動車組車載信息無線傳輸及地面監(jiān)控系統(tǒng)的應用

陳才茂

近年來，我國動車組規(guī)模與數(shù)量的提升，對于動車組調度和檢修也提出了更高的要求，需要充分把握動車組的運行數(shù)據(jù)信息，通過合理的狀態(tài)維修等手段來緩解生產組織壓力。目前動車組車載信息實時數(shù)據(jù)已經(jīng)實現(xiàn)落地，但是受限于網(wǎng)絡條件，只能將少部分故障信息和關鍵性運行信息在篩選后向地面進行傳輸，僅靠落地的實時數(shù)據(jù)無法詳盡分析動車組狀態(tài)。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的人工下載方式效率較低，不能滿足動車組運維的需要。因此動車組車載信息非實時數(shù)據(jù)下載及綜合運用的需求十分急迫。

一、系統(tǒng)構成

系統(tǒng)由車載信息無線傳輸裝置、無線通信網(wǎng)絡和地面監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。

（一）車載信息無線傳輸裝置

車載信息無線傳輸裝置，即安裝在動車組頭車的動車組無線傳輸裝置（WTD）。WTD能采集、分析和處理列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)信息的本地存儲，并將動車組關鍵運行狀態(tài)信息及故障信息通過移動通行網(wǎng)絡實時發(fā)送到地面；或通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線下載WTD本地數(shù)據(jù)至筆記本電腦等存儲介質；或通過WLAN自動下載WTD本地數(shù)據(jù)至地面服務器。我國各型動車組均配置WTD系統(tǒng)，CRH1A、CRH6等動車組的早期型號出廠時沒有配置的，后續(xù)在車組高級修時也進行了加裝改造。

車載信息無線傳輸裝置主要是由裝置主機和天線系統(tǒng)組成。其中，裝置主機主要負責動車組運作狀態(tài)信息的采集和處理；WTD主機上設置有DI插件板可以采集車上的司乘人員操作信息；并根據(jù)地面的數(shù)據(jù)傳輸要求，可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{控，根據(jù)傳輸策略對不同的數(shù)據(jù)采用不同的傳輸方式；同時，裝置本身具有GPS定位和授時功能。天線系統(tǒng)使用車載WLAN/GSM/GPS三合一天線，安裝在動車組車頂，從而獲取定位信息。

（二）地面無線傳輸網(wǎng)絡

地面無線傳輸網(wǎng)絡，主要作用是建立車載信息無線傳輸裝置與地面監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通道。是一套由安裝在動車所存車場的多個無線AP組成的無線局域網(wǎng)絡，承載動車組數(shù)據(jù)無線傳輸，遵循802.11bg標準，頻段為2.4GHz，傳輸速率可達54Mbps。

（三）地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)接收裝置、存儲服務器和用戶終端等結構構成。其中數(shù)據(jù)接收裝置負責地面無線通信網(wǎng)絡的管理，動車組數(shù)據(jù)的自動下載、轉發(fā)、存儲等。存儲服務器負責動車組數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲和數(shù)據(jù)備份等。用戶終端負責通過鐵路內部網(wǎng)絡訪問運用所存儲服務器，實現(xiàn)動車組數(shù)據(jù)文件的查詢、分析和應用等功能。

二、動車組車載信息無線傳輸方案

（一）設備的接入

在動車運作過程中，數(shù)據(jù)利用GPRS網(wǎng)絡向地面服務器傳輸，針對列車的重要參數(shù)，車載主機能夠利用定時發(fā)送的方式發(fā)送周期在1min左右的數(shù)據(jù)，周期長度可以利用服務軟件調試。針對列車的故障信息和狀態(tài)信息等進行傳輸。車載主機通過響應式發(fā)送模式，在檢測到動車存在故障后即刻傳輸信息。

（二）轉儲數(shù)據(jù)傳輸

車載主機選擇的轉儲數(shù)據(jù)包含牽引單元的MVB過程數(shù)據(jù)，通常情況下以WLAN傳輸模式為主。WLAN板卡可以與無線網(wǎng)絡直接連接。在動車組進入無線網(wǎng)絡覆蓋范圍時，車載主機可以查詢可用的轉儲數(shù)據(jù)服務器并則自動連接，之后利用FTP等方式為服務器傳輸信息。

動車組在進檢修庫作業(yè)前，會在存車場停留一段時間，此時在存車場搭建的地面無線AP即可自動與車載WTD建立通訊，快速下載車載信息，并將車載信息通過光纖網(wǎng)絡存儲到運用所本地服務器。由于在存車場需要開展本務司機與地勤司機交接、安排進出庫信號等作業(yè)，并且進出檢修庫的過程中動車組行進速度較慢，因此供無線網(wǎng)絡下載車載信息的時間至少有15分鐘，足夠下載當天的車載信息。以CRH380B型動車組為例，全天的MVB數(shù)據(jù)約為300M左右，完全可以在15分鐘內完成下載及存儲。

三、地面系統(tǒng)方案

車載子系統(tǒng)承擔著動車運作數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)采集的功能，利用GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣掌?，而地面子系統(tǒng)則進行數(shù)據(jù)的接收，并利用Web的形式提供給用戶，用于了解動車的運行狀態(tài)與歷史數(shù)據(jù)。

（一）地面監(jiān)控系統(tǒng)的部署

地面監(jiān)控系統(tǒng)部署在動車組運用所信息機房，安裝遠程管理支持和服務器虛擬化軟件許可支持等軟件。數(shù)據(jù)接收裝置采用有線方式連接到地面無線網(wǎng)絡中，負責對無線信道加密、無線AP的統(tǒng)一管理、動車組數(shù)據(jù)的自動下載，數(shù)據(jù)的解壓縮，并將所下載數(shù)據(jù)存入臨時數(shù)據(jù)庫，同時通過路局辦公網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)轉存到運用所存儲服務器。數(shù)據(jù)接收裝置全部采用工業(yè)級部件制造，外部千兆/萬兆網(wǎng)絡接口。

存儲服務器負責全部動車組數(shù)據(jù)的接收、解析和存儲，存儲能力一般需要支持1年以上。數(shù)據(jù)備份群集中的存儲容量針對不同車型按照標準列動車組進行估算，其中CRH1型、CRH2型、CRH6型按1T/年/標準列計算，CRH3型、CRH5型動車組按3T/年/標準列計算，復興號標準動車組按10T/年/標準列計算。并通過路局辦公網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)給用戶終端進行分析運用。

用戶終端是通過路局辦公網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)存儲服務器實現(xiàn)列控數(shù)據(jù)文件的查詢、分析和應用等。當動車組進檢修庫檢修前，車載信息已經(jīng)通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)落地。地面監(jiān)控軟件將車載信息過程數(shù)據(jù)解壓、解碼，以統(tǒng)一格式存儲在服務器中，以供動車組運用維修使用，服務器存儲所轄各運用所已下載數(shù)據(jù)索引及故障信息，相關技術人員可以通過用戶終端查看。在地面監(jiān)控系統(tǒng)對非實時下載數(shù)據(jù)進行回放和二次診斷，檢修人員可以獲取故障信息，也可以通過打印機輸出故障信息來進行及時檢修。

（二）地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡的優(yōu)化

為了減少障礙物對信號的遮擋，根據(jù)無線AP的帶寬大小和覆蓋范圍，將無線AP安裝在存車場的燈橋及輪對受電弓動態(tài)檢測裝置等設施上，覆蓋動車所存車場區(qū)域。以廣州動車段為例，選擇單個無線AP網(wǎng)絡點有效覆蓋面積約為80m*80m的網(wǎng)絡設備，1個AP點可以覆蓋4個標準動車組位，同時滿足4個標準列動車組同時下載數(shù)據(jù)的帶寬。因此在深圳北動車所存車場的兩個燈橋上共安裝18個AP，覆蓋40條存車線、80個標準動車組列位。將無線AP通過光纖收發(fā)器連接到運用所服務器，構建地面無線網(wǎng)絡設備硬件環(huán)境。

（三）子系統(tǒng)的設計

遠程系統(tǒng)地面子系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)存儲模塊和接收模塊等結構，數(shù)據(jù)處理模塊負責信息的接收，數(shù)據(jù)存儲模塊則負責數(shù)據(jù)的儲存。用戶接口模塊可以對動車的運行狀態(tài)及變化情況進行反饋，也能夠對數(shù)據(jù)信息進行歸納處理。

（四）關鍵技術分析

1.動車故障數(shù)據(jù)的存儲與查詢

為確保動車的運行質量，遠程系統(tǒng)在開發(fā)期間便應用了以下設計：（1）車載子系統(tǒng)可以針對列車的故障數(shù)據(jù)進行錯誤檢查，確保故障信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性，避免信息失真等問題的產生；（2）地面子系統(tǒng)可以根據(jù)動車故障數(shù)據(jù)的關鍵數(shù)據(jù)，產生對應列車故障記錄的數(shù)據(jù)簽名，使得每一條數(shù)據(jù)都具有不同的標簽，確保故障數(shù)據(jù)的有序性；（3）地面子系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢模塊設計，采用有效組織查詢條件，確保故障信息到處結果與查詢請求一致。

2.用戶訪問權限控制

為提高數(shù)據(jù)調用的安全性，在地面子系統(tǒng)中設計有用戶訪問控制機制，賬戶注冊不開放，賬戶注冊需要先進行使命申報，之后經(jīng)由相關人員完成審核后才能完成注冊。此外，服務端中的用戶請求也需要進行處理，先確認當前的賬戶狀態(tài)，確保賬戶安全后再對其操作和信息進行記錄，保證用戶行為以及系統(tǒng)整體的安全性。

四、結語

動車組車載信息無線傳輸及地面監(jiān)控系統(tǒng)，通過在動車運用所建設地面無線網(wǎng)絡設備，升級動車組WTDS車載無線設備，建立車-地WLAN無線網(wǎng)絡連接，研究實現(xiàn)了動車組車載信息的自動下載和存儲技術。針對不同動車組車型的車載數(shù)據(jù)，提出了規(guī)范化統(tǒng)一解析及管理技術，不同動車組車型，開發(fā)相應數(shù)據(jù)解析與管理軟件，完成對車載數(shù)據(jù)的解析與合理應用，全面把握動車組運行狀態(tài)，提高了故障分析效率，實現(xiàn)了動車組運行狀態(tài)全面監(jiān)控，為動車組檢修計劃的編制和調整提供支持，也提高了動車組檢修效率。

作者單位： 中國鐵路廣州局集團有限公司廣州動車段