浅谈铁道工务相关室外设备的通信方式

2022-09-11

一、通信的定义及基本原理

所谓通信是跨越时间和地点将含有信息的消息有效而可靠地由一地传输到另一地的过程。通信必备的几个基本要素即信源、信宿和信道。其中, “信源”是信息的发布者, 即上载者;“信宿”是信息的接收者, 即最终用户。“信道”顾名思义是指信息传输渠道。在传统的信息传播过程中, 对信源的资格有严格的限制, 通常是广播电台、电视台等机构, 采用的是有中心的结构。而在计算机网络中, 对信源的资格并无特殊限制, 任何一个上网者都可以成为信源.

无论何种通信方式, 其通信系统架构不外乎图1所示:

下面结合铁路设备实例来看则各要素:比如在微机监测系统和微机联锁的通信中, 信源是微机联锁机的信息, 微机联锁设备是发送设备, 联锁信息通过RS232接口传到微机监测系统中, 其中RS232 (即串口线) 则是信道。微机监测系统的计算机是接收设备, 其处理程序则是信宿。

一般对通信系统有以下要求:一是有效性---尽可能多而快 (给定信道内传输的量) , 二是可靠性---尽可能准确无误 (接受信息的准确度) 。

二、铁路室外设备通信方式分类

根据不同的分类方法, 铁路室外设备通信方式的分类有很多种,

按信号特征分----模拟、数字通信

按调制与否分----基带、频带传输系统

按传输媒质分----无线、有线通信

按信号复用方式分---FDM、TDM、CDM⋯

按消息物理特征分---报文、语音、图象、数据等通信⋯

其实对于铁路设计及施工维护人员, 通信方式如何划分并不是最重要的。重要的是了解各设备之间通信特点, 设计人员根据其特点选用合适的通信方式, 维护人员则通过了解各种通信方式的特点以便对故障点进行准确定位, 快速、安全地排除故障, 恢复运行。

三、铁路设备各种主要通信方式及其应用举例

(一) GSM-R

GSM-R是在GSM公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。由于GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势, 以及更符合通信信号一体化技术发展的需要, 前铁道部正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向, 目前GSM-R信号已经覆盖了大部分高铁和普速铁路。GSM-R通信系统包括:交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。其应用涵盖了:调度通信, 车次号传输与列车停稳信息的传送, 调度命令传送, 列车尾部装置信息传送, 调车机车信号和监控信息系统传输, 列车控制数据传输, 区间移动公务通信以及应急指挥通信话音和数据业务。是铁路通信的核心业务。

(二) GPRS通信

GPRS是通用分组无线服务技术 (General Packet Radio Service) 的简称, 它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。它是一种以全球手机系统 (GSM) 为基础的数据传输技术。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同, 是以封包 (Packet) 式来传输, 是移动公司从语音服务中分离出来的数据服务业务, 使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算, 并非使用其整个频道, 因为不要单独组网, 较为经济实惠。

GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。而且, 因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器, 所以连接及传输都会更方便容易

由于GSM-R网络覆盖上与GSM网有交叉, 而且GPRS可以方便地与手机通信, 所以目前在部分铁路报警信息发布中GPRS有着广泛的用途。

(三) Zig Bee

Zig Bee是一种基于IEEE802.15.4的低功耗、低传输速率、架构简单的短距离无线通信技术, 它在自动测控领域的应用正越来越引起业界的瞩目。

Zigbee传输距离为数十米, 使用频段为免费的2.4GHz与900MHz频段, 传输速率为20kbps至250kbps。相对于现有的各种无线通信技术, Zig Bee技术的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准, 这将成为未来Zigbee技术主要的发展方向。此外, Zigbee成本低、结构简单、耗电量小等特点, 使得利用Zigbee技术组成的网络具备省电、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性强等诸多优势, 基于Zigbee技术的网状网结构在组网和选择网络路径时更加灵活、自由。

因为Zigbee具有组网和免运营费的特点, 因而非常适合于铁路局部区域数据采集中, 比如铁路雷电监测系统中、道岔综合监测系统等。

(四) CAN总线通信。

CAN是控制器局域网络 (Controller Area Network, CAN) 的简称, 是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的, 并最终成为国际标准。是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧, CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线, 并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来, 其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视, 被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN通信在铁路信号微机监测系统中广为应用, 微机监测系统对下位机信息采集大部分采用这种方式。部分区间监测设备也采用这种方式。

(五) 载波通信

所谓载波 (尤指电力线载波通信) 是指利用已有的配电网作为传输媒介, 实现数据传递和信息交换的一种技术, 即高频的通信信号与电力工频电流通过占用不同的频段来共用电力线网络进行传输。

优点:省通讯线路, 无高频发射, 缺点:不能跨越变压器, 相间传送要有措施。

载波通信以其节省通信线路的特点广泛应用于铁路区间设备的通信中, 特别是在增加设备时因受通信线路容量的限制而敷设线缆困难的场合应用更多, 比如道岔缺口监测设备的通信、区间轨道电路的监测等。

还有是通过钢轨作为信道进行信息传播, 这是载波通信的变种, 目前正在探索中, 应用前景广阔。笔者已将本方式应用于工务断轨监测系统, 该系统已经敷设到上海、沈阳、呼和浩特等6个铁路局及9个地方铁路公司七千多公里的半自动闭塞区间监测中。

(六) 光纤通信

光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点, 光纤通信中的光波主要是激光, 所以又叫做激光-光纤通信。

光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息 (如话音) 变成电信号, 然后调制到激光器发出的激光束上, 使光的强度随电信号的幅度 (频率) 变化而变化, 并通过光纤经过光的全反射原理传送;在接收端, 检测器收到光信号后把它变换成电信号, 经解调后恢复原信息。

光纤通信是现代通信网的主要传输手段, 它的发展历史只有一二十年, 已经历三代:短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革, 美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路, 而致力于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。

当前铁路通信网络的主干网即由光纤承担。由于其带宽高, 抗干扰性强调特点, 在铁路视频监测中的应用越来越广泛, 部分视频缺口监测中也用到光纤通信。

(七) 卫星通信

卫星通信的方式一般有两种:点对点的通信方式, 即现场通信设备和室内通信设备分别与通信卫星之间实现射频数据传输, 卫星在其中担任信号中转的任务。另一种方式是点对网络的通信方式, 即现场通信设备与通信卫星之间实现射频数据传输, 而卫星的服务提供商则设立数据服务中心将卫星数据转发到Internet网上, 应用程序从专用的IP地址中的端口收发信息。这种方式适合点对多点的通信需求。

卫星通信方式的优点是通信距离远, 适用于全球任意两点的通信。并且不需受制于通信基站, 具有很大的灵活性。对于偏远地区的铁路设备通信具有积极的意义。笔者设计的铁路工务断轨监测系统沿铁路沿线安装设备, 基本通过GPRS的方式与服务器通信, 在呼铁局管内靠近边境的额哈线、锡二线等线路, 均遇到沿线无移动、联通、电信等无线运营商的基站的情况, 以致于无法采用GPRS的通信方式。经多方比选, 在欧星、铱星和北斗卫星中挑选了北斗通信。采用该方式实现了全线无盲区监测。

北斗导航卫星是我国自主研发的导航系统, 具备导航、授时、通信的功能。根据铁路沿线信号采集的特点, 笔者采用其短报文通信功能。使用时发现其有以下特点, 供读者选型时参考:

(1) 短报文的数据长度宜小于160个byte, 大容量数据传输效率很低, 需要拆分打包。

(2) 北斗通信系统给每个通信终端采用令牌环通信机制, 简单说就是分时间片通信, 每一个通信终端在1分钟内只给一次通信机会 (非军事用途) 。

(3) 特别适用于设备分散、数据量不大的应用场景 (不适应于铁路隧道) 。

四、各种通信方式的比较及选择

各种通信方式各有其优缺点, 表1就部分通信方式的各种特性进行比较。

根据表1的性能比较, 选用何种通信方式基本按如下依据:

(1) 对于通信主干道, 要求带宽高, 抗干扰性好, 则选用光纤通信。

(2) 对于范围小, 数据量不大, 布线不方便的场合, 选用Zig Bee通信方式。

(3) 局部范围的总线通信当选用CAN通行, 且其抗干扰性能较好。

(4) 在布线不方便, 对通信速率要求不高的场合可以尝试用载波通信。

(5) 数据流量不大, 通信点分散且距离大, 可以用GPRS。

(6) GSM-R为专用通道, 需铁通或铁路局通信主管部门认可才可以使用。

(7) 卫星通信适用于偏远的无人区铁路线路上的设备监控。

五、结束语

铁路区间设备通信方式还有很多, 不一一例举。每种通信方式都有其自身特点, 设计中需要详细了解目标需求, 包括带宽、通信媒介、抗干扰等级, 通信距离以及造价等方面的因素。设计人员应根据设计目标选用合适的通信方式, 而不应生搬硬套, 各种通信方式之间还可以组合以达到最佳设计目的。维护人员则需加强对通信原理基础知识的学习, 了解业务范围内各种通信方式的特点, 以适应现场设备检修的需要。

摘要：由于近年来铁路快速发展, 相关的工务设备也向电子化方向发展, 一般工务人员专业都侧重于桥梁、隧道、钢轨、防灾及基建等。本文根据现场的实际情况, 列举了若干种通信方式, 并将其大致的特点归纳了一下, 分析各种通信方式的优缺点, 便于设计人员根据自身产品的特点选用合适的通信方式, 也为铁路工务从业人员维护设备提供参考。

关键词：铁道,设备,通信