基于GIS/GPS/GPRS的铁路远程列车监控系统

摘要：研究并开发一套全新的远程列车监控系统，融合了GPS、GPRS、GIS三项核心技术，通过采集记录并分析远程车辆行驶过程中的各种数据信息，对列车位置进行实时的监控，进而实现对车辆的调度及指挥功能。从而保证了列车在通过闭塞区间信号系统传递信息的同时，会通过卫星定位这样的另一种方式实现列车监控，达到保障行车安全与信息传送的双保险。并且可以通过该系统实现列车与调度中心的实时无障碍通信，保证了列车信息的完整获取，有效避免了因为信号故障是调度室与列车失去联系的现象。

关键词：通用分组无线服务技术 全球定位系统 地理信息系统 无线列控

中图分类号：U283 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）011-042-02

1 系统的总体设计概述

1.1 课题背景

随着铁路的跨越式发展、建设以及“和谐铁路”的实施，我国铁路取得巨大成就。然而，伴随着列车运营里程和运营速度的不断提高，列车的安全保障问题变得愈发严峻。现有的调度及指挥系统——分散自律调度集中系统是通过轨道电路实时监控战场信号设备和列车运行状态，虽然克服了传统调度集中的弊病，但是仍存在诸多问题。因此，如何实现对列车运行信息的全面掌控和实时调度，以有效的保障列车高速运行，减少延误，提高社会效益和经济效益，成为了公众面对的有一大课题。

近几年来，GPS定位技术在车辆监控方面的应用日益成熟，GPRS的快速发展为解决系统开发瓶颈提供了技术支持。此外，功能强大的GIS系统开发软件ArcGIS越来越成熟化，使得远程列车监控系统设计开发的可行性提供了保障。

基于上述背景，本人及所在课题小组经过长达一年的理论研究和系统分析，最终设计及开发一套全新的远程车辆监控系统，并运用该系统将会结合GIS/GPRS/GPS各自的特点将列车运行时的各项信息及时高效的传送到系统终端。

1.2 系统的总体概述

本项目的目的在于研究并开发一套全新的远程车辆监控系统，并运用该系统将会结合GIS/GPRS/GPS各自的特点将列车运行时的各项信息即时高效的传送到系统终端。从而保证了列车在通过闭塞区间信号系统传递信息的同时，会通过卫星定位这样的另一种方式实现列车监控，从而达到保障行车安全与信息传送的双保险。并且可以通过该系统实现列车与调度中心的实时无障碍通信，保证了列车信息的完整获取，有效避免了因为信号故障是调度室与列车失去联系的现象。

在GPS的使用方面，本项目使用专业GPS装备，并将其安装在列车驾驶室中，通过卫星定位系统将列车信息传回指挥终端，使调度室调度人员可以即时观测到各个列车的基本运行状况。在GIS的利用方面，本项目将会使用环境为Visual C++ 6.0的SuperMap系统，利用SuperMap能够简单快速的在软件应用中嵌入地图化功能，增强软件应用的地图分析能力。在信息的传递方面，本组利用GPRS无线通讯技术，选用SIEMENS GSM/GPRS模块MC55，内嵌TCP/IP协议栈，带有全套语音和数据功能。

1.3 新系统与传统调度系统的区别

与传统列车单方向发出指令而无法反馈信息的调度指挥相比，本课题开发的新系统使调度中心与每台列车形成互动式信息交流，可以使调度中心完整的了解列车运行情况，综合管理，全面协调，降低列车事故发生风险。从而达到保障行车安全与信息传送的双保险。并且可以通过该系统实现列车与调度中心的实时无障碍通信，保证了列车信息的完整获取，有效避免了因为信号故障是调度室与列车失去联系的现象。

2 系统的各部分介绍及功能的具体实现

2.1 总调度指挥中心部分

该部分主要实现各个列车、监控中心之间建立拓扑结构GPRS数据通信网，融合GPS卫星定位技术和GIS技术，对铁路运营的各个列车进行高可靠性，实时准确，灵活机动的监控。系统操作流程如图1所示。

2.2 利用GPS技术监控列车位置及运行状况

2.2.1 GPS部分的概述

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，通过运用全球卫星定位系统，可以实现列车的位置监控及运行状况监控，进而可以在列车的运行期间，总控室通过GPS接收机发出的信号，结合分散自律调度系统通过轨道电路发挥的车辆信息，并且结合GPS的无线信号，形成对远程列车监控的双保险，进而保证对列车的安全、高效行驶，有效避免了因为信号故障是调度室与列车失去联系的现象。

2.2.2 利用GPS实现列车监控的可行性分析

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

由于列车在运行时，其所在行车区间长度远大于GPS最小精度以及列车的所占空间，因此利用GPS定位可以准确的得知列车所在位置，并且由于GPS的传输方式为无线传输，不存在信号线路中断等故障问题，因此利用全球卫星定位系统可以对列车的位置、运行速度机车矿进行高精度的监控。

2.3 GIS技术在列车监控系统中的应用

在本课题开发的列车远程监控系统中，各列正在运行的列车的所在位置、运行状况等相关数据由通信网络传输到总调度中心，总控室通过GIS电子地图实时、准确的显示被监控列车的位置，从而实现对移动列车的定位、监控和管理。

GIS技术在此监控系统中的主要功能是用来列车定位，它通过提供图形化的人机界面（在电子地图上，用户可以任意的缩小、放大和地图漫游等操作）方便调度人员对列车运行状况进行更详细的了解。进而实现对列车的定位、跟踪、监控和管理。

2.4 GPRS技术在列车监控系统中的应用

GPRS通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。

由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。

3 系统的特点与操作介绍

本课题设计与开发的列车远程监控系统结合GIS/GPRS/GPS各自的特点将列车运行时的各项信息及时高效的传送到系统终端。与传统列车单方向发出指令而无法反馈信息的调度指挥相比，该系统的实现使调度中心与每台列车形成互动是信息交流，可以使调度中心完整的了解列车运行情况，综合管理，全面协调，降低；列车事故发生风险。从而达到保障行车安全与信息传送的双保险。

3.1 系统的特点

（1）在铁路领域使用高端技术：在科技日益发展的时代，铁路运行的现代化显得格外重要，本课题将GPS、GIS、GPRS引入铁路范畴，不仅实现了对铁路安全运营的双保险，同时对实现和谐铁路和现代化铁路具有深远的意义。

（2）列车信息完整、准确：该系统的开发将列车运行的信息准确无误的实时监控。从而全面、具体的将列车运行状况动态显示。从而保证了总调度室对各个列车状况的深度了解，方便总控室的综合调度与指挥。

（3）信息交流的无障碍化：本系统建立了一套基于GPRS技术的信息交流平台，在保留了原有的轨道电路通信基础上，加强了列车与调度室之间的联系以及列车与列车之间的联系，从而切实保证了列车的高效监控，进而避免列车之间因为缺乏交流而导致事故发生。

（4）人机结合巧妙：本监控系统采用可视化的设计方法，监控系统操作简便，内容清晰易懂，可以随意安装在任意电脑上，对铁路的发展和普及有很好的推动作用。

3.2 软件的操作界面与操作流程

本课题开发的监控系统界面如图2所示，总控室调度员输入调度室信息登陆，可根据列车车次、编号和列车长信息查找相关列车数据，通过GPS和GIS技术，精确获得该列车的位置、速度以及列车工况等实时信息，若需要列车与调度室进行紧急通讯，可通过GPRS实现两者之间的无障碍通信。

（本论文系“基于GIS/GPS/GPRS的铁路远程列车监控系统”SRTP课题小组初步成果，小组成员：刘广洋、吕瀚、段诗斐、李意、李元坤、王翘楚）