黃志平,趙紅衛(wèi),朱廣超,張順廣,李 宇

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所,北京100081;2 上海鐵路局 合肥車輛段徐州地區(qū)驗收室,江蘇徐州221000)

為滿足對運行動車組動態(tài)跟蹤監(jiān)控、提供遠程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo),并即時組織維修的實際運用需求,需要對動車組的安全狀態(tài)與故障情況進行實時動態(tài)跟蹤監(jiān)控,分析動車組管理檢修運用需求,需要將高速動車組運行途中的重要信息進行記錄,并實時發(fā)送到地面。

將傳輸?shù)男畔⒎譃閯討B(tài)位置跟蹤信息、基本狀態(tài)信息和故障信息等。動態(tài)位置跟蹤信息主要包括運行動車組的準確位置,如經(jīng)緯度或線路公里標(biāo);基本狀態(tài)信息主要有速度、牽引、制動、車門、軸溫等安全相關(guān)信息,以及空調(diào)、衛(wèi)生間等旅客服務(wù)設(shè)施狀態(tài)信息等;故障信息主要是在車載網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)摹⒖色@取的故障事件以及其相關(guān)環(huán)境參數(shù),用于故障發(fā)生后支持車載故障的診斷、分析、排除及動車組檢修。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案根據(jù)CRH3型動車組列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作原理,主要狀態(tài)與報警信息在列車WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸,報警信息全部匯聚到列車司機顯示屏,供司控人員使用,因此,研制車載無線傳輸裝置,通過MVB網(wǎng)絡(luò)獲取的有關(guān)牽引、制動、供電、空調(diào)、車門等子系統(tǒng)狀態(tài)的實時運行數(shù)據(jù),通過從司機顯示屏獲取的以故障代碼為索引的實時故障數(shù)據(jù),通過GPS功能模塊獲取列車位置信息,通過GPRS發(fā)送實時數(shù)據(jù);研制地面數(shù)據(jù)接收處理軟件,用于數(shù)據(jù)的接收和提供用戶數(shù)據(jù)的查詢使用界面。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)

2.1 機箱結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計

圖1 CRH3型動車組遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計方案

機箱一般是用金屬或塑料制成的,它支撐了設(shè)備的各個部件或板卡,避免了板卡直接裸露在外,起到了對板卡的防塵與機械保護作用;設(shè)備長時間運行必然會發(fā)熱,若冷卻條件不好,可能會引起板卡過熱而不正常工作甚至燒毀,而機箱就是設(shè)備冷卻的重要部分,一個干凈、內(nèi)部寬敞、設(shè)計成功的機箱,有助于空氣在板卡與外界之間的空氣流動,能大幅度加快內(nèi)部板卡散熱,確保設(shè)備工作正常;另外,動車組上高頻工作中的設(shè)備很多,相互之間的電磁干擾現(xiàn)象嚴重,好的機箱,是設(shè)備提高電磁兼容性能的第一道重要關(guān)卡和必要條件。

考慮到板卡研制的標(biāo)準化、更換板卡的方便性以及機箱的可靠性,設(shè)計選用3U結(jié)構(gòu)的鋁合金機箱,其基本尺寸、導(dǎo)軌、板卡印刷電路板、連接器與背板按下面的3U機箱標(biāo)準進行設(shè)計,重點考慮機箱的機械強度、散熱性能與電磁兼容性能。

電源是設(shè)備工作的動力來源,同時還要適應(yīng)苛刻的車載供電條件,如電壓波動大、突然斷電、負載變化大、發(fā)熱大等,電源設(shè)計不合理,可能由于供電電源不穩(wěn)定引起板卡不能工作或損壞板卡,還可能造成各種各樣比較隱蔽、難以復(fù)現(xiàn)排查的故障,使用戶形成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的印象,因此良好的電源設(shè)計是保證設(shè)備穩(wěn)定性和安全性的重要前提。

動車組直流母線供電為DC110V,特設(shè)計兩級電源。第一級電源為DC110V/DC24V電源,將外界輸入直流電源轉(zhuǎn)換成常用直流工作電壓;第二級電源為各板卡以DC24V為輸入電壓,使用隔離電源模塊將電壓轉(zhuǎn)換成各元器件工作需要的電壓范圍,保證單個板卡的電源不正常不至于影響其他板卡的工作,有利于保護板卡和快速定位板卡故障。其中中央處理器單獨使用 DC110V/DC5V板卡,并增設(shè)掉電通知和延時保護功能。

2.2 中央處理器與操作系統(tǒng)

中央處理器是電子設(shè)備的核心,使用傳統(tǒng)的單片機已完全不能滿足系統(tǒng)設(shè)計的大量數(shù)據(jù)運算處理、存儲和發(fā)送的需求,考慮到技術(shù)通用性,選擇工業(yè)級標(biāo)準PC/104硬件架構(gòu),緊湊可靠,非常適合于空間有限的應(yīng)用環(huán)境,而且PC/104接口設(shè)備較多,可擴展性好,即使系統(tǒng)完成設(shè)計后,仍可擴展或替換更多新的功能設(shè)備。選用PC/104工業(yè)級CPU,主頻為500 MHz,板載內(nèi)存為512 MB,板載存儲容量為1 GB,具備2路以太網(wǎng)接口與4路串口,并具備GPIO接口以擴展LED燈用于系統(tǒng)工作狀態(tài)指示。

中央處理器采用QNX嵌入式實時操作系統(tǒng),符合POSIX標(biāo)準的API使它成為一個開放式互聯(lián)系統(tǒng),便于與 UNIX/LINUX系統(tǒng)的移植。QNX有著不同于UNIX或LINUX的模塊化設(shè)計思想,并不是UNIX或LINUX的一種演化,而是完全不同的一種全新的實時操作系統(tǒng)。由于其獨特的體系結(jié)構(gòu),QNX廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、機器人工程、工業(yè)控制、航空航天等各個領(lǐng)域。

系統(tǒng)本身運行內(nèi)核很小,部署時將使用的資源按實際硬件配置優(yōu)化到最少,設(shè)計幾個主要的軟件模塊任務(wù),必要時通過消息隊列進行進程之間的通信,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,可以隨時掉電而不會損壞系統(tǒng)本身。

2.3 MVB網(wǎng)絡(luò)通信

CRH3型高速動車組使用了符合 TCN標(biāo)準的WTB/MVB網(wǎng)絡(luò),為接收MVB網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),需要設(shè)計與現(xiàn)有MVB網(wǎng)絡(luò)可以兼容進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)卡,為保證通信一致性與穩(wěn)定性,規(guī)避可能的風(fēng)險,特選用在CRH3型高速動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用的西門子MVB網(wǎng)卡,該網(wǎng)卡為PC/104結(jié)構(gòu),很方便的裝配在中央處理器上,實現(xiàn)MVB網(wǎng)絡(luò)通信。

2.4 實時無線傳輸

為了保證管理運用檢修部門及時掌握動車組實際運行狀態(tài)、避免和防止重大安全事故,在動車組運行過程中,以GPRS方式將少量必要的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。GPRS提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

當(dāng)發(fā)生車載受監(jiān)控設(shè)備工作異常或故障報警時,自動啟動報警實時發(fā)送機制,將此信息通過GPRS實時發(fā)送出去。信息內(nèi)容包含發(fā)生故障車次、列號、車號、故障發(fā)生時間、故障級別、故障代碼、故障相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時,系統(tǒng)主機定時通過無線GPRS接口向地面發(fā)送各系統(tǒng)狀態(tài)信息和GPS定位信息,信息內(nèi)容還包括列車的車次、車廂號、車號、時間、監(jiān)測項類型、監(jiān)測項狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)存儲處理與呈現(xiàn)

采用Oracle數(shù)據(jù)庫對實時接收和全程記錄的數(shù)據(jù)進行存儲、處理、查詢、回放、分析等。在處理各種故障的時候通過數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)的對照,對以前的故障情況有全面的了解,更有利于對動車組運行狀態(tài)和設(shè)備質(zhì)量進行更深層次的跟蹤和動態(tài)質(zhì)量控制。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu),是隨著Internet技術(shù)的興起,對C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下,用戶工作界面是通過WWW瀏覽器來實現(xiàn),極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實現(xiàn),但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實現(xiàn),這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷,減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量,降低了用戶的總體成本。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與軟件功能

3.1 車載無線傳輸裝置

CRH3型動車組車載無線傳輸裝置采用42HP的標(biāo)準3U機箱,共由5塊板卡構(gòu)成,從左至右分別是:WLAN板卡、CPU板卡、GPRS/GPS板卡、24 V 電源板卡和5 V電源板卡。如圖2所示。

圖2 車載無線傳輸裝置

CPU板卡是整個裝置的核心處理單元,該板卡擴展有MVB網(wǎng)卡,通過MVB網(wǎng)卡從列車通信網(wǎng)絡(luò)上獲取當(dāng)前列車的運行狀態(tài)信息,并集中管理調(diào)用GPRS、WLAN板卡的功能;GPRS和GPS功能集成在GPRS板卡,GPRS功能負責(zé)將列車運行過程中的實時信息發(fā)送到移動公網(wǎng),GPS功能為系統(tǒng)提供列車的GPS定位、速度等信息;WLAN板卡在列車移動至無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域后,建立無線局域網(wǎng)連接,可將動車組運行過程中存儲的實時和非實時數(shù)據(jù)傳輸至地面服務(wù)器。

裝置有4個輸入端口,分別為電源輸入端口、MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端口、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)端口、GPS天線端口。電源輸入端口為裝置提供DC110V電源;MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端口主要接收在MVB網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)囊恍崟r數(shù)據(jù);以太網(wǎng)數(shù)據(jù)端口主要接收顯示屏上發(fā)送的動車組故障信息;GPS天線端口為系統(tǒng)提供GPS天線信號。

裝置有 3個輸出端口,分別為GPRS天線端口、WLAN端口、USB端口。GPRS天線端口主要傳輸實時數(shù)據(jù)及實時故障信息;WLAN端口和USB端口主要用于下載實時數(shù)據(jù)、實時故障信息及非實時運用數(shù)據(jù)存儲形成的文件,WLAN實現(xiàn)無線下載,USB實現(xiàn)移動存儲介質(zhì)的下載。

3.2 車地數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與內(nèi)容

車載信息無線傳輸裝置對地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)滿足《CRH系列動車組車載信息無線傳輸設(shè)備技術(shù)條件(暫行)》(運裝客車[2010]295號)的相關(guān)要求,各類型數(shù)據(jù)傳輸時機為實時故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生時立即向地面?zhèn)鬏?實時運行數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔 ≤1 min;故障通報數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔 ≤10 min;設(shè)備自診斷數(shù)據(jù)列車上電時發(fā)送。對所傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)提供緩存管理機制,緩存隊列中能夠保存200條數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場對動車組動態(tài)監(jiān)控與故障檢修的要求,確定主要傳輸內(nèi)容見表1。

3.3 軟件實現(xiàn)與功能

系統(tǒng)地面軟件由數(shù)據(jù)接收軟件、數(shù)據(jù)處理與存儲軟件、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)、Web應(yīng)用程序組成。其中數(shù)據(jù)接收軟件負責(zé)與車載無線傳輸裝置通訊,通過Socket套接字方式接收車載設(shè)備發(fā)送的實時監(jiān)控數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理與存儲軟件將接收到的數(shù)據(jù)解碼經(jīng)過一定的邏輯處理后存入數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)庫為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲和查詢服務(wù);Web服務(wù)作為Web應(yīng)用程序的內(nèi)容,為用戶通過Web應(yīng)用程序查詢數(shù)據(jù)提供服務(wù);Web應(yīng)用程序是系統(tǒng)主要的用戶接口,使得用戶能通過網(wǎng)頁對動車組的運行狀況和故障進行實時監(jiān)測及分析處理。地面服務(wù)器軟件工作流程見圖3。

表1 車地數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

圖3 地面服務(wù)軟件工作流程圖

3.3.1 列車實時運行狀態(tài)

用戶可以通過網(wǎng)頁查看到當(dāng)前運行動車組的司機操作狀態(tài)、運行位置、高壓、牽引、制動、輔助、安全環(huán)、門、空調(diào)、照明等系統(tǒng)的主要參數(shù)(圖4)。

3.3.2 實時與歷史故障瀏覽

用戶可以通過網(wǎng)頁查詢到未恢復(fù)/已恢復(fù)的故障、故障詳細描述、處置建議等,系統(tǒng)提供了按時間范圍、列車號、車輛號、故障代碼、故障級別、子系統(tǒng)、是否恢復(fù)、是否維修模式等條件進行組合查詢(圖5)。

3.3.3 故障分布規(guī)律統(tǒng)計

用戶可以通過網(wǎng)頁按不同的條件查詢故障情況,得到故障分布圖、故障次數(shù)統(tǒng)計圖等,進一步摸清故障規(guī)律,有針對性地制訂故障處理策略(圖6)。

圖4 當(dāng)前司機操作狀態(tài)示意圖

圖5 網(wǎng)頁查詢示意圖

3.3.4 其他功能

用戶可以通過網(wǎng)頁,查看動車組全程運行的位置及回放,還可以以直觀的圖形方式查看各類數(shù)據(jù)的曲線圖,包括速度、網(wǎng)壓、網(wǎng)流、牽引變壓器、變流器、電機等主要部件溫度等變化曲線(圖7)。

4 系統(tǒng)試驗與考核運用

車載無線傳輸裝置已通過電磁兼容檢測試驗與絕緣、耐壓、高低溫、濕熱、振動和沖擊試驗。在2009年CRH3型動車組武廣線聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗中,系統(tǒng)為試驗管理部門遠程掌握試驗動態(tài)、動車組故障情況提供了有效的監(jiān)控手段。

圖6 故障分布規(guī)律統(tǒng)計示意圖

圖7 歷史資料查詢示意圖

5 結(jié)束語

隨著我國高速動車組開行對數(shù)的不斷增加,動車組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新技術(shù)裝備越來越多,對于動車組管理運用部門的故障檢修帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文所研究的高速動車組遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),采用先進的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、成熟的無線傳輸技術(shù)、實用的數(shù)據(jù)庫技術(shù),適用于CRH3型動車組管理運用檢修部門,為提高檢修效率、抓好檢修質(zhì)量,保證動車組的順利開行,提供了完整的解決方案。