邵玉華

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132001）

0 引言

當(dāng)前我國在鐵路通信自動(dòng)監(jiān)測方面的技術(shù)水平不高[1]，這與我們這個(gè)人口超級(jí)大國鐵路作為主要交通工具的通信及安全需求極不相稱。隨著我國動(dòng)車組的不斷加入，列車的運(yùn)行速度也越來越快，目前我國鐵路列車運(yùn)行時(shí)速最高已達(dá)380km/h，這么高的運(yùn)行速度帶來的必然是高安全性要求，尤其是作為鐵路命令傳達(dá)的通信系統(tǒng)的安全性備受關(guān)注，特別是作為通信支撐的主干光纖的可靠性。如果鐵路的主干光纖出現(xiàn)問題，則整個(gè)鐵路通信系統(tǒng)必將陷入癱瘓。這就要求鐵路通信監(jiān)控部門能夠及時(shí)了解到整個(gè)鐵路通信的實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問題并及時(shí)消除。本文就是在這個(gè)背景下對目前的鐵路通信系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了針對這些環(huán)節(jié)的通信自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

鐵路的通信系統(tǒng)可以看成兩部分：作為節(jié)點(diǎn)的列車和車站調(diào)度部分與將各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)的光纖部分。要設(shè)計(jì)鐵路自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)必須考慮到這兩方面的因素，因此本監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，其一是作為通信載體的光纖自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其二是光纖通信管理的自動(dòng)監(jiān)測。

1.1 鐵路光纖系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測方案

光纖系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測部分的設(shè)計(jì)是以監(jiān)測主干網(wǎng)絡(luò)的光纖狀態(tài)為主，光纖部分的監(jiān)測端口主要分為兩部分，分別是監(jiān)測站和接收站。監(jiān)測站為發(fā)出測試光纖安全性的測試光信號(hào)的站點(diǎn)，接收站為測試信號(hào)通過需要被測試的光纖后被接收處理的站點(diǎn)。在測試中還有阻止光纖測試信號(hào)前行的站點(diǎn)，叫做端站。在整個(gè)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中我們設(shè)計(jì)了管理站點(diǎn)，這個(gè)站點(diǎn)的設(shè)立能夠?qū)Ω鱾€(gè)監(jiān)測站及接收站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，同時(shí)控制監(jiān)測站的信號(hào)輸出頻率和信號(hào)類型。在整個(gè)鐵路的沿線上分布著一系列通信站，在我們所設(shè)計(jì)的光纖自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中將監(jiān)測站直接設(shè)置在這些通信站中。我們所采用的監(jiān)測站在有效監(jiān)測距離上要求大于10千米，能夠同時(shí)對光纖的上行通信數(shù)據(jù)和下行通信數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測站的測試光信號(hào)發(fā)出端設(shè)置了光分波合波裝置，而在接收站部分設(shè)置了光濾波器。監(jiān)測距離的計(jì)算公式如下面的式（1）所示[2]。

式中，L為整個(gè)鐵路通信系統(tǒng)光纖自動(dòng)測試部分能夠監(jiān)測的光纖的有效長度；P為光纖監(jiān)測站和系統(tǒng)控制部分的有效指標(biāo)；Ac為介入損耗，指的是光纖監(jiān)測控制單元、光路切換，光耦合單元等介入損耗的總和；Mc為光纖監(jiān)測及控制部分測試設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍的富余度；A為測試指標(biāo)與實(shí)際測試狀態(tài)的動(dòng)態(tài)范圍的差值；As為光纖平均衰減系數(shù)； 為光熔接接頭平均衰減系數(shù)。本公式計(jì)算長度為理想距離，考慮到實(shí)際情況中的各種損耗因素，該距離在計(jì)算完成后需要預(yù)留4 8Km的余量。

本光纖自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)將與后面設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)集成到一起，因此在本小節(jié)中僅對其硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)探討。我們設(shè)計(jì)的硬件模塊主要包括光開關(guān)控制模塊、智能控制模塊、組網(wǎng)通信模塊、電源模塊、管理測試模塊及光耦合模塊等。其中切換光路的任務(wù)由光開關(guān)模塊來完成，智能控制模塊的作用是與光開關(guān)模塊進(jìn)行連接，其能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測接口。管理測試模塊主要包括管理主機(jī)、打印機(jī)、中心組網(wǎng)通信模塊等部分。光耦合單元的作用是使測試光波跨過通信站繼續(xù)監(jiān)測下一段光纖,或使測試光波到達(dá)某通信站即停止不再前行?？缃诱驹诠饫w監(jiān)測系統(tǒng)中是使測試光波跨過通信基站繼續(xù)監(jiān)測下一段光纖[3]。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目前的某光纖出現(xiàn)通信阻塞或者其流量突然不正常，如出現(xiàn)流量大增，數(shù)據(jù)規(guī)模急劇升高等現(xiàn)象時(shí)，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠立即發(fā)出告警信息，當(dāng)這種光纖通信網(wǎng)絡(luò)受到突然的破壞而控制人員無法及時(shí)作出判斷時(shí)，本自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠與自動(dòng)控制系統(tǒng)直接取得聯(lián)系，將被破壞部分的光纖通信轉(zhuǎn)到臨近的光纖網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。

本光纖通信測試部分的測試分為定時(shí)測試、連續(xù)測試和立即測試三種模式。由于鐵路運(yùn)行的時(shí)間延續(xù)性特點(diǎn)存在，即每時(shí)每刻都有列車在鐵路上運(yùn)行，這就要求我們的監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性。本自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，在圖形界面方面以 Windows NT為主控制界面。系統(tǒng)的用戶圖形終端采用Windows NT平臺(tái)，這樣就能保證一致性強(qiáng)、易于操作和管理。由于列車具有規(guī)定路線行駛的特點(diǎn)，因此一次做成的地圖可以有效的對行駛在鐵路上的列車實(shí)施監(jiān)控。本系統(tǒng)的監(jiān)測分為三級(jí)，其中一級(jí)部分只有一個(gè)，兩級(jí)部分有若干個(gè)，三級(jí)部分是監(jiān)測站，具有成千上萬個(gè)。本系統(tǒng)的監(jiān)測功能以實(shí)現(xiàn)鐵路局級(jí)通信監(jiān)測維護(hù)為主要目標(biāo)，設(shè)有遠(yuǎn)程訪問端口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程訪問與控制。系統(tǒng)可以提供告警和作業(yè)流程管理工具，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的系統(tǒng)訪問安全控制，同時(shí)還可以提供線路維護(hù)、地理信息、統(tǒng)計(jì)報(bào)告等詳細(xì)的報(bào)表。

1.2 鐵路通信自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的為鐵路調(diào)度、列車行車及整個(gè)鐵路通信監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)。設(shè)計(jì)的原則主要包括高可靠性、可實(shí)時(shí)擴(kuò)展、性能穩(wěn)定、具有升級(jí)接口、操作簡單、維護(hù)方便等。本部分為通信監(jiān)測系統(tǒng)中的管理系統(tǒng)，該部分對于光纖通信中的自動(dòng)監(jiān)測的信息進(jìn)行管理與調(diào)度，完成其監(jiān)測的最終目的。本節(jié)點(diǎn)部分的設(shè)計(jì)在模塊上主要包括通信接口部分、計(jì)算機(jī)處理部分以及人機(jī)界面部分，下面分別對這幾部分進(jìn)行相關(guān)探討。

通信接口的設(shè)計(jì)在自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有很大的比例，其主要作用是連接系統(tǒng)的各個(gè)模塊，使各個(gè)模塊能夠合理地進(jìn)行功能分配。節(jié)點(diǎn)部分作為通信方面的主體和系統(tǒng)控制方面的分系統(tǒng)，其主要功能有狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、通信的有效完成、人機(jī)對話、系統(tǒng)性能參數(shù)的測試與控制、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫鏈接與支持等。要同時(shí)完成這些功能，控制核心必須具備較強(qiáng)的多任務(wù)處理能力，在這里我們采用多線程動(dòng)態(tài)控制策略。因?yàn)樵谙到y(tǒng)運(yùn)行期間需要將所有的進(jìn)程進(jìn)行在線等待，一旦某方面需要能夠及時(shí)進(jìn)行處理，這樣就會(huì)造成多進(jìn)程爭搶CPU和系統(tǒng)內(nèi)存的狀況，因此我們針對這一要求，采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測和實(shí)時(shí)分配的策略，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程僅僅處于掛起狀態(tài)而不是有效狀態(tài)時(shí)就將其所占用的資源自動(dòng)分配給其他正在進(jìn)行信息處理的進(jìn)程，對該掛起進(jìn)程僅僅在間隔一定的時(shí)間后重復(fù)進(jìn)行查詢，看是否有任務(wù)需要其處理，如果有則重新為其分配資源。這樣就可以最大限度的利用CPU的處理能力[4]。

1.3 鐵路光纖通信自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本部分的軟件設(shè)計(jì)主要包括作為載體-光纖自動(dòng)監(jiān)測的軟件設(shè)計(jì)和作為節(jié)點(diǎn)的列車控制室和車站調(diào)度室的綜合管理部分軟件設(shè)計(jì)。在我們的軟件的設(shè)計(jì)平臺(tái)中采用的是VC++語言，其具體的主程序流程圖如圖1所示。

從圖中可以看出，本系統(tǒng)的軟件流程具有一定的反饋功能，首先是程序進(jìn)行初始化，然后各個(gè)監(jiān)測模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)對系統(tǒng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過光纖同時(shí)傳到近處的控制節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)處的總控制系統(tǒng)，如果顯示一切正常，則系統(tǒng)不斷地進(jìn)行狀況數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示，若系統(tǒng)中光纖傳輸部分或節(jié)點(diǎn)通信部分出現(xiàn)問題，則及時(shí)啟動(dòng)問題處理模塊，這個(gè)模塊的啟動(dòng)分兩種情況，一種是有人控制的較嚴(yán)重問題的處理，另一種是實(shí)時(shí)的處理，如某光纖的信息傳輸負(fù)荷太高，則系統(tǒng)自動(dòng)將某些信息轉(zhuǎn)移到別的光纖路徑進(jìn)行傳輸，如果一切恢復(fù)正常則系統(tǒng)繼續(xù)以在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)顯示為主。

圖1 主程序流程圖

2 鐵路通信自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)及分析

在進(jìn)行完簡單的軟硬件設(shè)計(jì)后，我們對其進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。光纖沿鐵路鋪設(shè)，其徑路比較明確，由于鐵路有準(zhǔn)確的里程和明顯的里程標(biāo)，因此對埋設(shè)其旁的光纖來說這些設(shè)備是天然的坐標(biāo)軸，能夠?yàn)槎ㄎ还饫w起到很好的參照作用[5]。我們的系統(tǒng)在測試的過程中并不將這些定位系統(tǒng)加入，而僅僅將這些坐標(biāo)作為驗(yàn)證我們的系統(tǒng)有效性的依據(jù)。

在仿真過程中將系統(tǒng)接入到整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)中，測試人員通過節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)來掌握整個(gè)光纖通信監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)中的嚴(yán)重破壞或網(wǎng)絡(luò)阻塞狀況對系統(tǒng)進(jìn)行硬件修復(fù)或信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。我們進(jìn)行了三組測試，測試的具體設(shè)置為：采用五根100m到500m不等的光纖網(wǎng)絡(luò)連接五個(gè)代表列車控制室和車站調(diào)度室的節(jié)點(diǎn)，在其中某一節(jié)點(diǎn)上設(shè)置我們所設(shè)計(jì)的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，通過人為的破壞模擬正常情況下的光纖、節(jié)點(diǎn)通信問題。以顯示設(shè)備上的顯示結(jié)果為依據(jù)，使其與實(shí)際的操作進(jìn)行比較。

通過一系列測試，我們得到了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。進(jìn)行的三次測試中兩次為光纖本體的破壞，一次為節(jié)點(diǎn)的破壞，通過擬合平均，我們得到的自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際的距離破壞誤差為1.2%。

通過分析可知影響測試誤差的原因有四個(gè)：1）光纖長度與光纖皮長不同。由于光纖制造長度有限，因此在一個(gè)增益段內(nèi)需要接續(xù)，而每一個(gè)接頭需將兩端的光纖外護(hù)套開剝1m，這樣光纖就會(huì)比光纖皮長多2m。如果接頭多則累計(jì)的偏差會(huì)更大?？紤]到光纖在敷設(shè)工程中承受拉力和側(cè)壓力應(yīng)盡量小，生產(chǎn)廠家往往將光纖內(nèi)的松套光纖及骨架型光纖做成層絞型。這種結(jié)構(gòu)會(huì)使得100 km的光纖線路中光纖比皮長約長200m；2）直埋光纖的長度與地面長度存在誤差。直埋光纖在坡度大于20°、坡高大于30m的山坡上會(huì)采用“S”形敷設(shè)，再加上光纖的自然彎曲、特殊地段的盤留和光纖接頭坑內(nèi)的預(yù)留等，會(huì)造成地面長度與直埋光纖的實(shí)際皮長存在著較大偏差；3）架空光纖與桿路長度之間存在著偏差。光纖桿路基本上是50m一檔的桿檔長度，再加上光纖在每根電桿上預(yù)留20～30cm以及架空光纖本身自重引起的垂度長度、光纖接頭兩邊電桿上預(yù)留的10～12m部分，每一桿檔的光纖長度平均要比桿路一檔長度多0.8m左右；4）單向測量誤差。光纖的模場直徑影響后向散射時(shí)會(huì)遮蔽接頭的真實(shí)損耗。如果單向測量，則會(huì)因具有失配模場直徑的光纖引起的誤差可能比內(nèi)在接頭損耗自身大得多。所以要想提高監(jiān)測精度必須在監(jiān)測的設(shè)計(jì)中將這些現(xiàn)實(shí)問題考慮進(jìn)去，比如設(shè)計(jì)成雙向監(jiān)測或網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測模式，通過多終端監(jiān)測的方式來消減這些因素對于監(jiān)測精度的影響。

3 結(jié)論

鐵路系統(tǒng)的通信問題對于鐵路的安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用，目前的鐵路通信以光纖作為傳輸介質(zhì)。通過一根根光纖將各個(gè)車站控制室及列車聯(lián)系在一起，目前的列車通信以無線通信為主，但這種無線通信是以附近的以光纖為基礎(chǔ)的基站為基點(diǎn)，因此也可以看成是光纖將列車控制室與車站調(diào)度室進(jìn)行了連接。因此光纖及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測問題就成了近年來研究的熱點(diǎn)，本文在這個(gè)背景下對鐵路通信監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與模擬仿真，從仿真結(jié)果上看本系統(tǒng)在自動(dòng)監(jiān)測的可靠性上還是比較高的，平均達(dá)到1.2%的誤差率。由于成本等因素，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)并沒有進(jìn)行更多的測試，因此在下一步的研究中，這將成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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