高速動車組遠程數據傳輸系統的研究與實現

黃志平,趙紅衛,朱廣超,張順廣,李 宇

(1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081;2 上海鐵路局 合肥車輛段徐州地區驗收室,江蘇徐州221000)

為滿足對運行動車組動態跟蹤監控、提供遠程技術支持和故障應急指導,并即時組織維修的實際運用需求,需要對動車組的安全狀態與故障情況進行實時動態跟蹤監控,分析動車組管理檢修運用需求,需要將高速動車組運行途中的重要信息進行記錄,并實時發送到地面。

將傳輸的信息分為動態位置跟蹤信息、基本狀態信息和故障信息等。動態位置跟蹤信息主要包括運行動車組的準確位置,如經緯度或線路公里標;基本狀態信息主要有速度、牽引、制動、車門、軸溫等安全相關信息,以及空調、衛生間等旅客服務設施狀態信息等;故障信息主要是在車載網絡上傳輸的、可獲取的故障事件以及其相關環境參數,用于故障發生后支持車載故障的診斷、分析、排除及動車組檢修。

1 系統總體設計方案

系統總體設計方案根據CRH3型動車組列車網絡控制系統工作原理,主要狀態與報警信息在列車WTB/MVB網絡上進行傳輸,報警信息全部匯聚到列車司機顯示屏,供司控人員使用,因此,研制車載無線傳輸裝置,通過MVB網絡獲取的有關牽引、制動、供電、空調、車門等子系統狀態的實時運行數據,通過從司機顯示屏獲取的以故障代碼為索引的實時故障數據,通過GPS功能模塊獲取列車位置信息,通過GPRS發送實時數據;研制地面數據接收處理軟件,用于數據的接收和提供用戶數據的查詢使用界面。系統總體設計方案如圖1。

2 系統關鍵技術的研究與實現

2.1 機箱結構與電源設計

圖1 CRH3型動車組遠程數據傳輸系統總體設計方案

機箱一般是用金屬或塑料制成的,它支撐了設備的各個部件或板卡,避免了板卡直接裸露在外,起到了對板卡的防塵與機械保護作用;設備長時間運行必然會發熱,若冷卻條件不好,可能會引起板卡過熱而不正常工作甚至燒毀,而機箱就是設備冷卻的重要部分,一個干凈、內部寬敞、設計成功的機箱,有助于空氣在板卡與外界之間的空氣流動,能大幅度加快內部板卡散熱,確保設備工作正常;另外,動車組上高頻工作中的設備很多,相互之間的電磁干擾現象嚴重,好的機箱,是設備提高電磁兼容性能的第一道重要關卡和必要條件。

考慮到板卡研制的標準化、更換板卡的方便性以及機箱的可靠性,設計選用3U結構的鋁合金機箱,其基本尺寸、導軌、板卡印刷電路板、連接器與背板按下面的3U機箱標準進行設計,重點考慮機箱的機械強度、散熱性能與電磁兼容性能。

電源是設備工作的動力來源,同時還要適應苛刻的車載供電條件,如電壓波動大、突然斷電、負載變化大、發熱大等,電源設計不合理,可能由于供電電源不穩定引起板卡不能工作或損壞板卡,還可能造成各種各樣比較隱蔽、難以復現排查的故障,使用戶形成系統工作不穩定的印象,因此良好的電源設計是保證設備穩定性和安全性的重要前提。

動車組直流母線供電為DC110V,特設計兩級電源。第一級電源為DC110V/DC24V電源,將外界輸入直流電源轉換成常用直流工作電壓;第二級電源為各板卡以DC24V為輸入電壓,使用隔離電源模塊將電壓轉換成各元器件工作需要的電壓范圍,保證單個板卡的電源不正常不至于影響其他板卡的工作,有利于保護板卡和快速定位板卡故障。其中中央處理器單獨使用 DC110V/DC5V板卡,并增設掉電通知和延時保護功能。

2.2 中央處理器與操作系統

中央處理器是電子設備的核心,使用傳統的單片機已完全不能滿足系統設計的大量數據運算處理、存儲和發送的需求,考慮到技術通用性,選擇工業級標準PC/104硬件架構,緊湊可靠,非常適合于空間有限的應用環境,而且PC/104接口設備較多,可擴展性好,即使系統完成設計后,仍可擴展或替換更多新的功能設備。選用PC/104工業級CPU,主頻為500 MHz,板載內存為512 MB,板載存儲容量為1 GB,具備2路以太網接口與4路串口,并具備GPIO接口以擴展LED燈用于系統工作狀態指示。

中央處理器采用QNX嵌入式實時操作系統,符合POSIX標準的API使它成為一個開放式互聯系統,便于與 UNIX/LINUX系統的移植。QNX有著不同于UNIX或LINUX的模塊化設計思想,并不是UNIX或LINUX的一種演化,而是完全不同的一種全新的實時操作系統。由于其獨特的體系結構,QNX廣泛應用于嵌入式系統、機器人工程、工業控制、航空航天等各個領域。

系統本身運行內核很小,部署時將使用的資源按實際硬件配置優化到最少,設計幾個主要的軟件模塊任務,必要時通過消息隊列進行進程之間的通信,系統運行穩定,可以隨時掉電而不會損壞系統本身。

2.3 MVB網絡通信

CRH3型高速動車組使用了符合 TCN標準的WTB/MVB網絡,為接收MVB網絡的數據,需要設計與現有MVB網絡可以兼容進行數據傳輸的網卡,為保證通信一致性與穩定性,規避可能的風險,特選用在CRH3型高速動車組網絡控制系統中使用的西門子MVB網卡,該網卡為PC/104結構,很方便的裝配在中央處理器上,實現MVB網絡通信。

2.4 實時無線傳輸

為了保證管理運用檢修部門及時掌握動車組實際運行狀態、避免和防止重大安全事故,在動車組運行過程中,以GPRS方式將少量必要的監測數據發送到地面。GPRS提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務,特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸,也適用于偶爾的大數據量傳輸。

當發生車載受監控設備工作異?；蚬收蠄缶瘯r,自動啟動報警實時發送機制,將此信息通過GPRS實時發送出去。信息內容包含發生故障車次、列號、車號、故障發生時間、故障級別、故障代碼、故障相關數據。當系統工作正常時,系統主機定時通過無線GPRS接口向地面發送各系統狀態信息和GPS定位信息,信息內容還包括列車的車次、車廂號、車號、時間、監測項類型、監測項狀態。

2.5 數據存儲處理與呈現

采用Oracle數據庫對實時接收和全程記錄的數據進行存儲、處理、查詢、回放、分析等。在處理各種故障的時候通過數據庫歷史數據的對照,對以前的故障情況有全面的了解,更有利于對動車組運行狀態和設備質量進行更深層次的跟蹤和動態質量控制。

數據呈現采用B/S(Browser/Server)結構即瀏覽器和服務器結構,是隨著Internet技術的興起,對C/S結構的一種變化或者改進的結構。在這種結構下,用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現,極少部分事務邏輯在前端(Browser)實現,但是主要事務邏輯在服務器端(Server)實現,這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷,減輕了系統維護與升級的成本和工作量,降低了用戶的總體成本。

3 系統實現與軟件功能

3.1 車載無線傳輸裝置

CRH3型動車組車載無線傳輸裝置采用42HP的標準3U機箱,共由5塊板卡構成,從左至右分別是:WLAN板卡、CPU板卡、GPRS/GPS板卡、24 V 電源板卡和5 V電源板卡。如圖2所示。

圖2 車載無線傳輸裝置

CPU板卡是整個裝置的核心處理單元,該板卡擴展有MVB網卡,通過MVB網卡從列車通信網絡上獲取當前列車的運行狀態信息,并集中管理調用GPRS、WLAN板卡的功能;GPRS和GPS功能集成在GPRS板卡,GPRS功能負責將列車運行過程中的實時信息發送到移動公網,GPS功能為系統提供列車的GPS定位、速度等信息;WLAN板卡在列車移動至無線局域網絡覆蓋的區域后,建立無線局域網連接,可將動車組運行過程中存儲的實時和非實時數據傳輸至地面服務器。

裝置有4個輸入端口,分別為電源輸入端口、MVB網絡數據端口、以太網數據端口、GPS天線端口。電源輸入端口為裝置提供DC110V電源;MVB網絡數據端口主要接收在MVB網絡上傳輸的一些實時數據;以太網數據端口主要接收顯示屏上發送的動車組故障信息;GPS天線端口為系統提供GPS天線信號。

裝置有 3個輸出端口,分別為GPRS天線端口、WLAN端口、USB端口。GPRS天線端口主要傳輸實時數據及實時故障信息;WLAN端口和USB端口主要用于下載實時數據、實時故障信息及非實時運用數據存儲形成的文件,WLAN實現無線下載,USB實現移動存儲介質的下載。

3.2 車地數據傳輸協議與內容

車載信息無線傳輸裝置對地傳輸的數據滿足《CRH系列動車組車載信息無線傳輸設備技術條件(暫行)》(運裝客車[2010]295號)的相關要求,各類型數據傳輸時機為實時故障數據產生時立即向地面傳輸;實時運行數據發送時間間隔 ≤1 min;故障通報數據發送時間間隔 ≤10 min;設備自診斷數據列車上電時發送。對所傳輸的實時數據提供緩存管理機制,緩存隊列中能夠保存200條數據。

根據現場對動車組動態監控與故障檢修的要求,確定主要傳輸內容見表1。

3.3 軟件實現與功能

系統地面軟件由數據接收軟件、數據處理與存儲軟件、數據庫、Web服務、Web應用程序組成。其中數據接收軟件負責與車載無線傳輸裝置通訊,通過Socket套接字方式接收車載設備發送的實時監控數據;數據處理與存儲軟件將接收到的數據解碼經過一定的邏輯處理后存入數據庫;數據庫為整個系統提供數據存儲和查詢服務;Web服務作為Web應用程序的內容,為用戶通過Web應用程序查詢數據提供服務;Web應用程序是系統主要的用戶接口,使得用戶能通過網頁對動車組的運行狀況和故障進行實時監測及分析處理。地面服務器軟件工作流程見圖3。

表1 車地數據傳輸內容

圖3 地面服務軟件工作流程圖

3.3.1 列車實時運行狀態

用戶可以通過網頁查看到當前運行動車組的司機操作狀態、運行位置、高壓、牽引、制動、輔助、安全環、門、空調、照明等系統的主要參數(圖4)。

3.3.2 實時與歷史故障瀏覽

用戶可以通過網頁查詢到未恢復/已恢復的故障、故障詳細描述、處置建議等,系統提供了按時間范圍、列車號、車輛號、故障代碼、故障級別、子系統、是否恢復、是否維修模式等條件進行組合查詢(圖5)。

3.3.3 故障分布規律統計

用戶可以通過網頁按不同的條件查詢故障情況,得到故障分布圖、故障次數統計圖等,進一步摸清故障規律,有針對性地制訂故障處理策略(圖6)。

圖4 當前司機操作狀態示意圖

圖5 網頁查詢示意圖

3.3.4 其他功能

用戶可以通過網頁,查看動車組全程運行的位置及回放,還可以以直觀的圖形方式查看各類數據的曲線圖,包括速度、網壓、網流、牽引變壓器、變流器、電機等主要部件溫度等變化曲線(圖7)。

4 系統試驗與考核運用

車載無線傳輸裝置已通過電磁兼容檢測試驗與絕緣、耐壓、高低溫、濕熱、振動和沖擊試驗。在2009年CRH3型動車組武廣線聯調聯試試驗中,系統為試驗管理部門遠程掌握試驗動態、動車組故障情況提供了有效的監控手段。

圖6 故障分布規律統計示意圖

圖7 歷史資料查詢示意圖

5 結束語

隨著我國高速動車組開行對數的不斷增加,動車組的結構復雜、新技術裝備越來越多,對于動車組管理運用部門的故障檢修帶來了巨大的挑戰。本文所研究的高速動車組遠程數據傳輸系統,采用先進的網絡控制技術、成熟的無線傳輸技術、實用的數據庫技術,適用于CRH3型動車組管理運用檢修部門,為提高檢修效率、抓好檢修質量,保證動車組的順利開行,提供了完整的解決方案。