城市軌道交通車輛無線傳輸裝置設(shè)計研究

劉玲娜，龐明瀟，王甜甜

（1.青島地鐵集團有限公司工程建設(shè)分公司，山東青島 266000；2.青島地鐵集團有限公司運營分公司，山東青島 266000；3.青島市運輸事業(yè)發(fā)展中心，山東青島 266000）

0 引言

無線傳輸裝置（WTD）是列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將車輛MVB 總線上的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車載PIS 視頻攝像機至少一路視頻流數(shù)據(jù)實時上傳到地面智能運維系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)解碼、統(tǒng)計、分析展示等，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)全面監(jiān)控，提高列車運營的可靠性及安全性[1-2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

國內(nèi)某地鐵列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)在頭尾車各安裝一臺無線傳輸裝置，車載系統(tǒng)主要包括車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其他車載子系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)組成。無線傳輸裝置依靠以太網(wǎng)獲取列車上各個監(jiān)測子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，通過地面PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）的無線傳輸通道上傳車輛數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

無線傳輸裝置通過MVB 接口接入到MVB 總線，實時獲取車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到車載PIDS 系統(tǒng)的交換機，實時獲取車輛攝像頭的視頻流數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到以太網(wǎng)維護網(wǎng)，實時獲取子系統(tǒng)的健康管理數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到地面PIS 系統(tǒng)車載交換機，通過地面PIS 系統(tǒng)的無線傳輸通道上傳車輛數(shù)據(jù)。

車輛段智能運維系統(tǒng)通過地面PIS 系統(tǒng)接收無線傳輸裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車載PIS 視頻攝像機至少一路視頻流數(shù)據(jù)（具體視通信帶寬多少而定，一般一路720 p 視頻流占用2 Mbps），并負(fù)責(zé)統(tǒng)計、分析、展示等。

3 無線傳輸裝置功能模塊

無線傳輸裝置的功能模塊如圖2 所示。

圖2 無線傳輸裝置功能模塊

3.1 電源模塊

采用110 V 高可靠車載隔離電源模塊，外部電源輸入范圍為-30%～+25%，要求具有極高的轉(zhuǎn)換效率與良好的熱設(shè)計，電源連接器選用三芯航空插頭。

3.2 儲能模塊

配置板載儲能模塊，當(dāng)外部輸入電源斷電時，能短暫維持整機工作。當(dāng)整機功耗低于40 W 時，輸入電源斷電后整機供電能維持時間至少5 s。

3.3 視頻采集處理模塊

視頻采集處理模塊主要用于列車音視頻信息采集、處理和傳輸。將車輛基本狀態(tài)信息疊加到音視頻信息上，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺，方便地面工作人員對車輛的實時監(jiān)控，提高列車的運營安全性。

3.4 MVB 通信功能

支持至少500 個MVB通信端口數(shù)據(jù)監(jiān)聽采集；MVB通信一致性測試滿足：GB/28029.2—2011/IEC61375 -2《2007 牽引電氣設(shè)備列車總線第2 部分：列車通信網(wǎng)絡(luò)一致性測試》標(biāo)準(zhǔn)檢驗。

3.5 安全網(wǎng)關(guān)模塊

車載系統(tǒng)在車地數(shù)據(jù)傳輸過程中，設(shè)計以下安全通信機制，保證數(shù)據(jù)通信可靠性。車載設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸軟件層面對數(shù)據(jù)發(fā)送進行校驗及加密處理，地面數(shù)據(jù)解析需要對數(shù)據(jù)包會進行多層校驗，以驗證數(shù)據(jù)包有效性，無效消息不予理會，直接丟棄處理。車地通信方式為單向主動通信方式，不支持地面遠程端主動發(fā)起數(shù)據(jù)請求，只做遠程單向傳輸監(jiān)控，不做遠程控制。可根據(jù)實際需求，選擇配置無線通信安全板卡模塊作為車地通信網(wǎng)關(guān)單元，具有安全防護功能，提供相應(yīng)的安全機制，實現(xiàn)車地之間的隔離，保護車輛的網(wǎng)絡(luò)安全。至少包含以下功能：

（1）設(shè)備接入控制。DHCP 白名單：只對指定MAC 地址的客戶端設(shè)備分配IP；設(shè)置靜態(tài)路由表：指定目的地的報文將按照指定路徑轉(zhuǎn)發(fā)；端口映射功能：使Wi-Fi 連接外網(wǎng)設(shè)備可以訪問指定的內(nèi)網(wǎng)設(shè)備端口；ARP 防護配置靜態(tài)ARP 表：綁定IP 地址和MAC 地址的映射關(guān)系。

（2）IP 包過濾。支持訪問安全板卡的IP 包的進出站過濾；支持經(jīng)過安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的IP 包的出站過濾；支持IP 包的進出站默認(rèn)策略，包括禁止和允許；支持針對IP 包的源地址、目的地址、源端口、目的端口和協(xié)議類型進行包過濾。

（3）攻擊防護。流量統(tǒng)計：統(tǒng)計進過安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的上下行流量，形成分析報告，支持導(dǎo)出。支持設(shè)置單IP 的最大并發(fā)會話數(shù)，防止大量非法連接產(chǎn)生時影響網(wǎng)絡(luò)的性能。防DoS 攻擊：包括防icmp flood 攻擊、udp flood 攻擊、tcp syn flood 攻擊和icmp 洪水。支持自動檢測和記錄TCP、UDP 端口掃描，自動阻止惡意掃描的IP 訪問本機服務(wù)。

3.6 大容量存儲模塊

在具有以太網(wǎng)信息采集的功能需求時，設(shè)備可支持至少0.5 TB 大容量數(shù)據(jù)存儲，用于存儲包括以太網(wǎng)離線數(shù)據(jù)文件在內(nèi)的文件存儲。

3.7 CPU 模塊

CPU 芯片選用高性能處理器，主頻至少1.8 GHz，運行內(nèi)存2 GB；CPU 板上需具有三路以太網(wǎng)接口，擁有一路千兆以太網(wǎng)口，可完成接入到以太網(wǎng)維護網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集記錄存儲、功能維護使用；支持2 路USB 接口；板卡構(gòu)成整機功能具備：通過MVB接口和以太網(wǎng)接口，從MVB 總線和以太網(wǎng)總線上獲取列車各子系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)，并對收集各子系統(tǒng)狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)融合、清洗預(yù)處理后，完成數(shù)據(jù)同步存儲同時，借助PIS傳輸通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程無線上傳。采集頻率可達100 ms 級，可滿足基于通信總線全量數(shù)據(jù)端口采集上傳功能；采用基于TCP 的車內(nèi)以太網(wǎng)采集及車地通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持?jǐn)嗑W(wǎng)重?fù)堋嗑W(wǎng)重連、丟包重傳機制，保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息車地傳輸可靠性。

4 智能運維傳輸帶寬

4.1 TCMS 系統(tǒng)MVB 總線數(shù)據(jù)

TCMS 系統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)主要是列車MVB 總線上各子系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)以及報警狀態(tài)、旁路狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)等信息。需要下傳的基于列車MVB 通信總線數(shù)據(jù)量約為2 kB，以500 ms 數(shù)據(jù)傳輸頻率上傳數(shù)據(jù)。考慮到無線傳輸鏈路可能存在不穩(wěn)定性，系統(tǒng)支持丟包數(shù)據(jù)重發(fā)策略。綜合以上所需建議傳輸帶寬至少為256 kbps。

4.2 各子系統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

（1）車門系統(tǒng)。一列車掛載6 個設(shè)備，且相互獨立，每個設(shè)備需要的帶寬是500 kbps，6 個設(shè)備需要的總帶寬3 Mbps。車門系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表1。

表1 車門系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（2）空調(diào)系統(tǒng)。一列車掛載6 個設(shè)備，且相互獨立，每個設(shè)備需要的帶寬是5 kbps，6 個設(shè)備需要的總帶寬是30 kbps。空調(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表2。

表2 空調(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（3）PIS 系統(tǒng)。一列車掛載2 個設(shè)備，相互冗余，每個設(shè)備需要的帶寬是1 kbps，2 個設(shè)備需要的總帶寬是2 kbps。PIS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表3。

表3 PIS 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（4）制動系統(tǒng)。一列車掛載4 個設(shè)備，相互冗余，每個設(shè)備需要的帶寬是40 kbps，4個設(shè)備需要的總帶寬是160 kbps。制動系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表4。

表4 制動系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

綜合上述，各個子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)流傳輸所需的最大總帶寬峰值為3.448 Mbps。考慮后期數(shù)據(jù)獲取量增多的可能，建議單臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸整體帶寬需求至少滿足4 Mbps。

5 結(jié)束語

通過研究分析，確定了城市軌道交通車輛無線傳輸裝置無線傳輸裝置系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容、功能模塊和傳輸帶寬，并成功應(yīng)用，對后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計及老舊線路系統(tǒng)改造具有一定的指導(dǎo)意義。