033
D、主控制器判断WIFI网络信号的强弱：如果信号弱或无信号即列车不在车站内，则转步骤E；否则，主控制器通过WIFI模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；
4G网络向WIFI网络切换的方法如下：采用IP地址再封装法，对于数据监测终端来说，在4G网络中的本地地址是IP1，在传输端所对应的响应节点的IP地址为IP3，切换至WIFI网络时，被分配一个新的网络地址IP2。传输端将以IP3为源地址的IP数据包进行重新封装，并以IP2作为源地址，IP1作为目标地址进行传输。当该数据包能够通过WIFI网络到达响应节点，响应节点收到该数据包时，首先进行解封装并将提取出的原始数据包发送至内核中的IP栈内，此时当前会话将这个原始数据包当成是从4G网络接收来的，因而实现连续传输，无缝切换。
E、主控制器判断4G网络信号的强弱，如果4G网络信号强，主控制器通过4G网络向数据监测终端传输列车健康状态信息；否则，主控制器通过北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。
WIFI网络向4G网络切换方法如下：
与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，但此时存在数据包丢失问题，需要采用WIFI网络源路由再封装法，就是在传输IP2的数据时将源路由信息附加到该数据包中，该信息指明了源数据包的转发过程，这样从IP3传输的数据就能直接到达IP1处，避免数据包丢失的问题，同时也保证传输连续性。
北斗网络与WIFI网络和4G网络切换方法如下：
与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，同时在数据传输过程中借鉴令牌机制，将网络状态信息添加进数据包中，用于共享各网络类型信号强度。同时对于不同车次，设置网络切换预定地点，通过对信号强度监测及预先的设定，保证网络实时有效地进行无缝切换。
进一步地，所述的4G网络向WIFI网络切换、WIFI网络向4G网络切换以及北斗网络与WIFI网络和4G网络切换的切换方式由RSSI切换机制决定。RSSI切换机制将4G网络信号和WIFI网络信号强度进行百分比换算，无信号时RSSI为0％，RSSI最大时为100％。设置信号发送的RSSI标准值S％、警戒值B％、良好值A％、差阈值E％。
假定4G网络和WIFI网络的RSSI值分别为C％和D％，假定初始状态为4G网络传输，当C％≥D％时，若C％≥S％，则继续执行4G网络传输；若S％≥C％≥B％，则在4G网络传输的同时进入准备切换状态；若C％≤B％，则切换至北斗网络传输。当C％≤D％，若C％≥B％，则不进行切换，维持4G网络传输；若D％≥B％，且D％-C％≥E％，则切换至WIFI网络传输，否则切换至北斗网络传输。
进一步地，在列车健康状态信息传输过程中，通过主控制器判断信号强弱，根据RSSI切换机制选择适当的传输方式，假定当前选择4G网络传输，数据传输流程如下：
S1、当第一帧数据发送时，给数据进行标记N＝1，数据监测终端接收到第一帧数据同时给主控制器发送N＝1帧号。
S2、主控制器在收到数据监测终端发送的帧号后，开始继续发送第二条数据帧，给第二条数据帧标记帧号N＝2，同时接收数据监测终端发送的N＝2的数据。
S3、以此类推，当帧号到达一定数目时，清空数据帧，重新开始标记帧号。
S4、假定第i帧号的数据发送到数据监测终端后主控制器未接收到响应，预示数据发送失败，启动主控制器重发机制。
S5、启动重发机制后，主控制器再次发送第i帧号的数据给数据监测终端，若仍未接收到响应，则启动模块自复位机制，若仍未成功则启动RSSI切换机制，重新选择传输方式，返回步骤S1。
进一步地，在两种通信模式的切换瞬间设立数据缓冲区，为了防止数据丢失或重叠，前一个通信模式将切换瞬间的传输数据填入缓冲区，通信模式切换完成后，将缓冲区中的数据读取出来，用新的模式进行传输。需要注意的是，缓冲区的存储空间应尽可能的大，防止数据的溢出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的网关设备将无线通信技术应用于高速列车的检修中，完成列车与数据监测终端之间的数据交互及协议转换等工作，可及时发现问题，消除列车的安全隐患，使得列车-数据监测终端的信息利用无线通信成为可能，提高了列车运行的安全性。
2、本发明具有设备通用简单、成本低，便于安装、维护费用小，可广泛应用于快速轨道交通。
附图说明
图1是本发明的结构组成示意图。
图2是4G模块电路图。
图3是WIFI模块电路图。
图4是北斗模块电路图。
图5是4G网络至WIFI网络切换示意图。
图6是网关装置RSSI切换机制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
一种列车健康状态信息监测无线网关装置的结构组成如图1所示，各模块的结构及功能如下：
图2的4G模块选用USR-WIFI232-D2模块，支持IPv4、IPv6协议，支持LTE-FDD和LTE-TDD两种主要通信制式。该模块由电源模块3.3V电压供电，与系统连接时主要分为下几个信号组：USB信号、SIM Card信号、唤醒信号、电源复位信号、电源信号和地信号。LINKA表示当前连接状态，UTXD1和URXD1是TTL电平，这两个引脚和主控制器的串口相互连接，UTXD1连接主控制器的UART2_RXD，URXD1连接主控制器的UART2_TXD。列车健康状态信息传输一旦出现通信故障，首先启动模块自复位机制。自复位机制采用软件实现，Reload引脚表示恢复4G网络模块的出厂设置，该引脚低电平处于5s以上，那么模块会自动复位到出厂状态，重新上电后，继续传输当前的列车健康状态信息数据。当模块进行复位时，设置模块通信断电模式。正常工作时，PWR_EN2处于拉低状态，当监测到模块需要进行复位时，PWR_EN2拉高，MOS管Q11截止，模块断电。
图3的WIFI模块采用的是USR-WIFI232-D2模块，集成了MCU、符合802.11b/g2.4G标准的无线射频收发器、TCP/IP协议栈和应用程序，提供高速UART接口；LINK表示当前连接状态，TXD引脚连接主控单元的UART3_RXD引脚，RXD引脚连接主控单元的UART3_TXD引脚，RTS和CTS引脚分别表示UART请求发送和允许发送，控制这两个引脚的高低电平状态，可切换WIFI网络的通断。
图4的北斗模块采用ATGM336H-5N模块，该模块基于低功耗单芯片—AT6558，支持多种卫星导航系统，具有短报文通信的功能。引脚5模块关断控制，低电平有效，引脚2通信数据输出，引脚8模块供电，引脚11天线信号输入，选用无源电线。
图6是网关装置信息传输流程图。本发明的网关装置包括4G网络、WIFI网络和北斗网络3种通信模式。这三种通信模式可以相互取长补短，保证采集到的列车状态数据信息实时可靠地传输到数据监测终端。其中4G网络需要地面基站的支持，但信号稳定可靠；北斗网络支持超远距离传输，并且不需要建设基站，信号覆盖广泛。WIFI网络成本低，传输速度快。以上可以根据RSSI切换机制选择最优的通信方式及时的将列车具体位置传送到数据监测终端。
表1描述了Modbus协议的数据帧结构。列车健康状态信息监测无线网关通过无线传输模块建立网络连接后，进行数据传输。通过主控制器选择ASCII传输方式。
表1Modbus协议ASCII模式消息帧结构
起始位 设备地址 功能代码 数据 LRC校验 结束符
FF 0xFF 0001H <1500 2个字符 0x7E
协议帧结构中包含了数据信息包的类型、校验码等信息，具体内容包括：
1、每一帧开始标识字符是FF；
2、每一帧结尾标识字符是0x7E；
3、设备地址字节是0xFF；
4、数据信息长度最大为1500字节；
5、LRC校验码2字符，检测数据帧错误。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，所述的列车健康状态信息监测无线网关装置包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；
所述的列车为高速列车；
所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块；所述的4G模块、WIFI模块和北斗模块分别与数据监测终端建立通信；
所述的存储器用于存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息，为列车健康状态信息的融合及封装做准备；
所述的主控制器用于根据列车所处网络区域切换通信方式，实现数据传输的实时性和完整性；
所述的车地无线传输装置通过4G模块、WIFI模块及北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；
所述的列车信息采集单元采集列车各个关键部件传感器所反馈的信息；
其特征在于：所述的工作方法，包括以下步骤：
A、存储器存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息；
B、主控制器利用“表带链条式数据帧”，对列车健康状态信息进行统一封装，将要传输的列车健康状态信息的数据大小和数据类型填入帧头；若此时传输速率较大，则将行成的“表带链条”的帧头帧尾进行“握手”设计，即两帧之间的帧头与帧尾合并；反之，则将这种“表带链条式数据帧”进行拆卸传输，以此达到不同通信协议的兼容；所述的数据类型包括连续量和离散量；
C、主控制器对列车健康状态信息进行数据处理；
考虑到所需传输的数据具有多元性、复杂性和繁多性的特点，针对不同类型、不同来源、不同条件下的列车健康状态信息进行融合优化处理；
利用加权融合算法先将列车健康状态信息根据其属性进行分类，分为列车基本信息数据、机械状态信息数据、电气状态信息数据、车载状态信息数据和列车运行环境状态信息数据，为防止观测噪声很大或是估计值发散而导致的严重估计偏差，在进行多个传感器加权融合之前，先对单个传感器进行加权，更准确地估计出各传感器的估计值；定义Wk为单个传感器最优比例权重；Xk为估计值，Zk为观测值；
Figure FDA0002808228370000021
Figure FDA0002808228370000022
再考虑方差σ，计算多个传感器融合权重αk，进行数据融合；
从而计算出更准确地融合值
Figure FDA0002808228370000023
实现多类型数据的优化融合；
Figure FDA0002808228370000024
D、主控制器判断WIFI网络信号的强弱：如果信号弱或无信号即列车不在车站内，则转步骤E；否则，主控制器通过WIFI模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；
4G网络向WIFI网络切换的方法如下：采用IP地址再封装法，对于数据监测终端来说，在4G网络中的本地地址是IP1，在传输端所对应的响应节点的IP地址为IP3，切换至WIFI网络时，被分配一个新的网络地址IP2；传输端将以IP3为源地址的IP数据包进行重新封装，并以IP2作为源地址，IP1作为目标地址进行传输；当该数据包能够通过WIFI网络到达响应节点，响应节点收到该数据包时，首先进行解封装并将提取出的原始数据包发送至内核中的IP栈内，此时当前会话将这个原始数据包当成是从4G网络接收来的，因而实现连续传输，无缝切换；
E、主控制器判断4G网络信号的强弱，如果4G网络信号强，主控制器通过4G网络向数据监测终端传输列车健康状态信息；否则，主控制器通过北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；
WIFI网络向4G网络切换方法如下：
与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，但此时存在数据包丢失问题，需要采用WIFI网络源路由再封装法，就是在传输IP2的数据时将源路由信息附加到该数据包中，该信息指明了源数据包的转发过程，这样从IP3传输的数据就能直接到达IP1处，避免数据包丢失的问题，同时也保证传输连续性；
北斗网络与WIFI网络和4G网络切换方法如下：
与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，同时在数据传输过程中借鉴令牌机制，将网络状态信息添加进数据包中，用于共享各网络类型信号强度；同时对于不同车次，设置网络切换预定地点，通过对信号强度监测及预先的设定，保证网络实时有效地进行无缝切换。
2.根据权利要求1所述的一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，其特征在于：所述的WIFI模块选用USR-WIFI232-D2模块；所述的4G模块采用USR-LTE-7S4模块；所述的北斗模块采用ATGM336H-5N系列模块；所述的存储器采用SD700模块；所述的主控制器采用STM32F407VET6芯片。
3.根据权利要求1所述的一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，其特征在于：所述的4G网络向WIFI网络切换、WIFI网络向4G网络切换以及北斗网络与WIFI网络和4G网络切换的切换方式由RSSI切换机制决定；RSSI切换机制将4G网络信号和WIFI网络信号强度进行百分比换算，无信号时RSSI为0％，RSSI最大时为100％；设置信号发送的RSSI标准值S％、警戒值B％、良好值A％、差阈值E％；
假定4G网络和WIFI网络的RSSI值分别为C％和D％，假定初始状态为4G网络传输，当C％≥D％时，若C％≥S％，则继续执行4G网络传输；若S％≥C％≥B％，则在4G网络传输的同时进入准备切换状态；若C％≤B％，则切换至北斗网络传输；当C％≤D％，若C％≥B％，则不进行切换，维持4G网络传输；若D％≥B％，且D％-C％≥E％，则切换至WIFI网络传输，否则切换至北斗网络传输。
4.根据权利要求1所述的一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，其特征在于：在列车健康状态信息传输过程中，通过主控制器判断信号强弱，根据RSSI切换机制选择适当的传输方式，假定当前选择4G网络传输，数据传输流程如下：
S1、当第一帧数据发送时，给数据进行标记N＝1，数据监测终端接收到第一帧数据同时给主控制器发送N＝1帧号；
S2、主控制器在收到数据监测终端发送的帧号后，开始继续发送第二条数据帧，给第二条数据帧标记帧号N＝2，同时接收数据监测终端发送的N＝2的数据；
S3、以此类推，当帧号到达一定数目时，清空数据帧，重新开始标记帧号；
S4、假定第i帧号的数据发送到数据监测终端后主控制器未接收到响应，预示数据发送失败，启动主控制器重发机制；
S5、启动重发机制后，主控制器再次发送第i帧号的数据给数据监测终端，若仍未接收到响应，则启动模块自复位机制，若仍未成功则启动RSSI切换机制，重新选择传输方式，返回步骤S1。
5.根据权利要求1所述的一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，其特征在于：在两种通信模式的切换瞬间设立数据缓冲区，为了防止数据丢失或重叠，前一个通信模式将切换瞬间的传输数据填入缓冲区，通信模式切换完成后，将缓冲区中的数据读取出来，用新的模式进行传输；需要注意的是，缓冲区的存储空间应尽可能的大，防止数据的溢出。
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