基于光纖的鐵路通信自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

邵玉華

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132001）

0 引言

當前我國在鐵路通信自動監(jiān)測方面的技術(shù)水平不高[1]，這與我們這個人口超級大國鐵路作為主要交通工具的通信及安全需求極不相稱。隨著我國動車組的不斷加入，列車的運行速度也越來越快，目前我國鐵路列車運行時速最高已達380km/h，這么高的運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)控部門能夠及時了解到整個鐵路通信的實時狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題并及時消除。本文就是在這個背景下對目前的鐵路通信系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進行了探討，重點設(shè)計了針對這些環(huán)節(jié)的通信自動監(jiān)測系統(tǒng)。

1 自動監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計

鐵路的通信系統(tǒng)可以看成兩部分：作為節(jié)點的列車和車站調(diào)度部分與將各個節(jié)點進行串聯(lián)的光纖部分。要設(shè)計鐵路自動監(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)計主要包括兩個部分，其一是作為通信載體的光纖自動監(jiān)測系統(tǒng)，其二是光纖通信管理的自動監(jiān)測。

1.1 鐵路光纖系統(tǒng)自動監(jiān)測方案

光纖系統(tǒng)的自動監(jiān)測部分的設(shè)計是以監(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的站點，接收站為測試信號通過需要被測試的光纖后被接收處理的站點。在測試中還有阻止光纖測試信號前行的站點，叫做端站。在整個自動監(jiān)測系統(tǒng)中我們設(shè)計了管理站點，這個站點的設(shè)立能夠?qū)Ω鱾€監(jiān)測站及接收站進行實時數(shù)據(jù)采集，同時控制監(jiān)測站的信號輸出頻率和信號類型。在整個鐵路的沿線上分布著一系列通信站，在我們所設(shè)計的光纖自動監(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，能夠同時對光纖的上行通信數(shù)據(jù)和下行通信數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。在監(jiān)測站的測試光信號發(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)測距離的計算公式如下面的式（1）所示[2]。

式中，L為整個鐵路通信系統(tǒng)光纖自動測試部分能夠監(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；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)備的動態(tài)范圍的富余度；A為測試指標與實際測試狀態(tài)的動態(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)。本公式計算長度為理想距離，考慮到實際情況中的各種損耗因素，該距離在計算完成后需要預(yù)留4 8Km的余量。

本光纖自動監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計將與后面設(shè)計的節(jié)點監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計集成到一起，因此在本小節(jié)中僅對其硬件設(shè)計進行相關(guān)探討。我們設(shè)計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)模塊進行連接，其能夠提供標準的監(jiān)測接口。管理測試模塊主要包括管理主機、打印機、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,或使測試光波到達某通信站即停止不再前行。跨接站在光纖監(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，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠立即發(fā)出告警信息，當這種光纖通信網(wǎng)絡(luò)受到突然的破壞而控制人員無法及時作出判斷時，本自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠與自動控制系統(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)中進行傳輸。

本光纖通信測試部分的測試分為定時測試、連續(xù)測試和立即測試三種模式。由于鐵路運行的時間延續(xù)性特點存在，即每時每刻都有列車在鐵路上運行，這就要求我們的監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的實時性。本自動監(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，這樣就能保證一致性強、易于操作和管理。由于列車具有規(guī)定路線行駛的特點，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施監(jiān)控。本系統(tǒng)的監(jiān)測分為三級，其中一級部分只有一個，兩級部分有若干個，三級部分是監(jiān)測站，具有成千上萬個。本系統(tǒng)的監(jiān)測功能以實現(xiàn)鐵路局級通信監(jiān)測維護為主要目標，設(shè)有遠程訪問端口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程訪問與控制。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，同時還可以提供線路維護、地理信息、統(tǒng)計報告等詳細的報表。

1.2 鐵路通信自動監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點部分設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計之初確定了系統(tǒng)的設(shè)計目的為鐵路調(diào)度、列車行車及整個鐵路通信監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)。設(shè)計的原則主要包括高可靠性、可實時擴展、性能穩(wěn)定、具有升級接口、操作簡單、維護方便等。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監(jiān)測的信息進行管理與調(diào)度，完成其監(jiān)測的最終目的。本節(jié)點部分的設(shè)計在模塊上主要包括通信接口部分、計算機處理部分以及人機界面部分，下面分別對這幾部分進行相關(guān)探討。

通信接口的設(shè)計在自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中占有很大的比例，其主要作用是連接系統(tǒng)的各個模塊，使各個模塊能夠合理地進行功能分配。節(jié)點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)的實時顯示、通信的有效完成、人機對話、系統(tǒng)性能參數(shù)的測試與控制、后臺數(shù)據(jù)庫鏈接與支持等。要同時完成這些功能，控制核心必須具備較強的多任務(wù)處理能力，在這里我們采用多線程動態(tài)控制策略。因為在系統(tǒng)運行期間需要將所有的進程進行在線等待，一旦某方面需要能夠及時進行處理，這樣就會造成多進程爭搶CPU和系統(tǒng)內(nèi)存的狀況，因此我們針對這一要求，采用動態(tài)監(jiān)測和實時分配的策略，當某個進程僅僅處于掛起狀態(tài)而不是有效狀態(tài)時就將其所占用的資源自動分配給其他正在進行信息處理的進程，對該掛起進程僅僅在間隔一定的時間后重復(fù)進行查詢，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 鐵路光纖通信自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

本部分的軟件設(shè)計主要包括作為載體-光纖自動監(jiān)測的軟件設(shè)計和作為節(jié)點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。在我們的軟件的設(shè)計平臺中采用的是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，首先是程序進行初始化，然后各個監(jiān)測模塊開始運轉(zhuǎn)對系統(tǒng)狀況進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過光纖同時傳到近處的控制節(jié)點和遠處的總控制系統(tǒng)，如果顯示一切正常，則系統(tǒng)不斷地進行狀況數(shù)據(jù)采集與實時顯示，若系統(tǒng)中光纖傳輸部分或節(jié)點通信部分出現(xiàn)問題，則及時啟動問題處理模塊，這個模塊的啟動分兩種情況，一種是有人控制的較嚴重問題的處理，另一種是實時的處理，如某光纖的信息傳輸負荷太高，則系統(tǒng)自動將某些信息轉(zhuǎn)移到別的光纖路徑進行傳輸，如果一切恢復(fù)正常則系統(tǒng)繼續(xù)以在線監(jiān)測和實時顯示為主。

圖1 主程序流程圖

2 鐵路通信自動監(jiān)測系統(tǒng)的仿真實驗及分析

在進行完簡單的軟硬件設(shè)計后，我們對其進行了仿真實驗，以此來驗證系統(tǒng)的有效性。光纖沿鐵路鋪設(shè)，其徑路比較明確，由于鐵路有準確的里程和明顯的里程標，因此對埋設(shè)其旁的光纖來說這些設(shè)備是天然的坐標軸，能夠為定位光纖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，而僅僅將這些坐標作為驗證我們的系統(tǒng)有效性的依據(jù)。

在仿真過程中將系統(tǒng)接入到整個光纖網(wǎng)絡(luò)中，測試人員通過節(jié)點遠程顯示系統(tǒng)來掌握整個光纖通信監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并根據(jù)系統(tǒng)中的嚴重破壞或網(wǎng)絡(luò)阻塞狀況對系統(tǒng)進行硬件修復(fù)或信號轉(zhuǎn)發(fā)。我們進行了三組測試，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)連接五個代表列車控制室和車站調(diào)度室的節(jié)點，在其中某一節(jié)點上設(shè)置我們所設(shè)計的自動監(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)，使其與實際的操作進行比較。

通過一系列測試，我們得到了相關(guān)的測試數(shù)據(jù)。進行的三次測試中兩次為光纖本體的破壞，一次為節(jié)點的破壞，通過擬合平均，我們得到的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)與實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：1）光纖長度與光纖皮長不同。由于光纖制造長度有限，因此在一個增益段內(nèi)需要接續(xù)，而每一個接頭需將兩端的光纖外護套開剝1m，這樣光纖就會比光纖皮長多2m。如果接頭多則累計的偏差會更大。考慮到光纖在敷設(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，會造成地面長度與直埋光纖的實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會遮蔽接頭的真實損耗。如果單向測量，則會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)計中將這些現(xiàn)實問題考慮進去，比如設(shè)計成雙向監(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，因此也可以看成是光纖將列車控制室與車站調(diào)度室進行了連接。因此光纖及各個節(jié)點的實時狀態(tài)的監(jiān)測問題就成了近年來研究的熱點，本文在這個背景下對鐵路通信監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計與模擬仿真，從仿真結(jié)果上看本系統(tǒng)在自動監(jiān)測的可靠性上還是比較高的，平均達到1.2%的誤差率。由于成本等因素，本文所設(shè)計的系統(tǒng)并沒有進行更多的測試，因此在下一步的研究中，這將成為研究的重點內(nèi)容。

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