一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法，所述的装置包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块。本发明专利技术的网关设备将无线通信技术应用于高速列车的检修中，完成列车与数据监测终端之间的数据交互及协议转换等工作，可及时发现问题，消除列车的安全隐患，使得列车‑数据监测终端的信息利用无线通信成为可能，提高了列车运行的安全性。本发明专利技术具有设备通用简单、成本低，便于安装、维护费用小，可广泛应用于快速轨道交通。

A Wireless Gateway Device for Train Health Information Monitoring and Its Working Method

The invention discloses a wireless gateway device for monitoring train health information and its working method. The device comprises a memory, a main controller and a wireless transmission device for vehicle-ground. The memory is connected with a train information acquisition unit, and the main controller is connected with a memory and a wireless transmission device for vehicle-ground, respectively. The wireless transmission device establishes communication with the data monitoring terminal, and the vehicle-ground wireless transmission device comprises a 4G module, a WIFI module and a Beidou module. The gateway device of the present invention applies wireless communication technology to the maintenance of high-speed trains, completes data interaction and protocol conversion between trains and data monitoring terminals, can find problems in time, eliminate hidden dangers of train safety, and make it possible for the information of train data monitoring terminals to utilize wireless communication and improve it. The safety of train operation is improved. The invention has the advantages of simple equipment, low cost, easy installation and low maintenance cost, and can be widely used in rapid rail transit.

【技术实现步骤摘要】
一种列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法
本专利技术涉及列车健康状态信息监测，特别是一种列车健康状态信息监测无线网关装置，将多种无线通信方式应用于高速列车的无线传输，通过多模式通信无缝切换技术，将列车的健康状态信息无障碍的传送到后台数据监测终端。
技术介绍
目前，中国已全面步入高铁时代，高速列车的设备类型随之增多，关键设备对高速列车的健康状态的影响也逐渐加大，一旦列车设备的故障不能及时发现和解决，将严重影响列车的运行安全。如今的高速列车还保持着计划性和周期性的维修机制，远不能满足列车设备的快速损耗，不能及时发现列车的安全隐患，造成此问题的原因在于列车的健康数据不能实时的传输到数据监测终端。如今铁路通信专网GSM-R只限于传输铁路调度方面的信息，未有专用的通信信道来传输高速列车的健康状态数据，因此只能通过4G网络、WIFI网络和北斗网络等其他网络方式进行传输。但由于4G网络、WIFI网络和北斗网络覆盖的区域不同，如何在列车的行进过程中利用现有的4G网络、WIFI网络和北斗网络进行无缝切换，目前尚无成熟的技术。
技术实现思路
为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术要设计一种能实现多种网络无缝切换并能将列车设备健康信息及时传送到数据监测终端的列车健康状态信息监测无线网关装置及其工作方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种列车健康状态信息监测无线网关装置，包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块；所述的4G模块、WIFI模块和北斗模块分别与数据监测终端建立通信。所述的存储器用于存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息，为列车健康状态信息的融合及封装做准备；所述的主控制器用于根据列车所处网络区域切换通信方式，实现数据传输的实时性和完整性；所述的车地无线传输装置通过4G模块、WIFI模块及北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。进一步地，所述的WIFI模块选用USR-WIFI232-D2模块；所述的4G模块采用USR-LTE-7S4模块；所述的北斗模块采用ATGM336H-5N系列模块；所述的存储器采用SD700模块；所述的主控制器采用STM32F407VET6芯片。一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，包括以下步骤：A、存储器存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息；B、主控制器利用“表带链条式数据帧”，对列车健康状态信息进行统一封装，将要传输的列车健康状态信息的数据大小和数据类型填入帧头。若此时传输速率较大，则将行成的“表带链条”的帧头帧尾进行“握手”设计，即两帧之间的帧头与帧尾合并；反之，则将这种“表带链条式数据帧”进行拆卸传输，以此达到不同通信协议的兼容；所述的数据类型包括连续量和离散量；C、主控制器对列车健康状态信息进行数据处理；考虑到所需传输的数据具有多元性、复杂性和繁多性的特点，针对不同类型、不同来源、不同条件下的列车健康状态信息进行融合优化处理。利用加权融合算法先将列车健康状态信息根据其属性进行分类，分为列车基本信息数据、机械状态信息数据、电气状态信息数据、车载状态信息数据和列车运行环境状态信息数据，为防止观测噪声很大或是估计值发散而导致的严重估计偏差，在进行多个传感器加权融合之前，先对单个传感器进行加权，更准确地估计出各传感器的估计值。定义Wk为单个传感器最优比例权重。Xk为估计值，Zk为观测值。再考虑方差σ，计算多个传感器融合权重αk，进行数据融合。从而计算出更准确地融合值实现多类型数据的优化融合。D、主控制器判断WIFI网络信号的强弱：如果信号弱或无信号即列车不在车站内，则转步骤E；否则，主控制器通过WIFI模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；4G网络向WIFI网络切换的方法如下：采用IP地址再封装法，对于数据监测终端来说，在4G网络中的本地地址是IP1，在传输端所对应的响应节点的IP地址为IP3，切换至WIFI网络时，被分配一个新的网络地址IP2。传输端将以IP3为源地址的IP数据包进行重新封装，并以IP2作为源地址，IP1作为目标地址进行传输。当该数据包能够通过WIFI网络到达响应节点，响应节点收到该数据包时，首先进行解封装并将提取出的原始数据包发送至内核中的IP栈内，此时当前会话将这个原始数据包当成是从4G网络接收来的，因而实现连续传输，无缝切换。E、主控制器判断4G网络信号的强弱，如果4G网络信号强，主控制器通过4G网络向数据监测终端传输列车健康状态信息；否则，主控制器通过北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。WIFI网络向4G网络切换方法如下：与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，但此时存在数据包丢失问题，需要采用WIFI网络源路由再封装法，就是在传输IP2的数据时将源路由信息附加到该数据包中，该信息指明了源数据包的转发过程，这样从IP3传输的数据就能直接到达IP1处，避免数据包丢失的问题，同时也保证传输连续性。北斗网络与WIFI网络和4G网络切换方法如下：与4G网络向WIFI网络切换的方法类似，同时在数据传输过程中借鉴令牌机制，将网络状态信息添加进数据包中，用于共享各网络类型信号强度。同时对于不同车次，设置网络切换预定地点，通过对信号强度监测及预先的设定，保证网络实时有效地进行无缝切换。进一步地，所述的4G网络向WIFI网络切换、WIFI网络向4G网络切换以及北斗网络与WIFI网络和4G网络切换的切换方式由RSSI切换机制决定。RSSI切换机制将4G网络信号和WIFI网络信号强度进行百分比换算，无信号时RSSI为0％，RSSI最大时为100％。设置信号发送的RSSI标准值S％、警戒值B％、良好值A％、差阈值E％。假定4G网络和WIFI网络的RSSI值分别为C％和D％，假定初始状态为4G网络传输，当C％≥D％时，若C％≥S％，则继续执行4G网络传输；若S％≥C％≥B％，则在4G网络传输的同时进入准备切换状态；若C％≤B％，则切换至北斗网络传输。当C％≤D％，若C％≥B％，则不进行切换，维持4G网络传输；若D％≥B％，且D％-C％≥E％，则切换至WIFI网络传输，否则切换至北斗网络传输。进一步地，在列车健康状态信息传输过程中，通过主控制器判断信号强弱，根据RSSI切换机制选择适当的传输方式，假定当前选择4G网络传输，数据传输流程如下：S1、当第一帧数据发送时，给数据进行标记N＝1，数据监测终端接收到第一帧数据同时给主控制器发送N＝1帧号。S2、主控制器在收到数据监测终端发送的帧号后，开始继续发送第二条数据帧，给第二条数据帧标记帧号N＝2，同时接收数据监测终端发送的N＝2的数据。S3、以此类推，当帧号到达一定数目时，清空数据帧，重新开始标记帧号。S4、假定第i帧号的数据发送到数据监测终端后主控制器未接收到响应，预示数据发送失败，启动主控制器重发机制。S5、启动重发机制后，主控制器再次发送第i帧号的数据给数据监测终端，若仍未接收到响应，则启动模块自复位机制，若仍未成功则启动RSSI切换机制，重新选择传输方式，返回步骤S1。进一步地，在两种通信模式的切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种列车健康状态信息监测无线网关装置，其特征在于：包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块；所述的4G模块、WIFI模块和北斗模块分别与数据监测终端建立通信；所述的存储器用于存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息，为列车健康状态信息的融合及封装做准备；所述的主控制器用于根据列车所处网络区域切换通信方式，实现数据传输的实时性和完整性；所述的车地无线传输装置通过4G模块、WIFI模块及北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。

【技术特征摘要】
1.一种列车健康状态信息监测无线网关装置，其特征在于：包括存储器、主控制器和车地无线传输装置，所述的存储器与列车信息采集单元连接，所述的主控制器分别与存储器和车地无线传输装置连接，所述的无线传输装置与数据监测终端建立通信；所述的车地无线传输装置包括4G模块、WIFI模块和北斗模块；所述的4G模块、WIFI模块和北斗模块分别与数据监测终端建立通信；所述的存储器用于存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息，为列车健康状态信息的融合及封装做准备；所述的主控制器用于根据列车所处网络区域切换通信方式，实现数据传输的实时性和完整性；所述的车地无线传输装置通过4G模块、WIFI模块及北斗模块向数据监测终端传输列车健康状态信息。2.根据权利要求1所述的一种列车健康状态信息监测无线网关装置，其特征在于：所述的WIFI模块选用USR-WIFI232-D2模块；所述的4G模块采用USR-LTE-7S4模块；所述的北斗模块采用ATGM336H-5N系列模块；所述的存储器采用SD700模块；所述的主控制器采用STM32F407VET6芯片。3.一种列车健康状态信息监测无线网关装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：A、存储器存储列车信息采集单元发送来的列车健康状态信息；B、主控制器利用“表带链条式数据帧”，对列车健康状态信息进行统一封装，将要传输的列车健康状态信息的数据大小和数据类型填入帧头；若此时传输速率较大，则将行成的“表带链条”的帧头帧尾进行“握手”设计，即两帧之间的帧头与帧尾合并；反之，则将这种“表带链条式数据帧”进行拆卸传输，以此达到不同通信协议的兼容；所述的数据类型包括连续量和离散量；C、主控制器对列车健康状态信息进行数据处理；考虑到所需传输的数据具有多元性、复杂性和繁多性的特点，针对不同类型、不同来源、不同条件下的列车健康状态信息进行融合优化处理；利用加权融合算法先将列车健康状态信息根据其属性进行分类，分为列车基本信息数据、机械状态信息数据、电气状态信息数据、车载状态信息数据和列车运行环境状态信息数据，为防止观测噪声很大或是估计值发散而导致的严重估计偏差，在进行多个传感器加权融合之前，先对单个传感器进行加权，更准确地估计出各传感器的估计值；定义Wk为单个传感器最优比例权重；Xk为估计值，Zk为观测值；再考虑方差σ，计算多个传感器融合权重αk，进行数据融合；从而计算出更准确地融合值实现多类型数据的优化融合；D、主控制器判断WIFI网络信号的强弱：如果信号弱或无信号即列车不在车站内，则转步骤E；否则，主控制器通过WIFI模块向数据监测终端传输列车健康状态信息；4G网络向WIFI网络切换的方法如下：采用IP地址再封装法，对于数据监测终端来说，在4G网络中的本地地址是IP1，在传输端所对应的响应节点的IP地址为IP3，切换至WIFI网络时，被分配一个新的网络地址IP2；传输端将以IP3为源地址的IP数据包进行重新封装，并以IP2作为源地址，IP1作为目标地址进行传输；当该数据包能够通过WIFI网络到达响应节点，响应节点收到该数据包时，首先进行解封装并将提取出的原始数据包发送至内核中的IP栈内，此时当前会话将这个原始数据包当成是从4G网络接收来的，因而实现连续传输，无...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈少华，邓晓欧，姚诗琪，何玉娇，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21