車載網絡控制系統數據流優化方法研究與實現

劉昭翼

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

根據速度等級、長短編組、運營環境的不同，CRH2型動車組可劃分為31種車型，共計1 100余列動車，占全國動車總數的30%左右，是當前高鐵客運的主力車型。其核心車載網絡控制系統的數據通信控制回路由車輛總線、電流環以及信息記錄設備組成，通信過程中，車輛中央控制裝置負責對車輛總線采集的列車信息進行合并處理，通過電流環將處理后的列車信息發送至車地通信裝置保存，用于后期數據分析和故障定位。目前的數據傳輸長度受限，且部分觸發型數據更新周期長達30秒，存在數據記錄協議不能擴充、刷新響應緩慢、觸發時間較短的故障無記錄等問題，已無法滿足現有CRH2型高速動車組數據記錄和故障診斷的要求，因此研究一種新型CRH2高速動車組過程數據和故障數據處理方法具有十分重要的意義。

1 車載網絡數據處理現狀

如圖1所示，CRH2動車組網絡控制系統采用二級拓撲。列車級網絡采用光纖環網通信，由中央控制裝置、終端控制裝置和ARCNET總線組成，是連接各個車廂控制單元的主干道。車輛級網絡采用點對點通信，由控制裝置、第三方設備和電流環組成，是網絡控制系統與各子系統信息交換的通道。電流環是串行通信中常用的接口電路，零電平信號采用0～2 mA電流表示，滿量程采用17～23 mA電流表示，在發送端將TTL電平轉換為環路電流信號，在接收端又將環路電流信號轉換成TTL電平，實現與第三方設備的通信。

圖1 CRH2型動車組典型拓撲

車載網絡控制系統的數據流如圖2所示，中央控制裝置從光纖環網獲取全車的數據，進行簡單的篩選拼接后，組成長度為252字節的數據結構體，通過電流環通道發送給車地通信裝置。由于受數據結構體總長度的限制，部分數據需要犧牲一定的實時性來完成分時發送，各車型的車地通信協議難以統型，沒有可供擴展利用的空間。

圖2 數據流架構

通信時序如圖3所示，SDR為每個通信周期必然發送一次的實時數據（牽引、制動、第三方設備狀態等），LDR為根據觸發條件發送的數據（故障、累計數據等），SD和LD為車地通信裝置根據發送數據類型應答的數據。在沒有LDR發送進程時，以200 ms為周期嚴格執行實時數據通信；在有LDR發送請求時，系統會等待SDR收發完成后再啟動LDR的發送進程，此時SDR+SD+LDR+LD的通信時長將超過200 ms，導致下一幀SDR數據延遲發送或覆蓋，當LDR請求頻繁異常觸發時，存在車地通信數據丟失的風險。同時由于LDR進程的更新間隔為30 s，其所包含的故障或狀態信息持續時間小于30 s時，將不會被記錄，當列車出現故障需借助LDR數據進行診斷分析時，可能會出現非預期的分析結果。

圖3 數據通信時序結構流程處理方式

2 數據處理方式優化

針對CRH2型動車組數據處理及傳輸過程中存在的不足，本文提出一種數據處理優化方法，通過ARCNET光纖環網將高速列車各車廂反饋的關鍵控制指令信息、牽引制動狀態數據、輸入輸出信息、第三方設備信息予以收集和深度重組，將優化后的數據拆分到2個電流環通道中同步傳輸至車地通信裝置，如圖4所示。

圖4 優化后數據流架構

其中，終端裝置負責收集牽引制動數據和第三方設備數據，牽引制動數據通過HDLC協議傳輸至終端處理單元，空調、軸溫等第三方設備數據通過電流環協議傳輸至終端處理單元。中央裝置負責收集輸入輸出、控制指令和顯示狀態信息，分別通過硬線、背板總線PBUS和485協議傳輸。

如果是8編組動車，圖中的=8，環網由8個終端和2個中央組成，每隔120 ms輪詢一次各節點的數據；如果是16編組動車，圖中的=16，環網由16個終端和2個中央組成，每隔200 ms輪詢一次各節點的數據；以上形成環網中循環滾動的數據流，頭尾車的中央處理單元從環網中獲取全網數據，將需地面分析的數據優化結構后分為2組，同時將觸發式記錄的數據插入第一組的固定區域，最終在數據轉送單元中分別通過2個20 mA電流環通道發送至車地通信裝置并根據SYN標志位進行數據的拼包處理。

2.1 全車數據重組

中央處理單元從光纖環網、硬線IO板卡和RS485接口獲取全車的數據，并對所獲取的數據進行分類處理，如圖5所示。

圖5 數據重組關聯關系

全車數據收集完畢后，通過協議字段偏移識別，按照控制信息、觸發類信息和實時傳輸信息三種信息的劃分標準，對所有數據進行分類整理和發送：

（1）判斷控制指令位為有效時，將主控端（司機室鑰匙占有端）發送的級位、恒速指令等控制信息透傳至第一發送模塊。

（2）固定100字節空間用于當前故障、故障記錄、累計數據的發送：當前故障是指正在發生的故障，包含故障名、故障碼、故障車廂、發生時刻、速度等信息，每200 ms更新一次；故障記錄是指已經發生過記錄在Flash存儲器中的故障履歷，僅包含故障名、故障碼和故障發生時間；累計數據是指累計運行里程、牽引電力、再生電力等信息，這兩部分數據包通過司乘人員點擊發送按鈕或列車到站時進行一次完整發送。經過優先級判斷處理后，送往第一發送模塊。

（3）對其余的狀態信息和故障信息則進行拆分再組合處理：各車廂的接觸器、受電弓、設備隔離等硬線輸入輸出信息和空轉、滑行等牽引制動信息按車廂號依次提取，提取后的數字量數據通過位偏移對應+1車的方法重新排列整合（對應0～7），組成180字節長度的輸入輸出和牽引制動數據段，送往第一發送模塊；各車廂的空調控制溫度、運行模式、軸溫傳感器信息以及其他數據按車廂號提取，提取后的模擬量數據通過字節偏移對應-+1車的方法重新排列整合（代表當前查閱的1車模擬量對應的字節偏移，對應當前查閱的模擬量字節偏移），組成280字節長度的空調信息、軸溫信息和其他信息數據段，送往第二發送模塊。

各數據塊發送參數如表1所示，車型為8編組時，全車的部分數據按（3）處理后同時發往1車和8車車地通信裝置；車型為16編組時，1～8車的部分數據按（3）處理后發往1車車地通信裝置，9～16車的部分數據按（3）處理后發往16車車地通信裝置，16車車地通信裝置截獲數據后按車廂號加8處理，發送數據保持協議映射關系，與8編組車型通信協議格式一致。

表1 各數據塊發送參數

通過數據重組和雙通道傳輸，擴容數據量為原來的2.3倍并平均分配至兩個電流環通道，狀態數據排序符合標準的批處理邏輯，便于故障點的解析和診斷。

2.2 觸發型數據優化

本文提出一種觸發型數據優化方法，取消原SDR數據后追加發送的LDR數據，改為在固定區域段根據觸發條件發送故障記錄和累計數據，空閑時間發送當前故障（以200 ms為周期）。優化后的數據通信時序如圖6所示，數據幀由02H（16進制，下同）開頭，正文標識固定為22H，03H結尾，最后接2字節的BCC校驗碼。傳輸數據實際內容由LDR和SDR組成，LD表示車地通信裝置發送給網絡控制系統的觸發數據請求。

圖6 優化后觸發型數據通信時序

觸發型數據發送時序存在兩種處理進程，分別為當前故障請求和司乘按鍵觸發：

（1）不存在故障記錄或累計數據發送進程，且LD送達的數據類別標識為31H時，LDR數據塊固定填入當前正在發生的故障信息，每3個字節表示1個故障，前2個字節代表故障BCD碼，第3個字節代表故障發生車廂；在觸發類數據發送過程中，如果發送間隔大于400 ms，網絡控制系統轉發處理模塊將利用空閑時間發送當前故障。

（2）中央處理單元接收到司乘按鈕或列車到達終點站的觸發條件后，立即對整車的故障記錄和累計數據進行拆分處理，以數據塊為單位進行傳輸，并將此類數據優先級提升至最高。按照每個傳輸塊100字節進行劃分，通過數據類別標識每個傳輸塊的數據內容，其中01H～14H代表1車～16車各中央或終端設備的故障數據，41H代表累計數據，41H類別數據幀發送完畢，即表示當前請求的數據發送完畢，繼續根據LD觸發31H請求當前故障發送時序。

對觸發型數據的發送方法和發送優先級進行優化，將原來較長周期的消息故障數據轉變為實時更新的當前故障過程數據，通過數據類別編號區分數據包的實際內容，保證當前故障傳輸的實時性和完整性，同時故障記錄和累計數據通過LDR固定區域優先級處理，不再占用額外的通信時間，確保了通信時序嚴格按照200 ms的周期執行，減少了數據幀丟失的風險，提升了系統數據的傳輸穩定性。

2.3 當前故障合并排序

如圖7所示，為了保證快速、準確地解析當前故障表內容，對故障數據進行合并排序處理。中央控制裝置通過光纖環網輪詢動車組上各個局的故障數據，獲取各局故障對應字節偏移信息，從包含有1 000條故障的總列表中篩選出觸發上升沿的故障。當某個故障已經被觸發且持續有效時，將該故障對應的車廂號寫入故障發生車廂數組變量，同時將故障發生優先級也同步寫入優先級數組變量。最后通過合并排序算法，以最少的系統循環次數完成故障優先級從大到小的排序整理。這樣做的優點在于增加故障發生車廂數組變量，綁定對應發生車廂比特位，減少數據重復解析負荷。增加優先級數組變量，使得每一個故障有其唯一對應的故障優先級代碼，基于后進置頂的原則，采用合并排序的方法填充當前故障表，通過第一發送模塊的LDR數據區域發送至車地通信裝置記錄，最終根據網絡控制系統時間戳下載對應的當前故障表數據，即可查閱任意時刻的故障信息，便于地面運行維護系統對影響列車正常運行的故障進行及時的邏輯分析和應急處理，保障列車的安全穩定運營。

圖7 當前故障數據處理

3 應用效果測試驗證

為驗證數據處理優化后的發送接收時序，利用示波器抓取鏈路層的數據收發電平波形：圖8為現有車載網絡數據收發時序，只有SDR數據發送和應答時，通信周期為200 ms；如果本幀數據觸發了LDR發送邏輯，在SDR數據應答結束后，將增加額外的LDR發送和應答時間，導致本輪的通信周期延長為235 ms（光標差值ΔX），不再遵循標準的電流環通信時序，影響后續幀數據的收發，造成頻繁丟包。圖9為優化后的數據收發時序，將LDR融入SDR數據中，整體收發周期嚴格控制在200 ms內，確保了通信時序的穩定和關鍵數據的按時送達，驗證了本優化方法的有效性。

圖8 現有車地通信時序波形

圖9 優化后通信時序波形

4 結 論

本文通過分析CRH2型動車組網絡控制系統數據流，設計了一種軌道車輛的通信數據處理方法，有效擴充了列車信息的傳輸量，優化了傳輸信息的數據結構，規范了觸發型數據發送規則，消除原通信方式在發送時序和發送長度上的不確定性，有效保障了列車狀態分析所需信息的完整性，彌補了CRH2型動車組故障分析的短板。