城市軌道交通車輛數(shù)據(jù)無線下載裝置研發(fā)

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥工程師）

城市軌道交通車輛數(shù)據(jù)無線下載裝置研發(fā)

李 彬

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥工程師）

針對(duì)城市軌道交通車輛車載數(shù)據(jù)采集效率低及完整性無法保證的問題，提出并開發(fā)了一種應(yīng)用于城市軌道交通車輛的數(shù)據(jù)無線下載裝置。對(duì)該無線下載裝置進(jìn)行了體系結(jié)構(gòu)搭建和網(wǎng)絡(luò)性能分析，并進(jìn)行了半實(shí)物仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)無線下載裝置具有較高的實(shí)用性與可靠性。

城市軌道交通車輛；列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)無線下載系統(tǒng)；仿真分析

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

城市軌道交通列車運(yùn)行過程中若發(fā)生故障，車載故障診斷系統(tǒng)會(huì)生成故障診斷信息并記錄和存儲(chǔ)。目前，故障診斷信息常見下載方法是：列車回庫后，車輛維修人員逐列登車，使用便攜式測(cè)試單元手動(dòng)下載數(shù)據(jù)。這樣不僅不易操作，影響效率，而且存在遺漏信息的可能。因此，提高數(shù)據(jù)下載的效率與完整性，并采用相應(yīng)信息化檢修作業(yè)，成為目前車載數(shù)據(jù)采集急需解決的問題。

本文提出了應(yīng)用于城市軌道車輛的數(shù)據(jù)無線下載裝置，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對(duì)所開發(fā)的數(shù)據(jù)無線下載裝置進(jìn)行了半實(shí)物仿真試驗(yàn)。該裝置可在列車入庫后無線自動(dòng)下載車載數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，檢查車輛各系統(tǒng)性能，定位故障，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障信息的靜態(tài)采集和信息化統(tǒng)計(jì)與管理，逐步實(shí)現(xiàn)車輛維保技術(shù)的整體優(yōu)化與發(fā)展，從而提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全與管理水平。

1 數(shù)據(jù)無線下載裝置的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)無線下載裝置的車載應(yīng)用環(huán)境中，所采用的列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）主要由以下設(shè)備構(gòu)成：2個(gè)冗余中央控制單元（CCU）；多個(gè)遠(yuǎn)程輸入輸出模塊（RIOM）；4個(gè)多功能車輛總線（MVB）中繼器；2個(gè)人機(jī)接口界面（HMI）；4個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)（Switch）；2個(gè)列車數(shù)據(jù)記錄儀（ERM）；1個(gè)陪試設(shè)備（模擬其它未接入TCMS的MVB設(shè)備，如牽引控制單元（TCU）、制動(dòng)控制單元（BCU）和輔助供電控制單元（ACU）等的信號(hào)發(fā)生）。圖1為列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)無線下載裝置分為車載部分和地面部分，圖2為數(shù)據(jù)無線下載裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

車載部分由列車數(shù)據(jù)記錄儀和具有無線傳輸功能的無線接入點(diǎn)（AP）及配套天線等組成。數(shù)據(jù)記錄儀通過MVB總線采集TCMS車載數(shù)據(jù)，包括列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)。列車入庫時(shí)數(shù)據(jù)記錄儀將需要上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包壓縮，壓縮好的文件以時(shí)間戳命名并通過基于TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳送給車載無線AP。車載無線AP通過無線局域網(wǎng)（WLAN）將車載數(shù)據(jù)傳送到地面服務(wù)器。

地面部分由無線AP、工業(yè)交換機(jī)和地面服務(wù)器組成。其中所有地面無線AP、工業(yè)交換機(jī)均布置在庫內(nèi)，組地面成WLAN。在列車回庫時(shí)，當(dāng)車載無線AP檢測(cè)到地面WLAN，即建立無線通信鏈接，并由數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)到地面服務(wù)器，請(qǐng)求執(zhí)行車載數(shù)據(jù)的上傳。當(dāng)車載數(shù)據(jù)被地面服務(wù)器接收、文件解壓、數(shù)據(jù)解析并存入本地?cái)?shù)據(jù)庫后，通過服務(wù)器端軟件可對(duì)故障進(jìn)行檢索與分析，為車輛維修人員提供技術(shù)支持。用戶可隨時(shí)登陸服務(wù)器（設(shè)置登陸權(quán)限）查詢相關(guān)的故障信息。

圖1 列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)據(jù)無線下載裝置結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)無線下載裝置可支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳功能，即數(shù)據(jù)記錄儀在上傳車載數(shù)據(jù)時(shí)，將上傳任務(wù)劃分為幾個(gè)部分，每個(gè)部分分別采用獨(dú)立線程進(jìn)行上傳。如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，可從斷點(diǎn)開始繼續(xù)上傳未完成部分，從而提高傳輸效率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)容量。

2 網(wǎng)絡(luò)性能

2．1 無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)無線下載裝置的無線局域網(wǎng)符合IEEE 802．11a／b／g標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶實(shí)際使用需求，采用2．4GHz或5GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)54Mbit／s。

IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)定義的無線局域網(wǎng)是一種能支持較高數(shù)據(jù)傳輸速率（1～54Mbit／s）、采用微蜂窩和微微蜂窩結(jié)構(gòu)、自主管理的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)鍵技術(shù)主要有3種：直序列擴(kuò)頻調(diào)制（DSSS）技術(shù)、補(bǔ)碼鍵控（CCK）技術(shù)、包二進(jìn)制卷積（PBCC）和正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。

2．2 網(wǎng)絡(luò)容量

數(shù)據(jù)無線下載裝置傳輸車載數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)通信容量，取決于庫內(nèi)無線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)停放列車的最大數(shù)目。無線局域網(wǎng)以最大54Mbit／s的速率工作，每分鐘最大網(wǎng)絡(luò)容量為405MByte。假設(shè)最大通信容量為40列車，一列車所需傳送車載數(shù)據(jù)（壓縮文件）大小為10MByte，那么最快可在一分鐘內(nèi)完成40列車的車載數(shù)據(jù)下載。所以無線局域網(wǎng)完全能夠滿足數(shù)據(jù)無線下載的需求。

2．3 容錯(cuò)與可用性

列車兩端均設(shè)有數(shù)據(jù)記錄儀和無線AP，在任何一個(gè)數(shù)據(jù)記錄儀或無線AP通信故障時(shí)，另一端的數(shù)據(jù)記錄儀和無線AP可接替工作，保證無線通信的冗余。另外，地面服務(wù)器可根據(jù)系統(tǒng)閑忙情況回應(yīng)數(shù)據(jù)記錄儀上傳文件請(qǐng)求，并判斷數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是否有效，避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)傳輸阻塞和文件接收錯(cuò)誤。

2．4 安全性

數(shù)據(jù)無線下載裝置能夠提供目前無線網(wǎng)絡(luò)最高級(jí)別的安全性，可提供128位加密功能，并支持IEEE 802．11標(biāo)準(zhǔn)的加密和身份驗(yàn)證選項(xiàng)。按照該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，數(shù)據(jù)無線下載裝置使用了具有40或128位密鑰的RC4加密算法。當(dāng)實(shí)現(xiàn)有線等效加密（WEP）支持時(shí)，每個(gè)接入點(diǎn)最多可以有4個(gè)密鑰。如果一個(gè)接入點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包沒有經(jīng)過適當(dāng)密鑰的加密，該數(shù)據(jù)包將被丟棄，確保不會(huì)被發(fā)送到主機(jī)上。

2．5 靈活性與移動(dòng)性

在有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安放位置受限制，而在無線網(wǎng)絡(luò)中，可在信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)任何位置對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。無線網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)靈活，易于拓展。

2．6 抗干擾性

抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一。因?yàn)樾盘?hào)接收需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，而不同的擴(kuò)頻編碼具有不同的相關(guān)特性，所以即使以相同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，在信號(hào)擴(kuò)頻編碼未知的情況下，干擾也不起作用。利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可采用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來的同一碼序列的波形疊加，使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾效果。

2．7 隱蔽性

因?yàn)樾盘?hào)頻帶的寬度被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率變小，即信號(hào)功率譜密度降低，從而提高了其隱蔽性。另外，加上擴(kuò)頻編碼的不同，有用信號(hào)很難被誤收。而極低的功率譜密度，也使信號(hào)很少對(duì)于其它通信設(shè)備構(gòu)成干擾。

3 半實(shí)物仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證所研發(fā)的數(shù)據(jù)無線下載裝置實(shí)用性和可靠性，需進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)要求數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)：①運(yùn)行數(shù)據(jù)按文件分段保存；②接到請(qǐng)求后執(zhí)行文件壓縮和上傳動(dòng)作；③壓縮算法的實(shí)施；④已壓縮文件以時(shí)間戳命名。試驗(yàn)要求地面服務(wù)器實(shí)現(xiàn)：①數(shù)據(jù)庫的建立；②接收并解壓數(shù)據(jù)；③解析數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫；④提供友好的數(shù)據(jù)庫訪問界面。

試驗(yàn)時(shí)，采用符合IEC 61131－3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具OpenPCS進(jìn)行仿真，模擬陪試設(shè)備可能發(fā)生的故障。仿真參數(shù)為：變量AX1CT＿ResetFreq＿B1（故障名稱：復(fù)位太頻繁；故障代碼：6101）以1s為周期，數(shù)值由0、1交替變換。1代表故障發(fā)生，0代表故障解除。圖3為OpenPCS仿真程序界面。

圖3 陪試設(shè)備開發(fā)軟件OpenPCS仿真程序界面

陪試設(shè)備將此故障信息通過MVB總線發(fā)送給TCMS，并由數(shù)據(jù)記錄儀采集并記錄。通過客戶端軟件DatanalyzerC對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀接收到的變量進(jìn)行在線監(jiān)視。圖4為數(shù)據(jù)記錄儀接收變量時(shí)的在線監(jiān)視波形。

用戶可直接登陸地面服務(wù)器，或登錄與服務(wù)器處于同一局域網(wǎng)內(nèi)的任一PC機(jī)，訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的查詢、統(tǒng)計(jì)與分析。圖5為地面服務(wù)器端無線下載的故障數(shù)據(jù)界面。

圖4 數(shù)據(jù)記錄儀接收變量時(shí)的在線監(jiān)視波形

圖5 地面服務(wù)器端無線下載的故障數(shù)據(jù)界面

4 結(jié)語

針對(duì)城市軌道車輛對(duì)車載數(shù)據(jù)無線下載的需求，開發(fā)了數(shù)據(jù)無線下載裝置并通過半實(shí)物仿真，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)無線下載技術(shù)應(yīng)用在城市軌道車輛上的實(shí)用性和可靠性。仿真結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)無線下載裝置對(duì)車載數(shù)據(jù)無線傳輸是有效的，可為車輛維修人員采集數(shù)據(jù)與分析故障提供高效的技術(shù)支持，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 王群，李馥娟．無線局域網(wǎng)［M］．葉清揚(yáng)，譯．北京：人民郵電出版社，2001．

［2］ 劉忠．無線局域網(wǎng)的智能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2007．

［3］ 盛文祥．無線局域網(wǎng)技術(shù)［M］．北京：人民大學(xué)出版社，2008．

［4］ 王紅松．無線局域網(wǎng)的應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2009．

［5］ 電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）．Wireless Local Area Networks：IEEE 802．11—1997［S］．

［6］ 國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）．Programmable controllers（Part 3：Programming languages）：IEC 61131－3—2003［S］．

［7］ 袁志宏．工業(yè)以太網(wǎng)在城軌交通傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用前景［J］．都市快軌交通，2005，18（2）：8．

［8］ 彭杰，應(yīng)啟戛．工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性能評(píng)價(jià)的分析［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（1）：33．．

［9］ 舒安杰，李開成．CBTC系統(tǒng)信息安全傳輸?shù)难芯浚跩］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（77）：44．

［10］ 鮑愛華，李開成．基于IEEE 802．11的CBTC數(shù)據(jù)安全傳輸研究［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（9）：37．

［11］ 路向陽．列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用綜述［J］．機(jī)車電傳動(dòng)，2002（1）：5．

［12］ 路向陽．我國(guó)列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用［J］．機(jī)車電傳動(dòng)，2001（6）：1．

Research and Development of Wireless Transmission System for Urban Rail Transit Vehicle

LI Bin

Aiming at the problems of low efficiency in acquiring train data and the unguaranteed data integrity，a wireless transmission download system for urban rail vehicle is developed．In this paper，the performance of the wireless transmission technology is analyzed in depth，and the wireless transmission system is developed successfully by halfhardware simulation and research．The test results show that the wireless transmission system is reliable and applicable．

urban rail transit vehicle；train control and monitoring system；wireless transmission download system；simulation analysis

U285．21＋1

10．16037／j．1007－869x．2017．02．024

2016－09－21）