崔明朗，錢雪軍

（同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 200331）

機(jī)車運(yùn)行安全是當(dāng)今鐵路發(fā)展的重中之重，本文針對(duì)機(jī)車運(yùn)行的特點(diǎn)，提出了一種機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。主要研究?jī)?nèi)容包括：機(jī)車在三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)的模擬運(yùn)行、機(jī)車視頻監(jiān)控，機(jī)車工況信息展示。

1 系統(tǒng)總體功能

1.1 系統(tǒng)模塊組成

機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）的主要功能是將各類傳感器采集到的機(jī)車定位數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)（包括機(jī)車前方視景視頻以及車內(nèi)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)）、機(jī)車工況信息數(shù)據(jù)，通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控展示中心，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的綜合展示。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由機(jī)車車載終端、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和監(jiān)控展示中心3大模塊組成，如圖1所示。

機(jī)車車載終端是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理功能。采集數(shù)據(jù)包括機(jī)車視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)、機(jī)車工況數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理是將各類采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成能在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備是系統(tǒng)信息傳輸?shù)妮d體，也是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的重要保障?？紤]到機(jī)車運(yùn)行過程中運(yùn)行區(qū)間較大，運(yùn)行速度較快等特點(diǎn)，系統(tǒng)采用3G無線網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的通信設(shè)備，其主要功能是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控展示中心。

監(jiān)控展示中心主要由中心服務(wù)器和展示2大部分組成。中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的接收、解包、還原、校正等操作，展示模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻和機(jī)車工況信息的展示，同時(shí)根據(jù)機(jī)車的定位數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車在三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)的模擬運(yùn)行。監(jiān)控展示中心的軟件組成主要包括機(jī)車運(yùn)行跟蹤定位軟件、視頻監(jiān)控展示軟件、機(jī)車三維虛擬場(chǎng)景軟件、機(jī)車工況展示軟件4部分。

1.2 系統(tǒng)層次架構(gòu)

系統(tǒng)的層次架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)信息采集層、數(shù)據(jù)信息傳輸層、數(shù)據(jù)信息處理層和機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)展示層4個(gè)層次組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)層次架構(gòu)

數(shù)據(jù)信息采集層主要由安裝在機(jī)車上的各類傳感器組成，該層能對(duì)機(jī)車運(yùn)行時(shí)的視頻數(shù)據(jù)、途經(jīng)地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)、工況信息（如行駛速度和時(shí)間）等相關(guān)信息進(jìn)行采集。將采集到的數(shù)據(jù)傳入到機(jī)車車載終端，通過數(shù)據(jù)信息傳輸層傳到數(shù)據(jù)信息處理層，數(shù)據(jù)信息處理層對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，啟動(dòng)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)展示層的機(jī)車運(yùn)行跟蹤定位軟件、視頻播放展示軟件、機(jī)車三維虛擬場(chǎng)景軟件以及工況信息展示軟件，在監(jiān)控展示中心實(shí)時(shí)展示當(dāng)前機(jī)車運(yùn)行的各種狀態(tài)信息以及監(jiān)控視頻。達(dá)到對(duì)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位、展示、觀察的目的。

2 機(jī)車車載終端的設(shè)計(jì)

車載機(jī)車車載終端裝置主要包括車載主控單元、各類數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GPS定位模塊、通信終端設(shè)備等。

2.1 機(jī)車車載終端的硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)車車載終端從硬件結(jié)構(gòu)上可以分為5個(gè)部分，分別為采集機(jī)車工況信息的LKJ2000，采集機(jī)車視頻信息的USB攝像頭，采集機(jī)車定位信息的IT500GPS，連接網(wǎng)絡(luò)的3G通信模塊以及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制核心eKINO-945GSE工業(yè)主板，其硬件框圖如圖3所示。

圖3 車載終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

終端的數(shù)據(jù)處理和控制核心采用eKINO-945GSE工業(yè)主板，CPU為Intel? Atom? N270 1.6 GHz ，支持超低電壓無風(fēng)扇，功耗較小。主板工作時(shí)能接受寬范圍9 V ～28 V 的直流輸入，非常適合機(jī)車上工作時(shí)電壓不穩(wěn)定的情況。該主板具有非常豐富的外設(shè)接口，擴(kuò)展較為方便。該設(shè)備主要負(fù)責(zé)控制各個(gè)采集設(shè)備，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)打包。

定位信息的采集選用 Fastrax IT500GPS 接收模塊，該模塊在非?？量痰膽?yīng)用中也能實(shí)現(xiàn)高性能的導(dǎo)航，在較惡劣的 GPS 衛(wèi)星可見度環(huán)境下也能穩(wěn)定定位。 冷啟動(dòng)靈敏度（-148 dBm）使得它在其他模塊不能定位的環(huán)境中也能捕獲衛(wèi)星并開始導(dǎo)航。該設(shè)備主要用來采集機(jī)車途經(jīng)地理位置經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

USB攝像頭采用CMOS傳感器的奧尼AONI，其硬件像素為30萬，軟件像素為200萬，默認(rèn)視像解像度為640×480。它采用的是標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口，圖像傳輸速率高達(dá)30幀/s，高清全玻璃鍍膜鏡頭，通光率提高100%。 該設(shè)備主要用來采集機(jī)車的視頻信息。

國(guó)內(nèi)以LKJ2000型為主體的機(jī)車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置已基本上在全路各種類型的內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車上安裝使用。終端采用LKJ2000機(jī)車的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為系統(tǒng)工況信息的來源。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用的是E220聯(lián)通3G上網(wǎng)卡，E220是一個(gè)即插即用的便攜式上網(wǎng)卡，產(chǎn)品尺寸較小，可以使終端接入3G無線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 機(jī)車車載終端的軟件組成

機(jī)車車載終端是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)劣在于嵌入式操作系統(tǒng)的選取。嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operating System，EOS）是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。它是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有：嵌入式Linux、Windows Embedded、VxWorks等，以及應(yīng)用在智能手機(jī)和平板電腦的Android、iOS等。

本系統(tǒng)的軟件是基于Windows XP Embedded（XPE）操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)整體的軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在XPE操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件主要分為驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序2個(gè)部分。其中驅(qū)動(dòng)程序部分包括網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，顯卡驅(qū)動(dòng)，主板驅(qū)動(dòng)和其他接口驅(qū)動(dòng)等；應(yīng)用程序部分包括各類數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)傳輸程序和系統(tǒng)通信程序。

圖4 機(jī)車車載終端總體軟件結(jié)構(gòu)圖

3 通信接口設(shè)計(jì)

監(jiān)控展示中心和機(jī)車車載終端建立的是面向連接的Socket通信。在這一過程中，機(jī)車車載終端將采集到的機(jī)車實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳輸給監(jiān)控展示中心，監(jiān)控展示中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、校正、處理等一系列的操作。通信協(xié)議采用的是面向連接的數(shù)據(jù)流TCP協(xié)議，收發(fā)雙方按照協(xié)議所規(guī)定的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的封裝和解析。

根據(jù)連接啟動(dòng)的方式以及本地Socket要連接的目標(biāo)，Socket之間的連接過程可以分為3個(gè)步驟：監(jiān)控展示中心監(jiān)聽，機(jī)車車載終端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。在連接成功時(shí)，應(yīng)用程序2端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Socket實(shí)例，操作這個(gè)實(shí)例，完成所需的會(huì)話。系統(tǒng)的監(jiān)控展示中心端為服務(wù)器端，機(jī)車車載終端為客戶端。

機(jī)車車載終端和監(jiān)控展示中心進(jìn)行Socket通信的過程如下：監(jiān)控展示中心監(jiān)聽，機(jī)車車載終端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。

監(jiān)控展示中心監(jiān)聽：是監(jiān)控展示中心端Socket并不定位具體的機(jī)車車載終端Socket，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

機(jī)車車載終端請(qǐng)求：是指由機(jī)車車載終端的Socket提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是監(jiān)控展示中心端的Socket。為此，機(jī)車車載終端的Socket必須首先描述它要連接的監(jiān)控展示中心的Socket，指出監(jiān)控展示中心端Socket的地址和端口號(hào)，然后向監(jiān)控展示中心端Socket提出連接請(qǐng)求。

連接確認(rèn)：是指當(dāng)監(jiān)控展示中心端Socket監(jiān)聽到或者說接收到機(jī)車車載終端Socket的連接請(qǐng)求，它就響應(yīng)機(jī)車車載終端Socket的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線程，把監(jiān)控展示中心端Socket的描述發(fā)給機(jī)車車載終端，一旦機(jī)車車載終端確認(rèn)了此描述，連接就建立好了。而監(jiān)控展示中心端Socket繼續(xù)處于監(jiān)聽狀態(tài)，繼續(xù)接收其他機(jī)車車載終端Socket的連接請(qǐng)求。在通信過程中，地面監(jiān)控展示中心可以隨時(shí)向機(jī)車車載終端發(fā)送停止數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?qǐng)求，機(jī)車車載終端作出相應(yīng)處理并釋放資源。其工作流程如圖5所示。

圖5 面向連接的Socket操作流程

4 監(jiān)控展示中心軟件組成

4.1 機(jī)車運(yùn)行跟蹤定位軟件

機(jī)車運(yùn)行跟蹤定位軟件在和機(jī)車車載終端建立通信連接后，對(duì)機(jī)車車載終端傳輸?shù)膶?shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車實(shí)時(shí)定位信息在三維電子地圖上可視化呈現(xiàn)，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給視頻監(jiān)控軟件以啟動(dòng)視頻播放展示。該部分軟件是在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，使用OpenSceneGraph驅(qū)動(dòng)Creator創(chuàng)建的三維機(jī)車模型在三維虛擬場(chǎng)景的實(shí)時(shí)模擬運(yùn)行。

4.2 視頻播放軟件

視頻播放軟件與機(jī)車運(yùn)行跟蹤定位軟件通信連接后，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)視頻文件的自動(dòng)播放及其他輔助展示功能等。其中，視頻文件由安裝在機(jī)車上的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，基于多媒體數(shù)據(jù)處理平臺(tái)DirectShow，采用面向?qū)ο缶幊谭绞介_發(fā)。

4.3 機(jī)車三維虛擬場(chǎng)景軟件

機(jī)車三維虛擬場(chǎng)景軟件主要實(shí)現(xiàn)三維虛擬場(chǎng)景（包括機(jī)車、軌道、城市、鐵路沿線的平原和山脈等）的繪制和展示以及簡(jiǎn)單的三維分析功能等。使用Creator建模軟件并利用Visual C++2005和OpenSceneGraph API實(shí)現(xiàn)課題中需要的虛擬場(chǎng)景。

4.4 機(jī)車工況信息展示軟件

機(jī)車工況信息展示軟件主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車工況信息的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。該部分軟件在Microsoft Visual C++2005環(huán)境下，應(yīng)用對(duì)話框技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以高速發(fā)展的嵌入式技術(shù)為核心，結(jié)合網(wǎng)路通信技術(shù)和流媒體技術(shù)，為當(dāng)今的機(jī)車狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種解決方案。

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