面向高速動(dòng)車組靜態(tài)調(diào)試的車載數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)的研究

趙建博，孫曉東，李彤

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111，2.北京潤科通用技術(shù)有限公司，上海 200235）

目前高速鐵路得到了迅速發(fā)展，在一代又一代鐵路人的努力下，我國成為運(yùn)營里程最長以及商業(yè)運(yùn)營速度最快的國家。取得這樣矚目的成績，與不斷升級的動(dòng)車組研發(fā)平臺、數(shù)字化調(diào)試平臺以及高效的維護(hù)與管理平臺有著密不可分的關(guān)系。作為高速動(dòng)車組生產(chǎn)制造以及出廠調(diào)試的重要組成部分，數(shù)字化調(diào)試平臺通過分階段，分批次的建設(shè)，目前已取的顯著的成果，工程師在數(shù)字化調(diào)試平臺的輔助下可以對車型、任務(wù)、資源等信息進(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)及管理，并輔助工程師進(jìn)行調(diào)試任務(wù)的下載、分配、記錄和信息上傳等工作。

然而，由于絕大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要依靠專門研發(fā)的工藝裝備去采集獲取；試驗(yàn)效率在取得階段性提升后，又受制于相關(guān)工藝裝備的工作性能及穩(wěn)定性，因此，研究一套可以進(jìn)一步提高調(diào)試效率的系統(tǒng)迫在眉睫。隨著高速動(dòng)車組的生產(chǎn)制造逐漸步入正軌，車載網(wǎng)絡(luò)已基本實(shí)現(xiàn)全車主要設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)視，本文通過研究車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，設(shè)計(jì)了車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)試任務(wù)遠(yuǎn)程制定、分配、監(jiān)控、支持和分析。

1 系統(tǒng)概述

數(shù)字化無線調(diào)試系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分，分別是具備無線傳輸功能的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)字化調(diào)試平臺地面服務(wù)器、數(shù)字化調(diào)試平臺以及車載數(shù)據(jù)展示平臺。車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集裝置通過車載無線傳輸網(wǎng)關(guān)（WTD）或者多功能車輛總線（MVB）采集到高速動(dòng)車組整車數(shù)據(jù)后，將動(dòng)車運(yùn)行狀態(tài)信息、安全信息等車載數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)傳輸至地面的服務(wù)器進(jìn)行存儲，服務(wù)器軟件接收到應(yīng)用數(shù)據(jù)后，一方面實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)字化調(diào)試平臺和數(shù)據(jù)展示平臺，另一方面做數(shù)據(jù)的冗余備份，為后續(xù)建設(shè)列車大數(shù)據(jù)平臺提供真實(shí)的數(shù)據(jù)和資源，見圖1。

2 子系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集裝置接入高速動(dòng)車組車載網(wǎng)絡(luò)，通過WLAN無線通訊模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)無線通信模塊自動(dòng)連接到調(diào)試廠房內(nèi)數(shù)字化調(diào)試平臺的無線AP端，連接建立后，將車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)字化調(diào)試平臺地面服務(wù)器。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備便攜化、可移動(dòng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)備硬件接口進(jìn)行了防水防塵處理；采用了可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可以快速連接和分離的航空插頭；電源部分提供了交流220V和110V接口，同時(shí)還提供了可以維持設(shè)備2小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的移動(dòng)電源，極大的擴(kuò)展了設(shè)備的應(yīng)用場景。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能劃分，設(shè)備主要由電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線模塊和機(jī)箱外部接口等四個(gè)部分組成。

（1）數(shù)據(jù)處理模塊主要提供ADC采樣電路，時(shí)鐘電路，RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，雙層DB9接口等外圍部件，使用Zynq系列芯片作為核心處理器，實(shí)時(shí)處理從列車總線采集到的報(bào)文信息。為了增加可靠性，在發(fā)熱量較大的芯片上方添加風(fēng)扇輔助散熱，并通過導(dǎo)熱裝置增加熱量耗散，防止電路過熱出現(xiàn)性能下降等問題。

（2）電源模塊主要實(shí)現(xiàn)了電壓的轉(zhuǎn)換，將外接電源AC220V或者DC110V轉(zhuǎn)換為電路板所需的12V電壓，電池電壓為12V可以直接進(jìn)行供電，該模塊還包含充電電路，可以在接入外接電源時(shí)為電池充電。

（3）機(jī)箱外部接口均由航空插頭作為連接器，主要包括RJ45標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口、交流220V接口、直流110V接口以及滿足IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的MVB接口。各接口外殼均與設(shè)備短接在一起，確保設(shè)備用電安全。

（4）WLAN無線通信模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)。無線模塊支持5G頻段和2.4G頻段的切換，但考慮到信號需要穿透車廂廂體發(fā)送至廠內(nèi)AP端，使用穿透性較好的2.4G頻段更加實(shí)用和合理，2.4G頻段最大支持11Mbps的速率，可以滿足時(shí)延100ms的應(yīng)用需求。為了更好的適應(yīng)廠內(nèi)的特殊應(yīng)用環(huán)境，設(shè)備配置了增益為18dBi，極化方向?yàn)樗饺虻拇瑯馄叫吞炀€。

2.2 服務(wù)軟件

服務(wù)軟件部署在數(shù)字化調(diào)試平臺地面服務(wù)器中，是車載數(shù)據(jù)和數(shù)字化調(diào)試平臺的交互中心。主要提供網(wǎng)絡(luò)通信、車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分類存儲、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，便于數(shù)字化調(diào)試平臺隨時(shí)訪問獲取車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。根據(jù)功能的劃分，數(shù)據(jù)服務(wù)軟件由通訊協(xié)議管理模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊四個(gè)部分組成。

其中，通信協(xié)議管理模塊用于管理系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通訊協(xié)議模型，模型中定義了不同協(xié)議的信號名稱、長度、計(jì)算方法等信息，用戶使用協(xié)議配置工具生成配置文件，軟件啟動(dòng)時(shí)本模塊自動(dòng)讀取配置文件，生成用于通訊的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為軟件提供通信數(shù)據(jù)解析依據(jù)。通信模塊的主要任務(wù)是提供通信服務(wù)，通信模塊與采集設(shè)備和數(shù)字調(diào)試平臺建立TCP/IP連接。連接建立后，一方面實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)由采集設(shè)備發(fā)送的車載數(shù)據(jù)，另一方面響應(yīng)數(shù)字調(diào)試平臺的查詢請求，返回查詢結(jié)果。數(shù)據(jù)解析模塊對接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議文件的定義進(jìn)行拆分、計(jì)算和轉(zhuǎn)化，形成方便查詢和分類存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)管理模塊用于管理接收的數(shù)據(jù)源碼和解析后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)存儲周期為48小時(shí)，超過48小時(shí)的數(shù)據(jù)按照先入先出的原則進(jìn)行抽樣存儲，成為歷史數(shù)據(jù)。服務(wù)軟件的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)展示

高速動(dòng)車組按照功能子系統(tǒng)劃分，主要包括了列車基本信息、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等。為了充分利用采集存儲的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之外設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)展示平臺，通過數(shù)據(jù)列表、餅狀圖、波形圖、柱狀圖等豐富的形式展示列車當(dāng)前時(shí)間、車次、列車速度、牽引制動(dòng)級位、高壓回路部件狀態(tài)、溫度、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)、實(shí)時(shí)軸溫、故障信息等內(nèi)容。

為了實(shí)現(xiàn)豐富的展示界面，同時(shí)具有較好的可擴(kuò)展性和便攜性，數(shù)據(jù)展示軟件采用B/S架構(gòu)，以網(wǎng)頁的形式展示列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。軟件主要包括以下功能。

（1）與服務(wù)端建立連接，接收解析后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象。

（2）使用HTML5構(gòu)建列車外觀界面，以展示各部件在列車的位置，并響應(yīng)點(diǎn)擊事件，切換對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

（3）根據(jù)部件選擇的結(jié)果，展示對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行更新，展示的形式包括表格、曲線、控件等。

圖2 服務(wù)軟件業(yè)務(wù)流程

數(shù)據(jù)展示軟件主要由以下四個(gè)模塊組成，分別是通信協(xié)議管理模塊、列車模型展示模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、通信模塊。通信協(xié)議管理模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議模板文件的導(dǎo)入，并根據(jù)該模板形成模型樹，用于數(shù)據(jù)的組織、分發(fā)和展示。列車模型展示模塊用于管理圖形化的列車組件，展示軟件的主體由圖形化的列車部件組成，列車部件圖形可以隨著數(shù)據(jù)的變化而產(chǎn)生顏色和狀態(tài)的變化，使得數(shù)據(jù)的展示更加形象和直觀。此外，列車部件圖形也可以響應(yīng)用戶的操作，切換數(shù)據(jù)展示區(qū)域的內(nèi)容。數(shù)據(jù)展示模塊主要管理數(shù)據(jù)展示區(qū)的表格和圖形控件，顯示被選中部件的詳細(xì)數(shù)據(jù)。通訊模塊主要負(fù)責(zé)和服務(wù)器進(jìn)行通訊，以HTTP的方式直接傳遞經(jīng)過解析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，既可以更快的處理數(shù)據(jù)的傳輸，也可以保證數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的可伸縮性。

3 結(jié)語

高速動(dòng)車組遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)字化調(diào)試平臺的一部分，豐富和擴(kuò)展了數(shù)字化調(diào)試平臺的應(yīng)用場景，擴(kuò)大了車載設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集范圍的可行性，減少了關(guān)聯(lián)工藝裝備的使用需求，提高了高速動(dòng)車組生產(chǎn)制造的工作效率，提升了生產(chǎn)調(diào)試的信息化水平。通過車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)操作的對比分析，避免了外接試驗(yàn)工裝性能不穩(wěn)定導(dǎo)致的測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；避免調(diào)試工藝裝備中途故障停機(jī)，造成調(diào)試試驗(yàn)中斷、不能持續(xù)進(jìn)行的問題。使用該系統(tǒng)，工程師可以在多場景下了解車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，多人協(xié)作完成車輛調(diào)試任務(wù)的制定、分配、監(jiān)控、支持和分析,為高速動(dòng)車組的安全生產(chǎn)調(diào)試提供了新的技術(shù)支撐。