城軌車輛段車地無線傳輸系統設計與應用

矯德余，石 勇，張增一

（中車大連電力牽引研發中心有限公司，大連 116000）

車地無線傳輸系統將軌道交通車輛的運行狀態信息和故障信息通過無線的方式傳遞到運營監控中心，并對信息進行分析處理，實現對車輛運行狀況的跟蹤及故障報警預警等[1]。通過數據的積累，逐步建立起完整的車輛運營、檢修、故障履歷數據中心，通過統計分析和數據挖掘，提供車輛維修與快捷服務的決策支持，有效實現車輛維護信息化、現代化[2]。

通常新建車輛段都會把車地無線傳輸系統作為必選項進行建設，但是對于已運營較長時間的老舊車輛段，車地傳輸系統的增改建難度較大。以某城軌車輛段為例進行車地無線傳輸系統的需求分析、方案設計、施工建設、系統測試和實踐應用評估，綜合解決老舊車輛段增建車地無線傳輸系統的問題，具有現實的指導意義。

1 需求分析

1.1 城軌車輛網絡控制系統

城軌車輛網絡控制系統負責對車輛牽引、制動、輔助供電、車門、空調等系統的控制、監視、診斷以及運行數據的記錄，是城軌車輛的“大腦和神經”[3]，五節編組城軌車輛網絡控制系統拓撲如圖1所示。

圖1 城軌車輛網絡拓撲 Figure 1 System topology of urban rail vehicle

該城軌車輛網絡控制系統采用多功能車輛總線(簡稱MVB總線)，中央控制單元(CCU)通過MVB總線對牽引控制單元(TCU)、制動控制單元(BCU)、人機接口(HMI)等進行控制和管理。同時，接入MVB網絡的還有數據記錄單元(DRU)和乘客計數系統(PCS)。數據記錄單元負責對車輛運行數據、故障數據、累計數據進行實時判斷和記錄存儲[4]；乘客計數系統負責統計上下乘客數量以及計算總載客量并記錄[5]。數據記錄單元和乘客計數系統分別連接無線通信模塊，具備無線通信能力。

1.2 城軌車輛段布局

所選城軌車輛段是一個運用多年的老段，車輛段布局如圖2所示。B1是一座二層維修車間兼辦公樓，樓內有兩條維修線位于A1區域，樓內二樓有一間機房R1。B2是一座二層小水房。A2區域是并排5車道室外停車場，可同時停靠10輛城軌車輛。A3區域是一座半封閉式車站。

圖2 城軌車輛段布局 Figure 2 Layout of an urban rail depot

1.3 車地無線傳輸系統需求

在機房R1內布置服務器，用于與車輛數據記錄單元和乘客計數系統進行通信、接收數據及數據存儲。

地面布置無線基站至少覆蓋A1、A2和A3區域，保證服務器通過基站可與車輛建立穩定連接。車輛在A1和A2區域停車時能夠將車輛數據記錄單元和乘客計數系統內數據全部傳輸至地面服務器，車輛經過區域A3時能將故障數據傳輸至服務器。

在無線基站覆蓋區域內的工作人員可通過筆記本電腦或者手機連接訪問服務器數據。

2 方案設計

2.1 無線基站安裝位置的選擇

根據以上用戶需求，選擇3個無線基站安裝位置，如圖3所示。

圖3 無線基站位置 Figure 3 Position of wireless module

P1點位于維修車間樓頂，由于位置較高區域開闊，可覆蓋較大的室外區域；P2點位于水房樓頂，可覆蓋車站和室外停車場區域；P3布置于維修車間內立柱上方，用于覆蓋維修車間內部區域。通過現場分析，建設3個無線基站將覆蓋整個車輛段區域并保證穩定連接，基本覆蓋情況如圖3所示。

2.2 拓撲結構

根據無線點位的選擇，設計車地無線傳輸系統拓撲結構如圖4所示。

圖4 車地無線傳輸系統拓撲圖 Figure 4 Topology of train-ground wireless transmission system

服務器、交換機和光電轉換器等安裝于機房之內，通過機房內配電箱進行供電。P1點位于維修車間樓頂，跟機房距離較近，通過網線與機房內交換機S1相連，并從機房配電箱供電；P2點位于水房樓頂，由于距離機房較遠，在地下管廊布置光纖與機房內交換機S1通過光電轉換器連接，遵照就近原則從水房配電箱給無線模塊供電；P3布置于維修車間內部，安裝于車間立柱上，并經車間頂部線架布置光纖與機房內交換機S1通過光電轉換器連接，從車間內部配電箱給無線模塊供電。

2.3 設備選型

設備選型要滿足當地自然條件要求，包括溫濕度、海拔、車輛段市電供應等。同時無線傳輸模塊要求支持IEE802.11a/b/g協議和HTTP、HTTPS、UDP等通信協議，可以實現車地無線傳輸系統與車載數據記錄單元和乘客計數系統的正常通信。

2.4 參數設計

根據車地無線傳輸系統需求和拓撲結構，進行車地無線傳輸系統參數設計。車載無線模塊設置為客戶端路由模式，20列車的車載設備DRU地址設置為 192.168.1.5經路由轉換為 111.222.333.1～111.222.333.20，設備PCS地址設置為192.168.1.9經路由轉換為111.222.333.101～111.222.333.120；地面無線模塊設置為無線訪問接入點模式(即AP模式)，IP地址分別設置為111.222.333.241～111.222.333.243，信道選擇1、6、11，實現重疊覆蓋互不干涉；服務器IP設置為111.222.333.240，通過交換機與地面無線模塊連接；無線訪問終端通過無線網絡訪問時設置為IP自動獲取模式，系統將自動為訪問者分配IP地址，可同時支持20個終端訪問，地址111.222.333.201～111.222.333.220；所有無線設備的服務集標識SSID和訪問密碼統一。詳細參數配置如圖5所示。

圖5 參數配置圖 Figure 5 Parameters of the system

3 設備安裝及測試

3.1 設備安裝

現場施工完成設備安裝及布線，3個點位如圖6所示。

圖6 無線模塊天線 Figure 6 Antenna of wireless module

3.2 信號強度測試

為測試信號覆蓋強度，選擇關鍵位置測試點進行信號強度測試，如圖7所示。在維修車間內部最遠處選擇T1和T2點以測試車間內部信號強度，在室外停車場最邊緣選擇T3、T4和T5點以測試室外信號強度，在車站選擇T6點以測試車輛信號強度。所選擇的測試點位為最極端位置，能夠充分反映信號覆蓋情況。

圖7 測試點選取 Figure 7 Selection of test points

根據以上測試點位選擇，進行信號強度測試，測試結果顯示，所有點位信號強度均能夠滿足數據傳輸需要，圖8、圖9和圖10分別顯示了T2、T3、T4點位測試曲線。

圖8 信號強度測試結果(T2點)Figure 8 Reports of signal intensity test (Point T2)

圖9 信號強度測試結果(T3點)Figure 9 Reports of signal intensity test (Point T3)

圖10 信號強度測試結果(T4點)Figure 10 Reports of signal intensity test (Point T4)

3.3 終端訪問測試

分別通過筆記本電腦和智能手機連接無線網絡，并進行訪問測試，系統能夠進行正常的數據傳輸和圖形顯示，完全能夠滿足應用需要，筆記本電腦端和手機端顯示畫面如圖11、12所示。

圖11 電腦端訪問頁面 Figure 11 Data shown through computer

3.4 應用

通過需求分析、方案設計、現場設備安裝及調試后，所設計的車地無線傳輸系統正式投入使用。車輛入庫或經過無線模塊覆蓋區域時，車輛能夠與服務器自動建立連接，并進行數據傳輸。經過統計，某城軌車輛由始發站運行至終點站的記錄數據為50 MB左右，車輛經過附近站臺的停車時間為30～40 s，車輛?？空九_時即可將運行數據全部傳輸至地面服務器，途徑附近站臺而不?？康能囕v入庫時可實現數據傳輸，從而完全替代了人工下載數據的方式，效益明顯。

圖12 手機端訪問頁面 Figure 12 Data shown through telephone

4 結論

對已運營多年的某快軌車輛段增設車地無線傳輸系統的需求進行了深入分析，充分考慮車輛段現狀的基礎上詳細設計了適合該車輛段應用的車地無線傳輸系統方案，對設備安裝和布線施工后，進行了信號強度和數據通信測試。測試結果表明所設計的車地無線傳輸系統能夠滿足用戶的數據傳輸需求。該車地無線傳輸系統已成功應用于車輛的日常車輛數據下載、運行維護及車輛故障診斷等，該項目的實施對于老舊車輛段車地無線傳輸系統增改建具有重要的指導意義。