一种轨旁设备户外在线监测系统及其通信差错控制方法与流程

本发明涉及轨道交通技术研究领域，具体地，涉及一种轨旁设备户外在线监测系统及其通信差错控制方法。

背景技术：

目前国内信号集中监测系统对各种设备的信息采集仅局限于室内局部电路，没有室外设备信息采集。而90％的信号设备故障都发生在室外，当故障发生时因没有室外设备监测手段，维护人员只能通过人工测量、查找故障点，故障处理时间较长。尤其是区间轨道电路故障处理时间更长，经常超过2小时而构成d21事故，严重干扰行车组织。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的轨旁设备户外监测方法存在只能根据既定配置文件静态实施差错控制，效率较低，严重干扰行车组织的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种轨旁设备户外在线监测系统及其通信差错控制方法，解决了现有的轨旁设备户外监测方法存在只能根据既定配置文件静态实施差错控制，效率较低，严重干扰行车组织的技术问题，实现了缩小通信故障范围，提高轨旁设备户外在线监测系统可靠性，提高了监测效率的技术效果。

为了提高铁路信号监测检测、综合智能分析和辅助决策能力，应用轨旁设备户外在线监测技术研发一套轨旁设备户外在线监测系统，通过对检测、监测设备进行功能完善、技术集成，形成具有综合处理功能的检测与监测平台。

轨旁设备户外在线监测系统所采用的窄带高速低压电力线载波通信(lplc)技术以路径相同的电力线路为传输媒质，结合滤波设备，把要传输的语音、数据等低频、低电压信号转变成能在电力线路上传输的高频信号，在电力线路上传输并在接收端还原的一种通信方式。lplc具有投资少、施工期短、设备简单、与电网建设同步、覆盖面与电力系统一致等优点，对于通道数量不多，而需要通信覆盖节点数量较多，或采用其它通信方式不便的情况下，可考虑采用lplc。

由于各车站待监测的区间移频、室外道岔转辙机、室外25hz相敏轨道电路及信号机点灯单元等轨旁设备数量及安装位置相对固定，无其它用途的节点随机加载到底层监测系统，且通信信息量小，通信次数较频繁，因此轨旁设备户外在线监测系统具有采集点分散、网络负载稳定，多数为短帧数据传送、信息传输量不大、交换频繁、协议简单、实时性要求高等特点。

由于lplc调制解调器(以下简称modem)需要能够在电气化区段或机车通过时正常工作，因此应能抵抗住较大的电磁干扰。数据通信过程中，由于受到外界噪声等综合因素的影响，接收端接收到的信号波形遭到破坏，可能导致信息的错误判决，导致错码。因此，为增强lplc通信可靠性，轨旁设备户外在线监测系统基于差错控制技术编码传输数据以降低误码率。

从差错控制角度来看，按加性噪声所造成错码的分布规律不同，信道可分为突发信道、随机信道和混合信道三类。突发信道中，错码集中出现，即某一较短时间段内会出现较多错误码元；随机信道中，错码随机出现；混合信道中，既包含突发错码又包含随机错码。依据电气化区段特性可知轨旁设备户外在线监测系统中lplc信道属于混合信道。差错控制编码技术主要可分为前向纠错(fec)、自动请求重发(arq)及混合自动重发(harq)技术等。

fec技术就是在发送信息码元序列中加入监督码元，接收时可利用这些监督码元对接收信息序列纠错。fec无需重发数据帧，不存在重发产生的延时，因此实时性很好，但为了实现纠错，需要加入较多的监督码元，且设备较复杂。arq技术就是在发送信息码元序列中加入监督码元，当接收端收到的数据帧错码时，则向发送端传送重发命令，要求重发该帧数据。采用arq技术时，只能检错而不能纠错，所需监督码元较少，因此有效码元的传输率较高，但需要有时分双向信道传送确认或重发指令，存在因反复重发产生的较大延时，系统实时性较差。harq技术是一种由fec和arq相结合的差错控制技术。harq系统中，利用fec对接收数据帧执行arq处理，经过多次arq后，若数据仍存在错误，则丢弃，并向发送端请求重发该帧数据，harq差错控制方式既能检错又能纠错，结合了fec及arq的优点，同时，又在一定程度上避免了它们的缺点。

为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种轨旁设备户外在线监测系统，所述系统包括：

数据采集单元，用于采集轨道电路的移频信号参数、轨道电路电压、信号机点灯回路参数、道岔转辙机动作及缺口特性参数；

数据传输单元，用于将数据采集单元采集的数据通过lplc信道传输给plc协议转换器；

plc协议转换器，用于进行协议转换，将转换后的数据传输给通信接口分机，通过通信接口分机传输至信号集中监测站机。

其中，所述数据采集单元具体为室外监测采集传感器，包括：区间移频室外监测传感器、25hz轨道电路室外监测传感器、信号机室外监测传感器、道岔转辙机室外监测传感器。

其中，所述室外监测采集传感器用于采集区间移频电流信号、220v/50hz工频强电电流、25hz相敏轨道电路电流、直流电流信号、220v/50hz工频强电电压、25hz相敏轨道电路电压、直流电压信号、温度及开关量。

其中，区间移频电流信号包括：区间移频信号的发送端、接收端电缆侧电流，发送端、接收端钢轨引接线电流；220v/50hz工频强电电流、25hz相敏轨道电路电流、或直流电流信号包括：转辙机动作电流及25hz相敏轨道电路电流；220v/50hz工频强电电压、25hz相敏轨道电路电压或直流电压信号包括：区间信号点灯单元输入电压、输出主灯丝电压及25hz相敏轨道电路电压，开关量包括：区间信号机点灯继电器及安全继电器状态，转辙机动作开关量及25hz相敏轨道电路动作开关量。上述信号均为反映室外信号机、轨道电路、转辙机等轨旁设备运行状态的关键参数，通过采集上述信号以实时监控轨旁信号设备的运行状态和运用质量，捕捉瞬间异常情况，实现对轨旁信号设备的预警分析，从而构建完整的信号设备室内外监测体系，提高集中监测系统的预警和综合分析能力，并为铁路站场设备“状态修”提供数据支撑。

其中，所述plc协议转换器包括：

变压器耦合单元，用于将电力线上的220v/50hz工频强电电流与plc协议转换器隔离，同时滤除lplc信道带来的窄带干扰及脉冲干扰，将载波信号从工频强电中提取出来；

载波输出单元，用于信号功率放大和滤波；

载波输入单元，对接收载波信号滤波和放大整形；

dc100v供电单元，用于为plc协议转换器的各组成单元电路提供稳定的供电电压；

协议转换单元，用于进行通信协议转换处理；

通信单元，用于将转换后的数据传输至通信接口分机。

其中，通信接口分机安装于室内，与室外数据采集单元通过rs485总线实现基于令牌环的信息交互，与室内轨道电路诊断主机通过can总线实现基于矩阵周期的信息交互，与信号集中监测站机通过lan局域网实现基于套接字socket的信息交互。

另一方面，本申请还提供了一种通信差错控制方法，应用于轨旁设备户外在线监测系统中，所述方法包括：

步骤1：若通信接口分机监测到接收当前数据帧错码超过设定阈值，转步骤2，反之，转步骤10；

步骤2：若数据采集单元检测到当前lplc传输时隙满足传输1帧数据，则自动请求重发，反之，转步骤8；

步骤3：若通信接口分机监测到数据采集单元自动重发次数超过当前最大限值，转步骤4，反之，转步骤1；

步骤4：通信接口分机轮询所有中继及终端是否在线，若所有节点均在线，转步骤5，反之，转步骤11；

步骤5：若通信接口分机请求数据采集单元对分数据帧次数超过当前最大限值，转步骤8，反之，转步骤6；

步骤6：若数据采集单元响应对分数据帧命令成功，则对分数据帧，并转步骤7，反之，转步骤5；

步骤7：若通信接口分机监测到对分数据帧次数超过当前最大限值，转步骤8，反之，转步骤5；

步骤8:实施最优化lplc通信策略，以增加通信时隙，转步骤9；

步骤9：若通信接口分机监测到最优化通信策略次数超过当前最大限值，重构lplc通信机制，转步骤1；

步骤10：通信接口分机等待接收下一帧数据；

步骤11：若通信接口分机监测到不在线节点断点重连成功，转步骤1，反之，转步骤12；

步骤12：若通信接口分机监测到单一节点断点重连次数超过当前最大限值，则断开与相应节点物理链接，并本地报警及向信号集中监测站机上发该告警信息，反之，转步骤11。

进一步的，所述重构lplc通信机制具体包括：

步骤a：依据各节点错码超标严重程度排序lplc节点，形成循环链表；

步骤b：依据步骤a生成的循环链表节点信息匹配当前网络信息表，并依序分类中继号与设备号，分别形成中继网络信息表及设备网络信息表；

步骤c：若中继节点均衡，转步骤d，反之，转步骤j；

步骤d：当前中继节点传输时隙内，依据错码超标严重程度，依次断网重连该中继范围内所连终端节点；

步骤e：若断网重连当前终端节点成功，转步骤f，反之，转步骤h；

步骤f：若搜索完毕该中继范围内所连终端节点，转步骤g，反之，转步骤d；

步骤g：重新生成网络信息表，统计在线节点数量，并根据当前设定的轮测时间重新计算通信时隙；

步骤h：若断网重连当前终端节点超时，移除该终端节点并本地报警及将此报警信息上发至信号集中监测站机，并转步骤i，反之，转步骤e；

步骤i：若该中继节点负载均衡，则转步骤f，反之，转步骤j；

步骤j：依据当前网络信息表重构中继机制并转步骤b。

进一步的，自动请求重发次数最大值为轨旁设备轮测时间与现场总线的刷新时间的比值，并向下取整；对分数据帧次数的最大值定为当前lplc传输时隙与现场总线的刷新时间的比值，并向下取整；以最优化lplc通信策略增加中继节点或具有中继功能的集中器或通信终端方式，最优化次数的最大值由所增加中继节点的最大限值确定；基于数据传输层最优化lplc组网算法以重构lplc通信机制。

进一步的，最优化lplc通信策略基于通信时隙及对分数据帧联合定制。

以增加适当中继节点或具有中继功能的集中器或通信终端方式最优化lplc通信策略，最优化次数的最大值由所增加中继节点的最大限值确定。如果监测到通信时隙不足以传输1帧数据时，立即实施最优化lplc通信策略，反之，自底向上依序执行自动请求重发(arq)、对分数据帧及最优化lplc通信策略。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

通过采集自动化设备完成数据采集和处理，实现了在线高效监测，通过在该轨旁设备户外在线监测系统所采用的窄带高速低压电力线载波通信中加入通信差错控制机制，当检测到传输数据帧错码超标时，分级实施控制策略，从而缩小通信故障范围，以便提高轨旁设备户外在线监测系统可靠性，从而提高了监测效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中室外轨道信号设备监测系统结构框图；

图2是本申请中室外监测采集传感器结构框图；

图3是本申请中plc协议转换器结构框图；

图4是本申请中通信接口分机结构框图；

图5是本申请中通信差错控制流程示意图；

图6是本申请中重构lplc通信机制实现流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种轨旁设备户外在线监测系统及其通信差错控制方法，解决了现有的轨旁设备户外监测方法存在只能根据既定配置文件静态实施差错控制，效率较低，严重干扰行车组织的技术问题，实现了缩小通信故障范围，提高轨旁设备户外在线监测系统可靠性，提高了监测效率的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种轨旁设备户外在线监测系统，包括：区间移频室外监测、25hz轨道电路室外监测、信号机室外监测、道岔转辙机室外监测及机械室内通信系统等五部分，可根据实际铁路站场配置监测对象以选用匹配子系统。区间移频室外监测子系统主要用于电务部门监测轨道电路的移频信号参数，以确保移频设备处于良好工作状态；25hz轨道电路室外监测子系统主要用于电务部门监测25hz轨道电路电压，以确保可靠分路；信号机室外监测子系统主要用于电务部门监测信号机点灯回路参数，以确保可靠调度列车运营；道岔转辙机室外监测子系统主要用于电务部门监测道岔转辙机动作及缺口特性参数，以确保列车稳定运行。上述子系统中除监测对象不同外，所用的软、硬件平台及监测方案均一致，所以下文对各个子系统不做具体描述。

轨旁设备户外在线监测系统主要由室外及室内设备共同组成，室外设备主要包含室外监测采集传感器，室内部分主要包含室内分线盘、室内防雷模块、ac220v电源隔离箱、电源屏、plc协议转换器、通信接口分机及信号集中监测站机等功能单元，所有上述功能单元缺一不可。室外监测采集传感器完成室外道岔转辙机及轨道电路等电气特征参数采集，并通过高速低压电力线载波技术将数据传输给室内plc协议转换器，室内plc协议转换器通过rs485总线将数据传输给通信接口分机，最后通过lan网络联接信号集中监测站机。室外轨道信号设备监测系统结构框图如图1所示。

室外监测采集传感器主要用于实时无损采集区间移频电流信号、50hz/25hz或直流电流信号、50hz/25hz或直流电压信号、温度及开关量，其结构框图如图2所示。

图2中，区间移频电流信号主要包括zpw-2000a/k区间轨道电路室外监测系统中区间移频信号的发送端、接收端电缆侧电流，发送端、接收端钢轨引接线电流(长内、长外、短内、短外)；50hz/25hz或直流电流信号主要包括转辙机动作电流及25hz相敏轨道电路电流；50hz/25hz或直流电压信号主要包括区间信号点灯单元输入电压(220v)、输出主灯丝电压(11v)及25hz相敏轨道电路电压，开关量主要包括区间信号机点灯继电器及安全继电器状态，转辙机动作开关量及25hz相敏轨道电路动作开关量。频率、相角及功率因数可由图2所示的可直接测量信号值调用相关算法快速获取。

图2中的模/数转换单元、dma传输单元及cortex-m数据处理平台构成了轨旁设备户外在线监测技术的轨旁设备现场层数据采集、分析及处理平台，均为st公司的基于stm32f40系列arm内核32位高级mcu中重要模块。其中，模/数转换单元(a/dc)基于ε-δ调制器原理，为3通道12位，2.4msps采样率的连续采样模式，24通道及7.2msps采样率的三重插入模式；cortex-m数据处理平台包含指令(i)总线、数据(d)总线及s总线。

plc协议转换器安装于机械室内，起到rs485与高速低压电力线载波通信(lplc)的协议实时转换，其结构框图如图3所示。

图3中的变压器耦合单元将电力线上的220v/50hz工频强电电流与plc协议转换器隔离，同时滤除lplc信道带来的窄带干扰及脉冲干扰，将载波信号从工频强电中提取出来，同时对电路具有过压保护作用，可有效减弱信道设备关断对plc协议转换器的影响。载波输出单元由功率放大器和带通滤波器组成，对信号起功率放大和滤波作用，载波输入单元由输入带通滤波器和输入放大电路组成，对接收载波信号起到滤波和放大整形作用。dc100v供电单元为plc协议转换器的各组成单元电路提供稳定的供电电压，主要由降压电路、直流稳压电路、线性稳压器组成。降压电路负责将交流工频高压转换为直流稳定低压，由整流桥和恒流源电路组成，通过降压电路可实现220v交流供电。直流稳压电路对降压电路输出的直流电压进行滤波、稳压、过流保护，可按需调节各单元电路供电电压。线性稳压器用于输出fsk调制解调及lplc/485协议转换等单元电路所需工作电压。

通信接口分机安装于机械室内，与室外监测采集传感器通过rs485总线实现基于令牌环的信息交互，与室内轨道电路诊断主机通过can总线实现基于矩阵周期的信息交互，与信号集中监测站机通过lan局域网实现基于套接字socket的信息交互。其结构框图如图4所示。

图4中，rs485通信单元涉及8路接口电路、rs485-rs232电路及底层驱动部分，最高支持通信速率115200bps；can通信单元涉及8路接口电路及底层驱动部分，最高支持通信速率1mbps；lan通信单元涉及2路接口及底层驱动部分，1路为基于arm的cpu(atmelat91sam9263)自带的10m/100m自适应网口，1路为扩展的10m/100m自适应网口。基于复合可编程逻辑器件(cpld)的中断优先级仲裁单元，用以硬实时调度现场设备的通信任务，无缝匹配基于linux嵌入式软实时系统的信息交互，同时避免线程死锁，接口通信分机死机，轨旁设备户外在线监测系统瘫痪。基于静态随机存储器(sram)的数据转储单元依据cpld中断优先级仲裁单元制定的中断向量表缓存数据。基于arm的cpu(atmelat91sam9263)基于linux操作系统实现查表法与动态决策树算法相结合的面向应用的系统调度策略，结合了优先级抢占调度和分时调度的优点，既保证了系统的实时性又减少了线程饥饿现象的发生。显控终端用以实现人机交互界面，主要指参数配置、关键状态显示及报警显示、确认与控制。

通信差错控制机制分为四级实施控制策略，具体为自动请求重发、对分数据帧、最优化lplc通信策略及重构lplc通信机制。其中，基于室外监测采集传感器实现自动请求重发及对分数据帧差错控制策略，基于通信接口分机实现最优化lplc通信策略及重构lplc通信机制差错控制策略。其具体实现方法为：

步骤1：若通信接口分机监测到接收当前数据帧错码超过设定阈值，转步骤2，反之，转步骤10；

步骤2：若室外监测采集传感器检测到当前lplc传输时隙足以传输1帧数据，则自动请求重发(arq)，反之，转步骤8；

步骤3：若通信接口分机监测到室外监测采集传感器自动重发次数超过当前最大限值，转步骤4，反之，转步骤1；

步骤4：通信接口分机轮询所有中继及终端是否在线，若所有节点均在线，转步骤5，反之，转步骤11；

步骤5：若通信接口分机请求室外监测采集传感器对分数据帧次数超过当前最大限值，转步骤8，反之，转步骤6；

步骤6：若室外监测采集传感器响应对分数据帧命令成功，则对分数据帧，并转步骤7，反之，转步骤5；

步骤7：若通信接口分机监测到对分数据帧次数超过当前最大限值，转步骤8，反之，转步骤5；

步骤8:实施最优化lplc通信策略，以增加通信时隙，转步骤9；

步骤9：若通信接口分机监测到最优化通信策略次数超过当前最大限值，重构lplc通信机制，转步骤1；

步骤10：通信接口分机等待接收下一帧数据；

步骤11：若通信接口分机监测到不在线节点断点重连成功，转步骤1，反之，转步骤12；

步骤12：若通信接口分机监测到单一节点断点重连次数超过当前最大限值，则断开与相应节点物理链接并本地报警及向信号集中监测站机上发该告警信息，反之，转步骤11。

重构lplc通信机制具体步骤为：

步骤1：依据各节点错码超标严重程度排序lplc节点，形成循环链表；

步骤2：依据步骤1生成的循环链表节点信息匹配当前网络信息表，并依序分类中继号与设备号，分别形成中继网络信息表及设备网络信息表；

步骤3：若中继节点均衡，转步骤4，反之，转步骤10；

步骤4：当前中继节点传输时隙内，依据错码超标严重程度，依次断网重连该中继范围内所连终端节点；

步骤5：若断网重连当前终端节点成功，转步骤6，反之，转步骤8；

步骤6：若搜索完毕该中继范围内所连终端节点，转步骤7，反之，转步骤4；

步骤7：重新生成网络信息表，统计在线节点数量，并根据当前设定的轮测时间重新计算通信时隙；

步骤8：若断网重连当前终端节点超时，移除该终端节点并本地报警及将此报警信息上发至信号集中监测站机，并转步骤9，反之，转步骤5；

步骤9：若该中继节点负载均衡，则转步骤6，反之，转步骤10；

步骤10：依据当前网络信息表重构中继机制并转步骤2。

自动请求重发次数最大值定为轨旁设备轮测时间与现场总线的刷新时间的比值，并向下取整；对分数据帧次数的最大值定为当前lplc传输时隙与现场总线的刷新时间的比值，并向下取整；以最优化lplc通信策略增加适当中继节点或具有中继功能的集中器或通信终端方式，最优化次数的最大值由所增加中继节点的最大限值确定；基于数据传输层最优化lplc快速组网算法以重构lplc通信机制。

所述的最优化lplc通信策略基于通信时隙及对分数据帧联合定制。

轨旁设备户外在线监测系统采用harq技术实现lplc通信差错控制，设置基于crc16-ccitt标准的16位crc作为监督码元，arq次数主要由lplc总线当前数据传输时隙及数据帧长度联合决定。其实现流程图如图5。图5中，接收数据帧错码率由通信配置中通信失败阈值确定，lplc传输时隙定为轨旁设备轮测时间与通信节点数的比值，单位为ms；arq重发次数最大值定为轨旁设备轮测时间与现场数据采集刷新时间的比值，并向下取整；对分次数的最大值定为当前lplc传输时隙与现场数据采集刷新时间的比值，并向下取整；以增加适当中继节点或具有中继功能的集中器或通信终端方式最优化lplc通信策略，最优化次数的最大值由所增加中继节点的最大限值确定；基于数据传输层最优化lplc快速组网算法以重构lplc通信机制，重构lplc通信机制实现流程图如图6所示。

基于通信时隙及对分数据帧联合定制最优化lplc通信策略，如果监测到通信时隙不足时，立即实施最优化lplc通信策略，有效地防止了通信故障的扩散，避免了lplc通信网络瘫痪，解决了现有技术中只能根据既定配置文件静态实施差错控制的技术问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。