城市軌道交通車輛數據無線下載裝置研發

（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發部，130062，長春∥工程師）

城市軌道交通車輛數據無線下載裝置研發

李 彬

（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發部，130062，長春∥工程師）

針對城市軌道交通車輛車載數據采集效率低及完整性無法保證的問題，提出并開發了一種應用于城市軌道交通車輛的數據無線下載裝置。對該無線下載裝置進行了體系結構搭建和網絡性能分析，并進行了半實物仿真試驗。試驗結果表明，該數據無線下載裝置具有較高的實用性與可靠性。

城市軌道交通車輛；列車網絡控制系統；數據無線下載系統；仿真分析

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

城市軌道交通列車運行過程中若發生故障，車載故障診斷系統會生成故障診斷信息并記錄和存儲。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，使用便攜式測試單元手動下載數據。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，提高數據下載的效率與完整性，并采用相應信息化檢修作業，成為目前車載數據采集急需解決的問題。

本文提出了應用于城市軌道車輛的數據無線下載裝置，對其網絡性能進行了詳細分析，并對所開發的數據無線下載裝置進行了半實物仿真試驗。該裝置可在列車入庫后無線自動下載車載數據，進行數據統計分析，檢查車輛各系統性能，定位故障，從而實現列車運行數據與故障信息的靜態采集和信息化統計與管理，逐步實現車輛維保技術的整體優化與發展，從而提高城市軌道交通運營安全與管理水平。

1 數據無線下載裝置的結構

數據無線下載裝置的車載應用環境中，所采用的列車控制與監控系統（TCMS）主要由以下設備構成：2個冗余中央控制單元（CCU）；多個遠程輸入輸出模塊（RIOM）；4個多功能車輛總線（MVB）中繼器；2個人機接口界面（HMI）；4個以太網交換機（Switch）；2個列車數據記錄儀（ERM）；1個陪試設備（模擬其它未接入TCMS的MVB設備，如牽引控制單元（TCU）、制動控制單元（BCU）和輔助供電控制單元（ACU）等的信號發生）。圖1為列車控制與監控系統拓撲結構。

數據無線下載裝置分為車載部分和地面部分，圖2為數據無線下載裝置結構示意圖。

車載部分由列車數據記錄儀和具有無線傳輸功能的無線接入點（AP）及配套天線等組成。數據記錄儀通過MVB總線采集TCMS車載數據，包括列車運行數據、故障數據、累計數據和測試數據，并進行記錄和存儲。列車入庫時數據記錄儀將需要上傳的數據進行打包壓縮，壓縮好的文件以時間戳命名并通過基于TCP／IP協議的以太網傳送給車載無線AP。車載無線AP通過無線局域網（WLAN）將車載數據傳送到地面服務器。

地面部分由無線AP、工業交換機和地面服務器組成。其中所有地面無線AP、工業交換機均布置在庫內，組地面成WLAN。在列車回庫時，當車載無線AP檢測到地面WLAN，即建立無線通信鏈接，并由數據記錄儀發送請求信號到地面服務器，請求執行車載數據的上傳。當車載數據被地面服務器接收、文件解壓、數據解析并存入本地數據庫后，通過服務器端軟件可對故障進行檢索與分析，為車輛維修人員提供技術支持。用戶可隨時登陸服務器（設置登陸權限）查詢相關的故障信息。

圖1 列車控制與監控系統拓撲結構

圖2 數據無線下載裝置結構

數據無線下載裝置可支持斷點續傳功能，即數據記錄儀在上傳車載數據時，將上傳任務劃分為幾個部分，每個部分分別采用獨立線程進行上傳。如果網絡發生故障，可從斷點開始繼續上傳未完成部分，從而提高傳輸效率，節省網絡容量。

2 網絡性能

2．1 無線局域網標準

數據無線下載裝置的無線局域網符合IEEE 802．11a／b／g標準，可根據用戶實際使用需求，采用2．4GHz或5GHz頻段，數據傳輸速率最大可達54Mbit／s。

IEEE 802．11標準定義的無線局域網是一種能支持較高數據傳輸速率（1～54Mbit／s）、采用微蜂窩和微微蜂窩結構、自主管理的計算機局域網絡。其關鍵技術主要有3種：直序列擴頻調制（DSSS）技術、補碼鍵控（CCK）技術、包二進制卷積（PBCC）和正交頻分復用（OFDM）技術。

2．2 網絡容量

數據無線下載裝置傳輸車載數據所需的數據通信容量，取決于庫內無線局域網覆蓋范圍內停放列車的最大數目。無線局域網以最大54Mbit／s的速率工作，每分鐘最大網絡容量為405MByte。假設最大通信容量為40列車，一列車所需傳送車載數據（壓縮文件）大小為10MByte，那么最快可在一分鐘內完成40列車的車載數據下載。所以無線局域網完全能夠滿足數據無線下載的需求。

2．3 容錯與可用性

列車兩端均設有數據記錄儀和無線AP，在任何一個數據記錄儀或無線AP通信故障時，另一端的數據記錄儀和無線AP可接替工作，保證無線通信的冗余。另外，地面服務器可根據系統閑忙情況回應數據記錄儀上傳文件請求，并判斷數據記錄儀發送過來的數據是否有效，避免發生網絡傳輸阻塞和文件接收錯誤。

2．4 安全性

數據無線下載裝置能夠提供目前無線網絡最高級別的安全性，可提供128位加密功能，并支持IEEE 802．11標準的加密和身份驗證選項。按照該標準規定，數據無線下載裝置使用了具有40或128位密鑰的RC4加密算法。當實現有線等效加密（WEP）支持時，每個接入點最多可以有4個密鑰。如果一個接入點接收的數據包沒有經過適當密鑰的加密，該數據包將被丟棄，確保不會被發送到主機上。

2．5 靈活性與移動性

在有線網絡中，網絡設備的安放位置受限制，而在無線網絡中，可在信號覆蓋區域內任何位置對網絡數據進行訪問。無線網絡移動性強，結構靈活，易于拓展。

2．6 抗干擾性

抗干擾是擴頻通信主要特性之一。因為信號接收需要擴頻編碼進行相關解擴處理才能得到，而不同的擴頻編碼具有不同的相關特性，所以即使以相同類型信號進行干擾，在信號擴頻編碼未知的情況下，干擾也不起作用。利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可采用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形疊加，使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾效果。

2．7 隱蔽性

因為信號頻帶的寬度被擴展，單位帶寬上的功率變小，即信號功率譜密度降低，從而提高了其隱蔽性。另外，加上擴頻編碼的不同，有用信號很難被誤收。而極低的功率譜密度，也使信號很少對于其它通信設備構成干擾。

3 半實物仿真試驗

為驗證所研發的數據無線下載裝置實用性和可靠性，需進行半實物仿真試驗。試驗要求數據記錄儀實現：①運行數據按文件分段保存；②接到請求后執行文件壓縮和上傳動作；③壓縮算法的實施；④已壓縮文件以時間戳命名。試驗要求地面服務器實現：①數據庫的建立；②接收并解壓數據；③解析數據并存入數據庫；④提供友好的數據庫訪問界面。

試驗時，采用符合IEC 61131－3標準的編程工具OpenPCS進行仿真，模擬陪試設備可能發生的故障。仿真參數為：變量AX1CT＿ResetFreq＿B1（故障名稱：復位太頻繁；故障代碼：6101）以1s為周期，數值由0、1交替變換。1代表故障發生，0代表故障解除。圖3為OpenPCS仿真程序界面。

圖3 陪試設備開發軟件OpenPCS仿真程序界面

陪試設備將此故障信息通過MVB總線發送給TCMS，并由數據記錄儀采集并記錄。通過客戶端軟件DatanalyzerC對數據記錄儀接收到的變量進行在線監視。圖4為數據記錄儀接收變量時的在線監視波形。

用戶可直接登陸地面服務器，或登錄與服務器處于同一局域網內的任一PC機，訪問服務器數據庫，實現對故障的查詢、統計與分析。圖5為地面服務器端無線下載的故障數據界面。

圖4 數據記錄儀接收變量時的在線監視波形

圖5 地面服務器端無線下載的故障數據界面

4 結語

針對城市軌道車輛對車載數據無線下載的需求，開發了數據無線下載裝置并通過半實物仿真，驗證了數據無線下載技術應用在城市軌道車輛上的實用性和可靠性。仿真結果表明，該數據無線下載裝置對車載數據無線傳輸是有效的，可為車輛維修人員采集數據與分析故障提供高效的技術支持，應用前景廣闊。

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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）