机车车载监测信息综合传输系统及方法与流程

本发明涉及铁路装备的机车通讯领域，尤其涉及一种机车车载监测信息综合传输系统及方法。

背景技术：

随着铁路装备信息化、智能化的不断推进，各铁路装备对铁路车地无线数据通道的需求越来越迫切。

我国铁路采用gsm-r为铁路运营调度通信系统提供专业的车地无线通道，对铁路装备的信息化数据承载比较也有限，无法满足视频、图像、日志等对传输带宽要求较高的业务需求。

机车已装配了多种车载设备监测系统，提升了各业务设备故障预警和故障排查能力、提高了作业人员的作业效率和管理水平，在故障排查、安全风险预警等方面发挥了作用。

各机车车载监测系统为实现车载监测信息数据下地，各自独立建设车地无线传输系统，造成了机车设备间/地面机房相同功能单元重复建设，机车设备间设备安装空间严重不足，机车车顶天线缺乏统一规划，同频天线之间存在相互干扰隐患。

各监测系统均需使用gsm-r/gprs网络，gsm-r/gprs通道缺乏统一规划使用，各监测系统均与运营调度系统抢占gsm-r/gprs信道资源，存在安全隐患。

各监测系统在机车上均需利用商用4g网络搭建车地传输通道，造成铁路业务部门的重复投资。

为统一规范使用gsm-r/gprs网络资源、统筹共享商用4g机车车地无线通道和wlan车地无线通道，如何提供一种机车车载监测信息综合传输系统，满足机车与地面通信的要求，避免重复投资是需要解决的问题。

技术实现要素：

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种机车车载监测信息综合传输系统及方法，能解决。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种机车车载监测信息综合传输系统，包括：

车载综合传输设备、地面接入网关和地面数据转发服务器；其中，

所述车载综合传输设备，设在机车上，与所述机车上各车载设备通信连接；

所述车载综合传输设备，通过铁路专用移动通信网经地面设置的所述地面接入网关与各业务系统的地面设备通信连接，能经铁路专用移动通信网和地面接入网关传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的业务数据；

所述车载综合传输设备，通过铁路专用无线局域网经地面设置的所述地面数据转发服务器和地面接入网关与各业务系统地面设备通信连接，能经铁路专用无线局域网、地面数据转发服务器和地面接入网关传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的业务数据。

本发明实施方式还提供一种机车车载监测信息综合传输系统，采用本发明所述的机车车载监测信息综合传输系统，包括以下步骤：

步骤1，活动性检测：所述系统的车载综合传输设备与地面接入网关之间通过活动性检测检查无线链路的质量，确认无线链路是否正常；

步骤2，接入认证：在所述步骤1检测确认无线链路正常状态下，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间通过机车号/车次号登记机制进行设备的接入认证；

步骤3，建立业务通道：在所述步骤2的接入认证通过后，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间建立传输数据的业务通道；

步骤4，车地数据传输：利用所述步骤3建立的所述车载综合传输设备与地面接入网关之间的业务通道传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的信息。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的机车车载监测信息综合传输系统及方法，其有益效果为：

通过设置车载综合传输设备，经铁路专用铁路专用移动通信网、地面接入网关将机车上的各车载设备与地面的各业务系统的地面设备通信连接，以及经铁路专用无线局域网、地面数据转发服务器和地面接入网关将机车上的各车载设备与地面的各业务系统的地面设备通信连接，进而实现了为机车上的多个车载设备提供与地面各业务系统的地面设备提供综合信息的传输通道。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的机车车载监测信息综合传输系统的构成示意图；

图2为本发明实施例提供的综合传输系统的车载综合传输设备的主控单元构成示意图；

图3为本发明实施例提供的机车车载监测信息综合传输方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的方法中的活动性检测的正常活动性检测时序图；

图5为本发明实施例提供的方法中的活动性检测的故障情况下活动性检测时序图；

图6为本发明实施例提供的方法中的接入认证步骤的正常情况下注册时序图；

图7为本发明实施例提供的方法中的接入认证步骤的故障情况下注册时序图；

图8为本发明实施例提供的方法中的建立业务通道步骤的业务通道建立正常交互时序图；

图9为本发明实施例提供的方法中的建立业务通道步骤的业务通道建立异常交互时序图；

图10为本发明实施例提供的方法中的车地数据传输步骤的业务数据正常交互时序图；

图11为本发明实施例提供的方法中的车地数据传输步骤的业务数据丢帧交互时序图；

图12为本发明实施例提供的方法中的车地数据传输步骤的业务数据连续超时处理时序图；

图13为本发明实施例提供的方法中的车地数据传输步骤的业务数据应答帧连续四次丢失时交互时序图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种机车车载监测信息综合传输系统，包括：

车载综合传输设备、地面接入网关和地面数据转发服务器；其中，

所述车载综合传输设备，设在机车上，与所述机车上各车载设备通信连接；

所述车载综合传输设备，通过铁路专用移动通信网经地面设置的所述地面接入网关与各业务系统的地面设备通信连接，能经铁路专用移动通信网和地面接入网关传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的业务数据；优选的，此处传输的业务数据为实时信息；

所述车载综合传输设备，通过铁路专用无线局域网经地面设置的所述地面数据转发服务器和地面接入网关与各业务系统地面设备通信连接，能经铁路专用无线局域网、地面数据转发服务器和地面接入网关传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的业务数据。优选的，此处传输的业务数据为非实时信息；

上述系统中，车载综合传输设备包括：接入单元、无线传输单元、天馈线和主控单元；

其中，所述接入单元，与所述主控单元通信连接，能与所述机车上各车载设备通信连接；

所述无线传输单元，与所述天馈线电气连接，能通过铁路专用移动通信网经地面设置的所述地面接入网关与各业务系统地面设备通信连接；以及通过铁路专用无线局域网经地面设置的所述地面数据转发服务器与各业务系统地面设备通信连接；

所述主控单元，与所述无线传输单元通信连接，经所述无线传输单元通过所述铁路专用移动通信网和地面接入网关传输各车载设备与各地面设备之间的实时信息；以及经所述无线传输单元通过铁路专用无线局域网，经地面设置的所述地面数据转发服务器和地面接入网关传输各车载设备与各地面设备之间的非实时信息。

如图2所示，上述系统中，主控单元包括：链路活动性检测模块、接入认证模块、业务通道建立模块和业务数据传输模块；

其中，所述链路活动性检测模块，与所述无线传输单元通信连接，能通过活动性检测来检查所述无线传输单元与所述地面接入网关之间无线链路的质量；

所述接入认证模块，与所述链路活动性检测模块通信连接，能在链路活动性检测模块检测确认无线链路正常状态下，在所述车载综合传输设备与地面接入网关之间通过机车号/车次号登记方式进行设备的接入认证；

所述业务通道建立模块，与所述接入认证模块通信连接，能在所述接入认证模块的接入认证通过后，在所述车载综合传输设备与地面接入网关之间建立传输数据的业务通道；

所述业务数据传输模块，与所述业务通道建立模块连接，能利用所述业务通道建立模块建立的所述车载综合传输设备与地面接入网关之间的业务通道，传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的业务数据。

上述系统中，地面接入网关包括：数据处理设备和运维处理设备；

其中，所述数据处理设备，经所述运维处理设备与各业务系统地面设备通信连接；

所述数据处理设备，经铁路专用移动通信网与所述车载综合传输设备通信连接。

上述系统中，地面数据转发服务器包括：

数据处理单元和数据转发单元；其中，

所述数据处理单元，经所述数据转发单元经所述地面接入网关与各业务系统地面设备通信连接；

所述数据处理单元，经铁路专用无线局域网与机车上的所述车载综合传输设备通信连接。

如图3所示，本发明实施例还提供一种机车车载监测信息综合传输方法，采用上述的机车车载监测信息综合传输系统，包括以下步骤：

步骤1，活动性检测：所述系统的车载综合传输设备与地面接入网关之间通过活动性检测检查无线链路的质量，确认无线链路是否正常；

步骤2，接入认证：在所述步骤1检测确认无线链路正常状态下，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间通过机车号/车次号登记机制进行设备的接入认证；

步骤3，建立业务通道：在所述步骤2的接入认证通过后，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间建立传输数据的业务通道；

步骤4，车地数据传输：利用所述步骤3建立的所述车载综合传输设备与地面接入网关之间的业务通道传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的信息。

上述方法的步骤1中，所述系统的车载综合传输设备与地面接入网关之间通过活动性检测检查无线链路的质量，确认无线链路是否正常包括：

步骤11，所述车载综合传输设备获取gsmr-r/gprs或4g网络的ip地址后，所述车载综合传输设备启动gsm-r/gprs或4g链路的活动性检测；

步骤12，所述车载综合传输设备在设定周期向所述地面接入网关发送活动性检测的数据帧；

步骤13，所述地面接入网关在收到所述活动性检测的数据帧后立即回复活动性检测响应的数据帧；

步骤14，所述车载综合传输设备若在设定周期内收到所述地面接入网关回复的活动性检测响应的数据帧，则确认则确认该无线链路通道正常；若在设定周期内未收到所述地面接入网关回复的活动性检测响应的数据帧，则重复发送一帧活动性检测的数据帧，重发两次后仍未收到所述地面接入网关回复的动性检测响应的数据帧，则确认该无线链路通道异常。

上述方法的步骤2中，在所述步骤1检测确认无线链路正常状态下，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间通过机车号/车次号登记机制进行设备的接入认证包括：

步骤21，在确认无线链路正常后，所述车载综合传输设备向所述地面接入网关发送机车号/车次号登记请求帧进行登记；

步骤22，所述地面接入网关收到所述车载综合传输设备发送的机车号/车次号登记请求帧后，建立并存储机车号、车次号和ip地址的对应关系，并向所述车载综合传输设备回复机车号/车次号登记响应帧；

步骤23，所述车载综合传输设备若在设定周期内未收到所述地面接入网关回复的机车号/车次号登记响应帧，则重复发送一帧机车号/车次号登记请求帧，重发两次后仍未收到所述地面接入网关回复的机车号/车次号登记响应帧，所述车载综合传输设备进入该链路无线通道不可用状态，更改发送周期为长周期，重复发送机车号/车次号登记请求帧直至收到所述地面接入网关回复的机车号/车次号登记响应帧，并启动建立业务通道任务。

上述方法的步骤3中，在所述步骤2的接入认证通过后，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间建立传输数据的业务通道包括：

步骤31，在接入认证通过后，所述车载综合传输设备向所述地面接入网关发送业务通道建立请求帧建立车地无线传输通道；

步骤32，所述地面接入网关收到所述车载综合传输设备发送的业务通道建立请求帧后，复位接收状态(通过复位接收状态变量值实现)，向所述车载综合传输设备回复业务通道建立响应帧；

步骤33，所述车载综合传输设备若在设定周期内未收到所述地面接入网关回复的业务通道建立响应帧，则重复发送一帧业务通道建立请求帧，重发两次后仍未收到所述地面接入网关回复的业务通道建立响应帧，更改发送周期为长周期，重复发送机车号/车次号登记请求帧直至收到所述地面接入网关回复的业务通道建立响应帧，并启动业务数据的收发处理。

步骤34，业务数据连续出现四次超时重发后，进入该链路无线通道不可用状态，直至收到所述业务通道建立响应帧。

上述方法的步骤4中，所述车载综合传输设备与地面接入网关之间的业务通道，按如下方式传输各车载设备与各业务系统地面设备之间的信息，包括：

(41)发送端的滑动窗口内发送的业务数据为n帧，n＝10；

发送端有多帧需要发送时发送间隔为t，t间隔内有多帧要发送时，多帧一起发送，但一次发送的总长度不大于1024字节；发送间隔t的计时方式为：在发送窗口内有新帧业务数据发送则重新计时，或收到接收端的业务数据响应帧则重新计时；

(42)接收端的接收间隔为t1，t1小于t，接收端在接收间隔t1内收到n1帧的业务数据帧，n1小于n，立即向发送端回复业务数据响应帧，并对接收间隔t1重新计时；

(43)接收端在接收间隔t1计时结束时，若有待确认的业务数据帧，立即向发送端回复业务数据响应帧，并对接收间隔t1重新计时；

(44)发送端若在接收间隔t1内没有收到接收端回复的业务数据响应帧，启动重发自上一次接收到的业务数据响应帧的帧序号至发送窗口内帧号的业务数据；

(45)接收端收到已确认业务数据帧后不再向业务系统转发此帧业务数据，并再次发送最近一次的业务数据响应帧；

(46)若接收端发现丢帧立即向发送端回复业务数据响应帧；

(47)地面接入网关收到注册数据帧后置接收帧、发送帧序号为0。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

本发明实施例提供一种机车车载监测信息综合传输系统，该系统架构如图1所示，包括：车载综合传输设备(英文简写表示为mit)、地面接入网关、地面数据转发服务器等设备。车载综合传输设备由主控单元、无线传输单元、接入单元、天馈线等组成。地面接入网关由数据处理设备和运维处理设备组成。地面数据转发服务器由数据处理单元和数据转发单元组成。

车载综合传输设备以串口/以太网接口与各业务系统车载设备进行信息交互；数据转发服务器部署在动车所、机务段、车站，通过以太网接口与地面接入网关互联实现信息交互；地面接入网关部署在安全生产网中，通过以太网接口与各业务系统地面设备互联进行信息交互。

车载综合传输设备通过gsm-r网络经m-gris与地面接入网关进行实时信息交互，利用公众移动通信网络(3g/4g)经mtup、安全平台与地面接入网关进行实时信息交互，通过铁路专网wlan经数据转发服务器与地面接入网关进行非实时信息交互。

上述系统及设备的功能如下：

(1)该系统为在途运行中的机车运行工况信息及电务、供电、工务等各类车载设备状态、监测、检测等实时信息提供综合的车对地、地对车无线传输通道。

(2)该系统为机车及电务、供电、工务等各类车载设备故障记录文件、事件记录文件、日志等非实时的大容量数据提供综合的车对地、地对车无线传输通道，一般在机车/动车组入库时进行。

(3)该系统对承载的业务数据采用透明的方式进行传输功能。

(4)该系统按设备标识、设备服务类型等类别将业务数据分发给对应的业务系统。

(5)该系统具有对业务数据的信息格式、设备标识、设备服务类型等进行合法性认证功能。

(6)该系统工作不应影响其他业务系统的正常运行。

(7)该系统的车载综合传输设备与地面接入网关之间具有接入认证的功能。

(8)该系统的车载综合传输设备与地面接入网关之间具有链路活动性检测功能。

利用上述的机车车载监测信息综合传输系统，进行业务数据传输的方法，包括以下步骤：

步骤1，活动性检测步骤：

该活动性检测为车载综合传输设备(mtp)与地面接入网关之间通过活动性检测来检查无线链路的质量。

该活动性检测的具体步骤如下：

步骤11，车载综合传输设备(mtp)获取gsmr-r/gprs或4g网络的ip地址后，mtp即可启动gsm-r/gprs或4g链路的活动性检测功能。

步骤12，车载综合传输设备(mtp)发送“活动性检测”数据帧的间隔为30s。

步骤13，地面接入网关在收到“活动性检测”数据帧后立即回复“动性检测响应”数据帧。

步骤14，车载综合传输设备(mtp)如果在30s内未收到“活动性检测响应”数据帧，可重复发送一帧“活动性检测”数据帧，发送间隔为30s，最多重发2次。重发2次后仍未收到“动性检测响应”数据帧，则认为该无线链路通道异常。

上述活动活动性检测中，正常情况下活动性检测时序如图4所示；异常情况下活动性检测时序如图5所示。

步骤2，接入认证步骤：

车载综合传输设备(mtp)与地面接入网关之间通过“机车号/车次号登记”机制实现设备的接入认证。

步骤21，车载综合传输设备(mtp)开机完成活动性检测以后，向地面接入网关发送“机车号/车次号登记请求帧”进行登记。

步骤22，地面接入网关收到车载综合传输设备(mtp)发送的“机车号/车次号登记请求帧”后：

(221)建立并存储“机车号–车次号–ip地址”对应关系；

(222)向车载综合传输设备(mtp)发送“机车号/车次号登记响应帧”；

步骤23，车载综合传输设备(mtp)如果在30s内未收到地面接入网关回复的“机车号/车次号登记响应帧”，可重复发送一帧“机车号/车次号登记请求帧”，发送间隔为30s，最多重发2次。重发2次后仍未收到地面接入网关回复的“机车号/车次号登记响应帧”，车载综合传输设备(mtp)进入“该链路无线通道不可用状态”，更改发送间隔为180s重复发送直至收到地面接入网关回复的“机车号/车次号登记响应帧”，并启动业务通道建立任务。

上述接入认证步骤中，正常情况下注册时序如图6所示，故障情况下注册时序如图7所示。

步骤3，建立业务通道步骤：

步骤31，车载综合传输设备(mtp)开机完成第一次机车号/车次号登记后，向地面接入网关发送“业务通道建立请求帧”建立车地无线传输通道。

步骤32，地面接入网关收到车载通用传输平台(gtp)发送的“业务通道建立请求帧”后：

(321)复位接收状态变量值，进行接收状态的复位；

(322)向车载综合传输设备(mtp)发送“业务通道建立响应帧”。

步骤33，车载综合传输设备(mtp)如果在30s内未收到地面接入网关回复的“业务通道建立响应帧”，可重复发送一帧“业务通道建立请求帧”，发送间隔为30s，最多重发2次。重发2次后仍未收到地面接入网关回复的“业务通道建立响应帧”，更改发送间隔为180s重复发送直至收到地面接入网关回复的“业务通道建立响应帧”，并启动业务数据的收发处理。

步骤34，业务数据连续出现4次超时重发后，进入“该链路无线通道不可用状态”，直至收到“业务通道建立响应帧”。通过该步骤，可实现等待业务信道可用，如果地面设备故障等待地面设备恢复。

上述建立业务通道步骤中，业务通道建立正常交互时序如图8所示，业务通道建立异常交互时序如图9所示。

步骤4，车地数据传输步骤：

利用上述建立的车地无线传输通道进行车地之间的业务数据传输，具体进行业务数据发送和流量控制的机制如下：

(41)发送端的滑动窗口为n(n＝10)；

(42)发送端有多帧需要发送时发送间隔为t(t＝2s)，t间隔内有多帧要发送时，多帧一起发送，但总一次发送的发送长度不应大于1024字节；

(43)t1(t1＝15s)内接收端收到n1(n1＝5)帧“业务数据帧”，立即发送“业务数据响应帧”，并重启t1计时；

(44)t1计时结束有待确认的“业务数据帧”，立即发送业“务数据响应帧”，并重启t1计时；

(45)发送端t1内没有接收到“业务数据响应帧”，启动重发自上一次接收到的“业务数据响应帧”帧序号至发送窗口内帧号的“业务数据”。

(46)发送端的定时机制：在发送滑动窗口内有新帧发送重新计时；收到接收端的应答帧重新计时。

(47)接收端接到已经确认“业务数据帧”后不再向业务系统转发此帧数据，并再次发送最近一次的“业务数据响应帧”，从而防止接收端发送的“业务数据响应帧”丢失而重复向业务系统发送已确认的业务数据帧；

(48)接收端发现丢帧立即发送“业务数据响应帧”；

(49)地面接入网关收到“注册数据帧”后置接收帧、发送帧序号为0。

上述车地数据传输步骤中，业务数据正常交互时序如图10所示，其步骤如下：

(401)mtp的发送窗口为10；

(402)mtp有多帧需要发送时发送间隔为2s；

(402)地面接入网关15s内收到5帧“业务数据帧”，立即发送“业务数据响应帧”，并重启15s计时；

(402)地面接入网关15s计时结束有待确认的“业务数据帧”，立即发送业“务数据响应帧”，并重启15s计时。

上述车地数据传输步骤中，业务数据丢帧丢帧交互时序如图11所示，其步骤如下：

(411)在mtp发送窗口内，每有一新帧要发送，重启15st1定时器；

(412)收到地面接入网关的“业务数据应答帧”后，没有待确认的业务数据帧，关闭t1定时器；

(412)地面接入网关发现丢帧以后立即发送“业务数据应答帧”，并将丢帧的帧号发送给mtp；

(413)mtp收到地面接入网关的“业务数据应答帧”后，发现地面接入网关出现接收丢帧，立即发送丢帧的“业务数据帧”；

(414)地面接入网关收到重发的丢帧数据以后，立即回复“业务数据应答帧”。

上述车地数据传输步骤中，业务数据应答帧丢失超时交互时序如图12所示，由于丢失地面接入网关发送的“业务数据应答帧”而造成的mtp定时器t1超时，mtp从第一帧开始重发，重发间隔为2s，mtp发送了第一帧业务数据后，地面接入网关发现为已确认帧，立即发送“业务数据应答帧”，已确认的业务数据帧由地面接入网关丢弃。

上述车地数据传输步骤中，业务数据连续超时处理时序如图13所示，业务数据应答帧连续丢失四次，重新向地面接入网关发送“机车号/车次号登记请求”和“业务通道建立请求帧”，重新建立mtp与地面接入网关的业务通道。

本发明的传输系统及方法，能实现在我国铁路首次为各机车车载监测系统提供综合传输，为多业务系统提供统一的gsm-r/gprs、4g、wlan车地无线传输。

(2)该传输系统通过接入认证机制对接入设备的合法性进行检验提升了安全性。

(3)该传输系统通过车地数据传输机制保证了各业务监测数据车地传输时监测数据的完整性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。