一、概述

鐵路機(jī)車遙控系統(tǒng)(RemoteControlLocomotive)是指機(jī)車司機(jī)通過無(wú)線電遙控操作機(jī)車的系統(tǒng)。司機(jī)不在機(jī)車駕駛室內(nèi)就可以完成操作，它大大提高了操作的安全和生產(chǎn)率。美國(guó)鐵路在2002年開始在調(diào)車場(chǎng)推廣機(jī)車遙控（RCL）系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然這項(xiàng)推廣比加拿大鐵路晚了十年，但是由於采用了數(shù)字電臺(tái)技術(shù)，參考加拿大鐵路的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)鐵路的鐵路機(jī)車遙控系統(tǒng)（鐵路機(jī)車站場(chǎng)調(diào)度）的推廣，獲得了各個(gè)方面的支持和認(rèn)可。GEGEMDSentraNET網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)是美國(guó)機(jī)車遙控電臺(tái)的首選產(chǎn)品。它為用戶提供了一個(gè)專業(yè)級(jí)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)解決方案，該產(chǎn)品使用802.11協(xié)議和BSP簡(jiǎn)單串口通信協(xié)議，可以很容易的構(gòu)成一個(gè)跨越幾十公里，上百臺(tái)控制器和機(jī)車組成的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文對(duì)這一系統(tǒng)和應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

二、美國(guó)GEMDS公司介紹

美國(guó)GEMDS公司是世界公認(rèn)的提供無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的先鋒，七十多萬(wàn)臺(tái)MDS數(shù)字電臺(tái)在世界各地安裝使用。GEMDS數(shù)字電臺(tái)的性能樹立了無(wú)線數(shù)據(jù)通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

MDS公司成立于1985年，位于紐約州北部羅徹斯特市，專門研制生產(chǎn)專業(yè)無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備。26年來，MDS公司一直在工業(yè)專網(wǎng)通信領(lǐng)域的前沿獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，成為這一行業(yè)最大生產(chǎn)廠商。MDS公司現(xiàn)有員工280人，占有美國(guó)70%同類產(chǎn)品市場(chǎng)。

MDS擁有世界級(jí)的廠房和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)施。它的生產(chǎn)管理系統(tǒng)采用柔性制造生產(chǎn)。它有兩條表面焊接技術(shù)生產(chǎn)線，所有的部件、半成品及成品的試驗(yàn)和檢測(cè)都是自動(dòng)控制完成的。工廠依據(jù)客戶的訂單進(jìn)行生產(chǎn)，每天可以生產(chǎn)多種不同的機(jī)型，日產(chǎn)可達(dá)1,000臺(tái)。56,000平方英尺的廠房，ISO-9001質(zhì)量認(rèn)證體系，先進(jìn)的管理系統(tǒng)，造就了一流的產(chǎn)品，一流的企業(yè)。

MDS一方面不斷創(chuàng)新，加強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備，另一方面下大力量保持產(chǎn)品的兼容性，使已安裝的產(chǎn)品與新產(chǎn)品可以兼容并升級(jí)換代。MDS為了無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的安裝調(diào)試和使用維護(hù)方便，開發(fā)了許多專用工具和軟件，深受用戶喜愛。MDS數(shù)傳電臺(tái)已成為了行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

2007年3月美國(guó)通用電器公司（GE）收購(gòu)了MDS公司，更名為GEMDS公司。

三、GEMDSentraNET網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

GEMDSentraNET電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由中心接入點(diǎn)和遠(yuǎn)端電臺(tái)構(gòu)成。接入點(diǎn)就是一個(gè)系統(tǒng)的主站電臺(tái)，用于控制調(diào)整整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，該設(shè)備有兩個(gè)串口和一個(gè)以太網(wǎng)口，能夠?qū)崿F(xiàn)IP到串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)之間網(wǎng)關(guān)的功能。使得應(yīng)用數(shù)據(jù)可以從以太網(wǎng)口入，從串口出，反之亦然。接入點(diǎn)也為所有的相關(guān)子站提供中心管理和配置功能，整個(gè)系統(tǒng)的IP到串口，接入點(diǎn)到子站，串口到串口的配置信息都存儲(chǔ)在接入點(diǎn)。接入點(diǎn)最多可以支持1024個(gè)子站。

子站電臺(tái)有一個(gè)RJ-45端口，可通過軟件設(shè)置為：EIA-232標(biāo)準(zhǔn)串口或者以太網(wǎng)口，還有一個(gè)RJ-12本地串口，用于配置管理，也可用來傳輸數(shù)據(jù)。子站的以太網(wǎng)口只缺省情況下只能支持一個(gè)MAC地址，可以連接一臺(tái)PC或PLC設(shè)備。如果需要連接多個(gè)以太網(wǎng)設(shè)備，則需要MDS的授權(quán)。

GEMDSentraNET通過接入點(diǎn)的串口，與遠(yuǎn)端的串口電臺(tái)實(shí)現(xiàn)串口對(duì)串口連接，也可以通過接入點(diǎn)的以太網(wǎng)口，與遠(yuǎn)端的串口電臺(tái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)對(duì)串口連接，支持TCP和UDP傳輸。

GEMDS還提供OEM串口子站模塊。是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的模塊，與串口子站基本一樣。

子站電臺(tái)與子站電臺(tái)通過接入點(diǎn)建立通信聯(lián)系的系統(tǒng)是集中控制系統(tǒng)。子站電臺(tái)與子站電臺(tái)不通過接入點(diǎn)建立聯(lián)系的系統(tǒng)是直通系統(tǒng)。直通系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子站電臺(tái)之間的串口對(duì)串口通訊，不需要接入點(diǎn)的參與，特別適合子站電臺(tái)脫網(wǎng)時(shí)使用。GEMDSentraNET電臺(tái)在上述兩種方式下都可以工作，而且可以切換。直通系統(tǒng)模式在機(jī)車遙控應(yīng)用中經(jīng)常用到。

四、GEMDSentraNET網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)的特點(diǎn)

跳頻擴(kuò)頻電臺(tái)

調(diào)制方式為CPFSK調(diào)制，空中速率106kbps，發(fā)射功率100毫瓦至1瓦可調(diào)，接收靈敏度-108dBm，工作使用溫度-40度，+70度。堅(jiān)固耐用的工業(yè)級(jí)包裝，支持省電和休眠模式。頻率是900兆或2.4Ghz，也計(jì)劃提供340兆的產(chǎn)品。跳頻時(shí)間可設(shè)為7ms,14ms,28ms。

媒體接入控制功能(MAC)

這是它有別于常規(guī)數(shù)傳電臺(tái)主要特點(diǎn)?？梢灾С种鲃?dòng)上報(bào)，電臺(tái)信道的竟?fàn)幑芾?，有限度的支持以太網(wǎng)。每個(gè)子站只有一個(gè)以太網(wǎng)端口，IP地址，MAC地址與子站無(wú)關(guān)。

簡(jiǎn)單的以太網(wǎng)橋功能

由於帶寬低，不適合做局域網(wǎng)間的橋接設(shè)備。支持802.1d協(xié)議，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流，支持標(biāo)準(zhǔn)的EtherNET2和802.2，802.3幀結(jié)構(gòu)。內(nèi)置以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀過濾和轉(zhuǎn)發(fā)功能，減少了不必要的數(shù)據(jù)傳輸。支持的橋接模式可以設(shè)置，有四種選擇：

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->關(guān)閉：不傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->沒有廣播和組播

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->只有IP和ARP

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->全開放：所有的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流遵從802..3協(xié)議

GEMDSentraNET網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，建議通過交換機(jī)或路由器將此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)隔離出來，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段，以防止由於大量的廣播數(shù)據(jù)流涌入，造成系統(tǒng)運(yùn)行困難。對(duì)於網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、廣播數(shù)據(jù)量很小的網(wǎng)絡(luò)，則無(wú)此必要。如果有可能，應(yīng)使用GEMDSentraNET的MAC過濾功能。

BSP簡(jiǎn)單串口協(xié)議

BSP是子站之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串口通信協(xié)議。BSP數(shù)據(jù)的路由處理由接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。支持QOS優(yōu)質(zhì)服務(wù)，數(shù)據(jù)流可分為不同的優(yōu)先級(jí)，有高，中，低三級(jí)。每個(gè)BSP數(shù)據(jù)包有源地址和目標(biāo)地址(子站電臺(tái)的編號(hào))，連接電臺(tái)的數(shù)據(jù)終端必須支持BSP協(xié)議，數(shù)據(jù)終端必須識(shí)別電臺(tái)編碼，BSP啟始標(biāo)識(shí)，BSP幀結(jié)構(gòu)。運(yùn)用IAPP接入點(diǎn)協(xié)議，BSP數(shù)據(jù)可以在多個(gè)接入點(diǎn)的系統(tǒng)中，不同子站之間傳輸，子站可以屬於不同的接入點(diǎn)。BSP通過接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀透明傳輸，在直通模式中也透明傳輸。不論是否有接入點(diǎn)介入，數(shù)據(jù)幀的格式是一樣的。BSP通信協(xié)議的內(nèi)容和定義見附錄一。

QOS優(yōu)質(zhì)服務(wù)

優(yōu)質(zhì)服務(wù)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，保證關(guān)鍵的命令，如：“mandown下人”,“鳴笛”等命令優(yōu)先傳輸。優(yōu)質(zhì)服務(wù)的方式是建立在每一個(gè)數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上的，根據(jù)數(shù)據(jù)包的種類來提供服務(wù)。有高，中，低3種不同優(yōu)先級(jí)可選，它使系統(tǒng)的表現(xiàn)，反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)。。

接入點(diǎn)協(xié)議IAPP

GEMDSentraNET接入點(diǎn)和其它接入點(diǎn)可以通過另外的有線或無(wú)線以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)接入點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。使用TCP/IP協(xié)議，通過路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，靈活性好。用戶可設(shè)置組播IP地址和協(xié)議端口功能。實(shí)現(xiàn)多個(gè)接入點(diǎn)共享它們所相關(guān)的子站信息和路由表。

漫游切換功能

支持移動(dòng)服務(wù)，子站可以在接入點(diǎn)與接入點(diǎn)之間切換漫游。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度低于接收門限，或著與接入點(diǎn)失去聯(lián)系時(shí)，會(huì)進(jìn)行漫游切換。目前的接入點(diǎn)接會(huì)關(guān)閉一段時(shí)間，時(shí)間可設(shè)，缺省值是5秒。這期間子站可以和新的接入點(diǎn)建立聯(lián)系。一旦建立了聯(lián)系，新的接入點(diǎn)會(huì)更新它的子站表，并把新的信息用UDP包，通過以太網(wǎng)組播方式發(fā)送出去。每個(gè)接入點(diǎn)有相同的網(wǎng)絡(luò)地址，不同的延伸地址(0-31)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多有32個(gè)接入點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)管理

所有的電臺(tái)的本地管理都通過串口COM1進(jìn)行，接入點(diǎn)和子站可以通過多種方式遠(yuǎn)程管理。所有的配置參數(shù)存儲(chǔ)在接入點(diǎn)，存儲(chǔ)配置參數(shù)的文件可以編輯修改，修改完的文件可以再下載到接入點(diǎn)，管理控制方便。

網(wǎng)絡(luò)安全

MDSeantraNET采用了下列措施來保證網(wǎng)絡(luò)的安全。

加密，設(shè)定接入點(diǎn)清單，設(shè)定子站清單，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址，設(shè)定跳頻模式

如果打開加密功能，所有的串口數(shù)據(jù)，所有以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容在空中的傳輸中都會(huì)加密。加密使用128位對(duì)稱密匙算法。在接入點(diǎn)打開加密匙功能時(shí)，可以輸入長(zhǎng)達(dá)40個(gè)字母數(shù)字字符串。同樣的加密匙必須輸入到相關(guān)的每個(gè)子站中。

五、GEMDSentraNET鐵路機(jī)車遙控系統(tǒng)

鐵路機(jī)車遙控系統(tǒng)（鐵路機(jī)車站場(chǎng)調(diào)度）利用entraNET網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)的上述特點(diǎn)，根據(jù)鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用要求構(gòu)成了一個(gè)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的專業(yè)無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。它有兩種運(yùn)行模式。

5.1集中控制系統(tǒng)模式

場(chǎng)站集中控制模式可以將40多臺(tái)機(jī)車構(gòu)成一個(gè)場(chǎng)站內(nèi)跨越多個(gè)交叉口的集中控制通信系統(tǒng)。機(jī)車遙控器(OCU)和機(jī)車控制器(LCU)的數(shù)據(jù)包通過多個(gè)接入點(diǎn)組成的集中控制系統(tǒng)來傳輸。每一個(gè)接入點(diǎn)為系統(tǒng)提供大約100kbps的帶寬。系統(tǒng)有一個(gè)配置服務(wù)器，如果QOS優(yōu)質(zhì)服務(wù)啟用,可以保證遙控機(jī)車的數(shù)據(jù)包比配置數(shù)據(jù)包優(yōu)先發(fā)送。

集中控制模式能使分布在場(chǎng)站的多個(gè)接入點(diǎn)構(gòu)成覆蓋大面積區(qū)域的系統(tǒng)，機(jī)車遙控主要的系統(tǒng)要求如下：

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->0.5秒漫游切換時(shí)間

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->兩個(gè)子站電臺(tái)之間的連接可通過不同的接入點(diǎn)

<!--[if!supportLists]-->l<!--[endif]-->數(shù)據(jù)時(shí)延小于100毫秒

子站電臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一數(shù)據(jù)包的RSSI指標(biāo)和重發(fā)次數(shù)及成功率。在場(chǎng)站內(nèi)安裝足夠的接入點(diǎn)保證信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到-80dBm以上，無(wú)陰影區(qū)。接入點(diǎn)的覆蓋半徑5公里，允許10dB的障礙衰減，接入點(diǎn)天線高度30米。根據(jù)RSSI指標(biāo)和數(shù)據(jù)包傳輸成功率，子站能夠決定是否切換到新的接入點(diǎn)，子站漫游切換的平均時(shí)間是420毫秒。子站經(jīng)過權(quán)鑒被納入網(wǎng)絡(luò)的路由表中，它使數(shù)據(jù)包可以找到正確的路徑。

為了讓每個(gè)接入點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，并交換路由信息，接入點(diǎn)之間需要建立一個(gè)單獨(dú)的基于IP的局域網(wǎng)。這些接入點(diǎn)都在高處，相互之間無(wú)障礙，建立局域網(wǎng)容易。電臺(tái)的地址位是16比特，系統(tǒng)內(nèi)有40臺(tái)機(jī)車，每個(gè)機(jī)車有兩個(gè)遙控器，共120個(gè)子站，系統(tǒng)的路由表數(shù)據(jù)大約是240字節(jié)。每0.5秒更新數(shù)據(jù)，即至少需要4800bps速率的鏈路。此路由表指配所有數(shù)據(jù)包的合適路徑。小于1秒的漫游切換時(shí)間對(duì)鐵路機(jī)車遙控系統(tǒng)（鐵路機(jī)車站場(chǎng)調(diào)度）已經(jīng)足夠了。

除了路由表以外，局域網(wǎng)需要傳送約100kbps的機(jī)車遙控?cái)?shù)據(jù)流，包括網(wǎng)絡(luò)開銷和IP包頭，平均子站的上行和下行接入時(shí)間是15毫秒。如果局域網(wǎng)絡(luò)的鏈路速率達(dá)到256kbps,數(shù)據(jù)時(shí)延會(huì)小于20毫秒。總而言之，GEMDSentraNET系統(tǒng)可以很容易達(dá)到1秒的數(shù)據(jù)時(shí)延要求。

5.2直接通信模式

在沒有接入點(diǎn)時(shí)，子站之間可以直接通信。直接通信模式啟動(dòng)要通過外接端口，發(fā)給電臺(tái)一個(gè)命令。在直通模式，一個(gè)子站起著接入點(diǎn)的作用，稱為基站(ROOT)。一個(gè)或多個(gè)子站(設(shè)為NODES)和基站建立聯(lián)系。所有電臺(tái)必須設(shè)為同樣的網(wǎng)絡(luò)地址，每個(gè)子站需要一個(gè)獨(dú)立的直接通信模式網(wǎng)絡(luò)地址。設(shè)直接通信類型，啟動(dòng)直接通信模式，檢查直接通信模式狀態(tài)。

機(jī)車的遙控控制器(OCU)數(shù)據(jù)流通過entraNET子站電臺(tái)直接傳到一臺(tái)機(jī)車上的機(jī)車控制器(LCU)進(jìn)行控制就是直通模式。這個(gè)模式在機(jī)車遠(yuǎn)離場(chǎng)站集中控制系統(tǒng)時(shí)需要使用。例如：

在接送現(xiàn)場(chǎng)遙控：在用戶的接送現(xiàn)場(chǎng)需要遙控機(jī)車，此地遠(yuǎn)離場(chǎng)站的集中控制系統(tǒng)，是單獨(dú)運(yùn)作的系統(tǒng)。它要求能可靠地傳輸覆蓋3公里范圍。

在機(jī)車信號(hào)室遙控：允許機(jī)車司機(jī)在機(jī)車從場(chǎng)站到場(chǎng)站運(yùn)行時(shí)，在機(jī)車信號(hào)室遙控機(jī)車。在機(jī)車從場(chǎng)站到場(chǎng)站運(yùn)行時(shí)，司機(jī)用遙控控制器(OCU)和機(jī)車控制器(LCU)建立連接。在機(jī)車信號(hào)室可以遙控機(jī)車行駛不超過160公里。