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索道項目建設應用的技術關鍵

發布日期:2015-2-10   瀏覽次數:3367

  近年來應用于客運索道的通訊技術發展取得了很大進展,但仍面臨許多技術挑戰,包括模擬信號的采集與傳輸、高速A/D轉換、DSP數字處理、國際標準協議接口、編碼糾錯、多種應用系統兼容與并網、多節點的有線或無線接入等技術等問題,可以說這些技術決定著索道通訊系統數字化的發展和實現。

  理想的索道數字通訊系統的傳輸部分應該能覆蓋全部索道線路、站房機電和控制裝置、安全監測裝置以及管理機構乃至異地管理層的信息節點,要能在索道這樣非常有限的應用環境條件下,來實現各系統的無障礙高速互聯通信。目前還被認為在現有技術條件水平下是不能實現的。但是,通過開發和應用高速的OFDM-SL非壓縮數字編解碼調制技術的應用,數字寬帶總線架構系統通訊網絡的設計思路日漸清晰,高效、安全、可靠的數字通訊系統已成為未來客運索道交通行業應用的發展趨勢。具有突破性的一項技術是“軟協議透傳”。該技術基于自適應的高速通訊帶寬和自動時隙偵聽特性,解決了傳統數字編碼技術受到輸入信號最大轉速率嚴格限制的問題。 使各節點的不同信號可以通過“數字平臺網絡”進行非指定介質的快速交換,這不僅僅減少了通訊環節的投資和維護,同時也使索道現場監測信號與控制信號具有更高的處理速度和處理能力,還能通過計算機來自動完成索道運行狀態數據的建模和仿真組態顯示、分析和預警,從而使索道的運行更加安全、可靠,操作更為精確、輕松。 
  索道SCADA的平臺架構,是在基于先進的SCADA ( Supervisory Control And Data Acquisition )即監視控制與數據采集系統平臺之上的創新拓展。利用先進的數字網絡設備和網絡互聯技術設計而成。系統具有合理的網絡構架,具有較好的擴展能力和升級能力,也為客戶用戶提供了長期的投資保護。
  SCADA最初是在工業機電一體化通信中提出的。今后的自動化監管控制體系要求通信保障具備協同、機動、保密、智能、抗干擾和抗毀六種能力 ,而現有的通訊方式都是根據特定用途進行設計的 ,存在著模式、方式的差異 , 導致不同系統裝備品種雜、作用單一、系列多、互通差、協同難、維護操作困難的局面 ,很難適應未來發展的需要。   
  索道SCADA平臺集中了現場測控功能強和組網通信能力強這兩大優點,并開發利用了數字復用的新技術,既可配以有線通信系統,也可配以無線通信系統,甚至可以利用現場原有連接載體(如供電線、電話線、信號線計算機網線等等),而且不影響原有的應用功能,其性能價格比非常高,尤為適合于地域廣闊、長距離、多節點、多信號、大信息量、帶寬要求高、需要遠程安全供電及防雷的應用環境。具有極強的信息高速交換、處理和傳輸能力,如本地測控功能和完善的網絡通信功能于一  體。其環境適應性、系統可靠性皆按軍標要求設計,并能保證在極其惡劣的電磁環境中十分可靠地通信。具有極高的性能價格比,同時也代表著SCADA系統應用領域的發展方向。 
  多系統之間的協議棧層、信號編碼和調制方式是限制索道數字通訊技術發展的瓶頸問題,其數據處理速度和精度直接關系到“軟協議透傳”能否實現。目前采用的技術方案是數字信號處理技術OFDM-SL、動態數據交換DDE協議和ODBC接口幾種技術的結合。高速DFPG是可重編程器件,是數字編解碼的核心硬件部分,包括實現軟件的可編程性、高速的硬件,并可實時重構。隨著微電子技術的發展,數字信號處理器件在速度和性能上有了很大的提高,事實上,DFPG是真正的 “軟”硬件,能在定制硬件和靈活的全軟件方案之間折衷。使數字信號處理器能夠完成所需的高速編碼調制解調功能。同時,由于大規模DFPG既有傳統DSP運算速度快、功耗低的優點,又具有可動態配置的靈活性,利用DFPG可以同時滿足速度和靈活性兩方面的要求,支持基礎應用層上動態系統配置的功能。在結合動態前導偵聽技術的開發使得索道內部的信息節點通訊可以在系統通路范圍內進行動態漫游成為了可能。從而大大提升了“數字平臺”整體的性能和靈活性。這在客運索道的數字通訊應用方案中也將發揮重大的作用。
  基于索道數字通訊技術平臺的另一個重要特性是數據并發。由于今后的索道運行管理中往往需要多節點的大流量的圖像數據、語音數據、監測和控制數據等在同一物理介質中并行多向發送,系統網絡內部數據流量大,進行編碼、加密、調制、握手認證、解調等處理運算次數多。這就要求進行優化針對OFDM內部協議編碼的算法。用以實現x.25物理層中數據比特流的透明傳輸。并按照不同的數據處理流程,與固定信息終端或纜車上無線移動終端的數據交換、自適應調制解調、信道環境分析和管理、自適應頻率估計選擇和校正、邊帶SSB調制解調及無線載頻頻率交換等等。 只有這樣,才能實現各個子系統的高速運行以及多種功能的靈活切換和控制。對于索道上固定功能的模塊如視頻、電話、開關量和模擬量采集與控制等,則由DFPG來提供標準的信令公約和堆棧管制。這樣,各種數字化終端具有了統一的輸入輸出接口,既可以滿足高速的數字信號相互通訊的要求,又可以實現對各種系統硬件的全方位配置。 
  OFDM-SL非壓縮數字編碼技術是吸取了Multi-Carrier Modulation方式的一種演變,也是和Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing編碼技術的延伸和優化,基于離散傅立葉變換(DFT)的快速算法來實現多個載波的調制,簡化了系統結構,其原理是將通信傳輸信道分成若干正交子信道,將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流,調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開,這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬,因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落,從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分, 輸入數據信元的速率為R,經過串并轉換后,分成M個并行的子數據流,每個子數據流的速率為R/M,在每個子數據流中的若干個比特分成一組,每組的數目取決于對應子載波上的調制方式,如PSK、QAM等。M個并行的子數據信元編碼交織后進行IFFT變換,將頻域信號轉換到時域,IFFT塊的輸出是N個時域的樣點,再將長為Lp的CP(循環前綴)加到N個樣點前,形成循環擴展的信元,因此,實際發送的信元的長度為Lp+N,經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號,此信號經過串并轉換后移去CP,如果CP長度大于信道的記憶長度時,ISI僅僅影響CP,而不影響有用數據,去掉CP也就去掉了ISI的影響。采用動態子載波分配技術能使系統達到最大比特率。通過選取各子信道,每個符號的比特數以及分配給各子信道的功率使總比特率最大。通過將各個信道聯合編碼,減少了對物理通道資源的依賴性,提升了系統內高速通信和抗干擾能力。
  索道數字通訊系統中的總線設計架構是項目成功開發和應用的關鍵,是用來解決如何實現索道數字通訊系統中各功能單元互連,組成一個開放、可擴展、標準,具有較高數據吞吐量的硬件平臺的問題。目前可以采用的互連結構有總線結構、交換網結構和樹型結構。在總線結構中,各功能模塊通過統一的、開放的標準接口相連接,使系統具有良好的開放性和通用性。總線結構,包括RS485、CAN、VME和PCI等,在工業界已有廣泛使用,且實現起來較容易。但是這些總線結構的特點是只能有一個功能單元在總線上傳輸數據,即它是時間共享。這種時分復用機制限制了帶寬,制約了互連總線結構的可擴展性。在交換網結構中,每個功能單元有一個適配器,用來將數據打包傳送給交換網。其原理類似于IP或ATM交換。但該結構在實際中應用時,對數據吞吐量和包延遲方面的性能有嚴格的要求。樹型結構優化了互連技術的應用,免除功能塊之間的互連,但實現起來有一定的難度,靈活性也有限。在這幾種結構中,總線結構享有廣泛的使用和認可;而交換網結構速率更高、更具靈活性,樹型結構更是優化了互連技術,但是目前這三種互連技術中,任何一種還都不能滿足所有的應用和技術要求。而索道SCADA系統平臺架構的總線形式則是充分的吸取了這三種結構的優勢部分,將成功的開發出第四種準結構方式,即數字寬帶總線結構,也是基于“軟件總線”的思想 ,就是建立一個基于標準、開放、易用的體系結構。所謂的“寬帶總線”和通常所說的“硬件總線”類似 ,就是將應用模塊按標準做成總線 ,插入總線即可實現集成運行 ,從而支持分布式的應用環境。這種設計思想與軟件系統中軟件的可重用性是一致的。數字寬帶總線能夠極大的滿足“軟協議透傳”的使能要求,所以它對傳統的國際標準接口設備的兼容性非常好,所有傳統的協議、信令、數據、語音、圖象等等業務,都能夠原封不動的使用該項新技術,相關的設備不需要做任何改動。并可在項目設計允許的范圍內支持任意的空中接口。

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