蒙內鐵路車載無線傳輸設備軟件設計

中車大連電力牽引研發中心有限公司 孫文靜 劉艷龍 楊天奇

蒙內鐵路車載無線傳輸設備實現了將機車實時數據信息和故障等信息通過無線傳輸網絡（Wi-Fi/4G）等鏈路發送到地面服務器。同時無線傳輸設備可以向車載主控管理設備、地面服務器發送GPS信息、網絡狀態信息、日志信息等，實現了無線傳輸設備與車載主控管理設備、地面服務器的信息交互。本文介紹了蒙內鐵路車地通信系統無線傳輸設備軟件設計和主要實現功能。

蒙內鐵路車地通信系統配屬的無線傳輸設備，主要功能是接收機車主控管理設備發來的實時運行數據、故障數據和歷史數據等，并通過無線傳輸網絡（Wi-Fi/4G等）將數據發送至地面服務器。同時地面服務器可以向無線傳輸設備以及通過無線傳輸設備向車載主控管理設備發送相關請求指令，實現機車、無線傳輸設備、地面服務器之間的實時通信。無線傳輸設備與車載主控管理設備實時通信，主要包括主控管理設備和無線傳輸設備互發生命信號，無線傳輸設備向主控管理設備發送GPS信息和網絡狀態信息，主控管理設備向無線傳輸設備發送改變設備名稱、改變Wi-Fi用戶名密碼等信息。無線傳輸設備具備數據記錄與自診斷功能，記錄接收到的主控管理設備數據以及發送至地面服務器的數據，實時進行設備自診斷，并將自診斷結果記錄到日志中。當地面服務器向無線傳輸設備發送數據下載請求時，無線傳輸設備會以文件的方式向地面服務器發送。

1 系統架構

蒙內鐵路車地通信系統無線傳輸設備架構如圖1所示。無線傳輸設備與車載主控管理設備、地面服務器采用以太網UDP通信。主控管理設備將地面服務器所需數據發送到無線傳輸設備，無線傳輸設備再通過無線傳輸網絡（Wi-Fi/4G等）發送至地面服務器，同時無線傳輸設備發送網絡狀態數據和GPS數據給主控管理設備。Windows電腦也可以通過無線網絡與無線傳輸設備進行通信，實現對無線傳輸設備的遠程程序更新與參數設置等操作。

圖1 車地通信系統無線傳輸設備架構

2 無線通信線路切換

數據通過無線傳輸設備發送至地面服務器的通信線路選擇優先級為：Wi-Fi線路＞4G線路。

當Wi-Fi信號和4G信號同時存在時，優先選擇Wi-Fi線路進行通信；當檢測不到Wi-Fi信號或Wi-Fi信號強度弱、有4G信號時，優先選擇4G線路進行通信；當4G線路進行通信時檢測到Wi-Fi信號強度強時，則切換到Wi-Fi線路進行通信。

3 主要實現功能

3.1 生命信號連接

無線傳輸設備與車載主控管理設備生命信號連接的過程為：當主控管理設備上電啟動后，首先向無線傳輸設備發送生命信號。無線傳輸設備若在3 min內收到主控管理設備發來的生命信號，則認為通信正常，同時無線傳輸設備向主控管理設備發送生命信號。如果3 min內未收到主控管理設備發來的生命信號，則無線傳輸設備停止生命信號發送。直到主控管理設備重新向無線傳輸設備發送生命信號，重復上述過程，直到通信建立。

3.2 改變設備名稱

生命信號連接建立后，無線傳輸設備接收車載主控管理設備發來的數據。車載主控管理設備根據當前機車設置的車型、車號，向無線傳輸設備發送改變設備名稱指令，無線傳輸設備對接收的數據進行校驗無誤后，根據當前車型、車號對設備名稱進行更改。在無線傳輸設備的名稱完成更新后，無線傳輸設備的名稱為機車車型-機車車號，便于地面服務器進行管理。

3.3 改變Wi-Fi信息

在地面服務器與無線傳輸設備建立起4G連接后，地面服務器向無線傳輸設備發送消息，無線傳輸設備每次收到一條消息，都會向地面服務器回應一條消息，地面服務器端可以由此判斷無線用戶名和密碼更新是否成功。無線傳輸設備每次更新用戶名和密碼采用全部覆蓋的方式，所有消息都采用ASCII字符，最多支持100個Wi-Fi用戶名，Wi-Fi密碼至少8個字符最多50個字符。無線傳輸設備Wi-Fi用戶名密碼更新后，無線傳輸設備將連接到地面服務器指定無線局域網。

3.4 校時功能

生命信號連接建立后，車載主控管理設備根據當前機車設置時區、日期和時間，向無線傳輸設備發送校時指令，無線傳輸設備對接收的數據進行校驗無誤后，進行校時，便于國內服務器對國外機車時間上的同步。

3.5 狀態信息發送

生命信號連接建立后，無線傳輸設備以1sec周期向主控管理設備發送狀態信息。包括Wi-Fi可用性、4G可用性、Wi-Fi信號強度、4G信號強度等網絡狀態信息，經度、維度、海拔、速度等GPS信息。

3.6 數據轉發

當成功建立網絡連接后，方可進行數據轉發。無線傳輸設備接收主控管理設備發來的實時數據、故障數據、歷史數據等信息，通過無線傳輸網絡（Wi-Fi/4G等）發送至地面服務器。數據無線傳輸如圖2所示。

3.7 數據記錄

（1）無線傳輸設備具備數據記錄功能。當主控管理設備通過無線傳輸設備向地面服務器發送數據時，無線傳輸設備會將收到的主控管理設備數據以文件的方式進行記錄。當無線傳輸設備向地面服務器轉發數據時，無線傳輸設備也會將發送的數據以文件的方式進行記錄。

圖2 數據無線傳輸

（2）無線傳輸設備具備自診斷功能。系統開機后，每2 min對Wi-Fi設備進行一次自診斷，并把自診斷結果寫到日志里。每2 min對4G設備進行一次自診斷，并把自診斷結果寫到日志里。每2 min對GPS設備進行自診斷，并把自診斷結果寫到日志里。每2 min對有線網絡（及交換芯片）進行自診斷，并把自診斷結果寫到日志里。每2 min檢測一次連接外網情況，并把檢測結果寫到日志里。

3.8 端口映射

車載主控管理設備與無線傳輸設備通過以太網口連接，如果需要通過無線傳輸設備來訪問主控管理設備,對主控管理設備程序和文件進行上傳和下載，通過無線傳輸設備添加端口映射功能實現。

3.9 文件日志下載

地面服務器根據各個機車的設備名稱監測機車入庫之后，將根據機車停放位置、Wi-Fi信號強度情況等因素對無線傳輸設備文件日志下載可行性進行判斷，并向無線傳輸設備發送文件日志下載請求。如果下載請求符合要求，則開始下載文件給地面服務器，并基于FTP協議，無線傳輸設備作為客戶端向地面服務器端發送文件日志，直到發送完成后，反饋下載完成。

3.10 遠程更新程序

地面服務器根據各個機車的設備名稱監測機車入庫之后，將根據機車停放位置、Wi-Fi信號強度情況等因素對遠程運維可行性進行判斷，并向無線傳輸設備發起程序更新請求。

（1）地面服務器向無線傳輸設備發送軟件下載請求消息幀。（2）無線傳輸設備收到軟件更新請求后，自動向地面服務器發送軟件更新反饋消息幀。（3）地面服務器收到軟件更新反饋后，系統等待ftp軟件傳輸。（4）地面服務器在確認通過ftp傳輸完需要更新的軟件后，向無線傳輸設備發送更新完成確認消息幀。無線傳輸設備在5 min內等待接收更新完成確認消息幀，如超過5 min未收到退出遠程更新程序流程，并將該異常狀態記錄并上報地面服務器。（5）無線傳輸設備在收到地面服務器發送的更新完成確認數據后，對相應類型的文件名進行搜索，并對該文件進行循環完整性確認。完整性確認方式采用md5校驗碼對比方式。如確認完整，則對軟件進行更新，同時向地面服務器發送更新內容成功消息幀。如完整性驗證均不通過，則退出軟件更新流程，返回等待新的軟件更新請求，記錄該異常狀況發生的時刻及內容，并向地面服務器反饋更新異常狀況。（6）地面服務器在收到無線傳輸設備發送的更新成功消息幀后，可進行其他類型軟件更新流程。如無需進行其他類型文件的更新，可根據需要選擇是否對無線傳輸設備進行重啟操作。（7）發送無線傳輸設備重啟請求消息幀，無線傳輸設備在固定時間內收到重啟請求消息幀后，對系統進行重啟。如超過固定時間，則向地面服務器反饋該異常狀態并進行記錄，退出軟件更新流程。

結束語：截至目前，車載無線傳輸設備已配屬肯尼亞蒙內鐵路48列內燃機車車地通信系統，設備運行穩定，實現了地面服務器與車載設備的實時穩定通信。

通過對蒙內鐵路車載無線傳輸設備不斷的完善與改進，為進一步研究車地無線通信系統提供了大量穩定、可靠的無線通信數據積累。對日后提高機車無線數據傳輸穩定性、高效性、以及無線傳輸設備自診斷等起到了關鍵作用。