軌道交通車輛車門遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 健 陳 瑞 王少東

（南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院，211167，南京∥第一作者，副教授）

隨著交通系統(tǒng)信息化建設(shè)的不斷完善和發(fā)展，交通管理正在逐步向智能化的方向發(fā)展。而遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)作為智能化交通管理最重要的信息平臺，在交通信息化系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用［1］。車門是整個列車系統(tǒng)中安全性要求很高的部分，而列車客室車門故障率又較高，使得客室車門的可靠性成為制約列車安全、正點運營的瓶頸之一。地鐵車輛車門故障經(jīng)常引起列車下線、抽線、清客等運營障礙，甚至因車門關(guān)閉問題引起旅客傷亡事故。因此，隨著列車設(shè)備老化以及故障頻發(fā)度的變化，必然引起軌道交通中央級監(jiān)控部門對車門的重視，并進(jìn)一步嘗試遠(yuǎn)程車門監(jiān)控技術(shù)方案。

車門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的基本用途，是對軌道交通中車門系統(tǒng)的狀態(tài)及故障信息進(jìn)行收集、存儲、傳輸和利用，并以此為基礎(chǔ)，對車門系統(tǒng)的工作和故障狀態(tài)實施遠(yuǎn)程實時監(jiān)測［2－3］。相關(guān)技術(shù)人員可以根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)上傳的信息分析故障原因，指揮現(xiàn)場工作人員解決問題，保證列車的可靠運行［4］。

1 車門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

車門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由3部分構(gòu)成。①前端裝置：位于軌道交通列車上每節(jié)車廂中的車載前端裝置，完成對門系統(tǒng)的狀態(tài)及故障信息進(jìn)行實時收集、解析、存儲和上傳等功能；②傳輸信道：選用無線信道，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸［5］；③ 監(jiān)測中心：位于遠(yuǎn)端的監(jiān)測中心，完成接收數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)，以及后臺的顯示和統(tǒng)計等功能。前端裝置和后臺的監(jiān)測中心一起，實現(xiàn)車門系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實時狀態(tài)監(jiān)測、故障數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計。

值得一提的是，前端裝置完成數(shù)據(jù)的收集功能時，對車輛網(wǎng)絡(luò)而言應(yīng)當(dāng)是隱形的。即，車輛網(wǎng)絡(luò)感覺不到前端裝置的存在。無線傳輸信道的選擇應(yīng)滿足其帶寬與數(shù)據(jù)量相匹配，且在數(shù)據(jù)傳輸過程中采取必要的保護(hù)措施，保證接收數(shù)據(jù)的無差錯和不丟失。監(jiān)測中心的后臺軟件需要區(qū)分用戶，為不同類型的用戶分配不同的權(quán)限，從而保證系統(tǒng)的安全性；且后臺數(shù)據(jù)庫具有1＋1備份，保障數(shù)據(jù)的安全。

圖1 車門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)圖

1.1 前端裝置

車門遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的前端裝置是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)完成如下功能：① 監(jiān)聽門控制器與車輛總線之間的交互信號；② 對上述信號進(jìn)行分類處理；③ 打包準(zhǔn)備傳輸。

1.1.1 前端裝置的硬件設(shè)計

以南京地鐵2號線為例：車廂內(nèi)部通信總線為RS 485總線，且在車廂兩側(cè)各有一條RS 485總線用于連接各門控制器。為避免對車輛系統(tǒng)中原有系統(tǒng)及其功能產(chǎn)生影響，每個前端裝置只需完成一路RS 485總線的監(jiān)聽。

前端裝置的硬件結(jié)構(gòu)按照功能可以劃分為信號轉(zhuǎn)換接口、核心處理單元、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和裝置電源等4個模塊，如圖2所示。

圖2 前端裝置的硬件結(jié)構(gòu)

信號轉(zhuǎn)換接口主要完成RS 485到RS 232（核心處理單元的串行數(shù)據(jù)接口）的信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)基于通信協(xié)議的故障、狀態(tài)和參數(shù)采集。核心處理單元主要完成通信協(xié)議的讀取和分析、上傳數(shù)據(jù)的打包、本地數(shù)據(jù)的存取、裝置狀態(tài)的正確管理和切換等功能。無線傳輸模塊完成打包數(shù)據(jù)的無線傳輸至Internet，實現(xiàn)Internet與遠(yuǎn)程監(jiān)測中心之間的雙向通信。電源模塊完成車輛電源（DC110 V）到相應(yīng)硬件模塊電源之間的轉(zhuǎn)換，同時提供基于鋰電池的不間斷電源，實現(xiàn)裝置正常斷電操作的信息無損（沒有信息被丟掉，包括斷電事件）。

1.1.2 前端裝置的軟件設(shè)計

前端裝置的軟件系統(tǒng)主要完成以下功能：①RS 485總線數(shù)據(jù)的組幀和解析；② 協(xié)議數(shù)據(jù)的處理策略確定和再封裝；③ 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的低延遲高可靠性上傳；④ 根據(jù)列車電源的供給情況，進(jìn)行合理的前端裝置工作狀態(tài)切換。

項目組在Linux系統(tǒng)下，采用C語言實現(xiàn)了上述功能。具體實現(xiàn)上，前端裝置的軟件系統(tǒng)主要由信息采集與處理模塊以及上行通信模塊2部分組成。信息采集與處理模塊完成針對門系統(tǒng)采集到的信息的采集與處理。首先對RS 485總線傳輸協(xié)議進(jìn)行解析，獲取有用的門控信息，然后再將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。數(shù)據(jù)的分類處理是指協(xié)議數(shù)據(jù)的處理策略確定和再封裝。處理過程、處理策略包含實時上傳、周期上傳和本地存儲3類。上行通信模塊完成數(shù)據(jù)的低延遲高可靠性無線上傳，其中包括實時上傳、周期上傳和應(yīng)需上傳的實現(xiàn)。具體的軟件實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 前端裝置軟件的流程圖

1.2 信道的選擇

為滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，數(shù)據(jù)從前端裝置上傳至監(jiān)測中心的傳輸信道需達(dá)到以下要求。① 帶寬：需提供100 kbit／車廂；②時延：從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生開始，到最終監(jiān)控終端讀取數(shù)據(jù)的端到端延時小于1 s；③丟包率RPL：為了保證系統(tǒng)最終的RPL＝0，對無線信道RPL要求＜2%。

系統(tǒng)設(shè)計時采用CDMA3G通信模塊與監(jiān)測中心網(wǎng)關(guān)的雙向通信。CDMA通信模塊以固定時間間隔向監(jiān)測中心網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的低延遲、無差錯上傳。為保證數(shù)據(jù)不丟失，采用了確認(rèn)－重傳的方法。即：監(jiān)測中心網(wǎng)關(guān)每收到一個數(shù)據(jù)包，需給門監(jiān)測器一個確認(rèn)信號；如間隔一定時間沒有收到，門監(jiān)測器將重傳該數(shù)據(jù)包。

1.3 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心包含監(jiān)測網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控終端和防火墻（見圖4）。監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲所有被監(jiān)測的門系統(tǒng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)與各前端裝置的雙向通信。監(jiān)控終端用于實現(xiàn)相關(guān)信息的顯示。

圖4 監(jiān)測中心系統(tǒng)組成

2 試驗測試結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的實用性，本系統(tǒng)在南京康尼機電股份公司的內(nèi)部試驗臺架和南京地鐵2號線的一輛列車上進(jìn)行了裝車測試。測試主要包括總線兼容型測試、數(shù)據(jù)抓取與接收的正確性測試，以及本系統(tǒng)對列車門的影響測試。

2.1 總線兼容性測試

本測試目的在于測試本系統(tǒng)在列車總線環(huán)境下運行時是否對其它電氣、電子設(shè)備造成影響（見表1）。

表1 總線兼容性測試結(jié)果

通過以上測試和結(jié)果說明本系統(tǒng)在DC110 V電源輸入和RS 485總線的環(huán)境下能正常工作，能正確抓取總線中的數(shù)據(jù)。同時，本系統(tǒng)在正常狀態(tài)和自身發(fā)生故障的狀態(tài)下，均對總線上的其它設(shè)備（如門控器）的功能無影響，說明本系統(tǒng)和車門之間沒有相互干擾。本系統(tǒng)對列車總線也不會產(chǎn)生影響。

2.2 數(shù)據(jù)抓取與接收測試

數(shù)據(jù)抓取和接收測試主要是測試本系統(tǒng)抓取數(shù)據(jù)的正確性，以及上傳至遠(yuǎn)端監(jiān)測中心的服務(wù)器上數(shù)據(jù)的正確性。測試項目和結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，本系統(tǒng)能正確抓取總線上所有正常數(shù)據(jù)，并且能把數(shù)據(jù)正確、完整地上傳至監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。

表2 門監(jiān)測器系統(tǒng)數(shù)據(jù)抓取與接收結(jié)果測試 bit／s

項目組將數(shù)據(jù)庫中解析出的CDMA Time和數(shù)據(jù)到達(dá)本機的時間Create Time進(jìn)行比較，如圖5所示。圖5中，CDMA Time表示總線上監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包的時間，Create Time表示監(jiān)測中心接收到數(shù)據(jù)包的時間，LastUpdate Time表示存入監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫的時間。可以看出，從總線上監(jiān)聽數(shù)據(jù)包到監(jiān)測中心接收到數(shù)據(jù)包、存入數(shù)據(jù)庫的時延均小于1 s。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸時延測試結(jié)果

2.3 本系統(tǒng)對列車門的影響測試

本系統(tǒng)在列車未起動、正在起動和運行3個狀態(tài)下，對車門的影響進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 門監(jiān)測器對列車門影響測試結(jié)果

從表3可以看出，本系統(tǒng)在列車各種狀態(tài)下對總線數(shù)據(jù)沒有任何影響，對車門的各項功能均無影響。

3 結(jié)語

軌道交通車門監(jiān)測系統(tǒng)，通過對車輛系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)的監(jiān)聽、分析、傳輸，實現(xiàn)了對車門運行狀態(tài)及故障信息進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，使技術(shù)人員可以根據(jù)系統(tǒng)上傳的信息，分析故障原因，指揮現(xiàn)場工作人員解決問題，保證列車車門的可靠運行。此外，通過上傳的數(shù)據(jù)，挖掘車門的隱患或亞健康信息，采用狀態(tài)維護(hù)方式將故障消滅在萌芽中。

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