王洪儉

（上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海∥工程師）

車載控制器診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)研究

王洪儉

（上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上?！喂こ處煟?/p>

城市軌道交通現(xiàn)有CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)中VOBC（車載控制器）缺乏診斷數(shù)據(jù)記錄功能，列車在運營過程中若發(fā)生瞬態(tài)故障，往往難以準確查明原因，由此產生安全隱患。對VOBC診斷數(shù)據(jù)實時采集、記錄和共享的需求進行分析，提出VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)的功能與邏輯框架，討論具有故障-安全特性的接口設計方法，并進行了硬件設計及程序編寫。經(jīng)實驗室初步測試，該設備實現(xiàn)了預期的診斷數(shù)據(jù)采集、處理和無線共享等功能。

基于通信的列車控制；車載控制器；診斷數(shù)據(jù)

Author's addressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.Telecom&Signal Branch，200235，Shanghai，China

1 研究背景

隨著地鐵客流不斷增加，行車密度越來越高，對信號控制系統(tǒng)的要求也越來越高，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)應用日趨廣泛。CBTC系統(tǒng)車載設備的核心是車載控制器（VOBC），其直接決定行車安全，并極大地影響線路運能和全路網(wǎng)的運行平穩(wěn)。當CTBC系統(tǒng)發(fā)生瞬態(tài)故障后，由于缺乏VOBC診斷數(shù)據(jù)的歷史記錄，只能事后在試車線進行模擬實驗，給準確查找故障原因帶來了較大的困難，也不利于故障快速處置，且容易造成故障影響面擴大。例如，2012年6月25日上海軌道交通8號線832次列車突發(fā)“牽引、制動同時有效”故障，由于缺乏車載VOBC診斷數(shù)據(jù)，故障原因無法快速確認，雖然經(jīng)過多次排故處置但仍無法動車，最后只能清客救援。該故障對線網(wǎng)運營造成了較大影響。

目前，國內外涉及VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享實現(xiàn)方法的研究很少。國內運營中的地鐵列車基本上沒有安裝地鐵車輛運營記錄儀，一旦地鐵車輛發(fā)生重要故障或事故，司機可執(zhí)行緊急事件按鈕，相關信息便永久性記錄到地鐵車輛的計算機控制單元內存中。這一方式所存儲的信息是簡短的、部分的，僅為緊急事件按鈕按下前后幾分鐘內的記錄，無法記錄完整的有關列車的數(shù)據(jù)，給故障（事故）的分析帶來了一定困難。因此，研究VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)可有力促進地鐵運營的維護保障工作。

在具體研究過程中，需首先了解現(xiàn)有VOBC的結構組成和工作原理。以上海軌道交通11號線為例，其VOBC由3塊主處理器單元（MPU）插板組成，各MPU插板均提供1個Ethernet以太網(wǎng)接口，通過專用電纜連接至以太網(wǎng)信道選擇插板（CSS），再由CSS連至機箱背板，構成3取2型安全計算架構（見圖1）。當3塊MPU插板中有一塊出現(xiàn)故障時，CSS根據(jù)3取2表決邏輯仍可輸出正確結果。

圖1 3取2安全計算機架構示意圖

當VOBC運行診斷模式時，需要將選定的

MPU插板Ethernet電纜從CSS拔下，轉而連接至調試計算機并運行VOBC診斷終端程序，讀取VOBC診斷數(shù)據(jù)，如圖2所示。因此，VOBC診斷狀態(tài)下，VOBC機架僅有2塊MPU插板按2取2模式執(zhí)行安全計算，若此時其中1塊MPU插板發(fā)生故障，則2塊MPU插板輸出不一致，CSS根據(jù)2取2邏輯，判為設備故障并生成EB（緊急制動）指令，對列車實施緊急制動。為此，運營規(guī)范禁止MPU插板長時間脫開CSS，這導致無法長時間地持續(xù)獲得VOBC診斷數(shù)據(jù)，設備維護非常不便。

圖2 VOBC診斷模式下2取2安全計算機架構示意圖

2 VQBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)功能與框架

通過對VOBC系統(tǒng)架構及診斷數(shù)據(jù)記錄共享需求的分析，提出VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)應具備以下功能：

（1）通過與VOBC系統(tǒng)的通信，完整、可靠地獲取VOBC診斷數(shù)據(jù)；

（2）具備大容量數(shù)據(jù)存儲功能，完整存儲一個運營維護周期內的VOBC診斷數(shù)據(jù)；

（3）具備無線通信與網(wǎng)絡共享功能，可實時獲取在線運營列車的診斷數(shù)據(jù)；

（4）不影響VOBC現(xiàn)有功能，盡可能減少對現(xiàn)有設備的干擾。

其系統(tǒng)框架如圖3所示，分為數(shù)據(jù)采集存儲模塊和無線傳輸共享模塊兩部分。數(shù)據(jù)采集存儲模塊直接與VOBC相連，實時采集并存儲診斷數(shù)據(jù)；無線傳輸網(wǎng)絡共享模塊可根據(jù)需求將指定列車的VOBC診斷數(shù)據(jù)通過無線鏈路實時傳輸至服務器，實現(xiàn)網(wǎng)絡共享。

3 VQBC診斷數(shù)據(jù)采集與存儲技術

在VOBC的3取2安全計算架構內，CSS從3塊MPU插板對應的3路Ethernet接口中選擇2路，將其數(shù)據(jù)送入E2CC（以太網(wǎng)轉2通道CAN）插板，變換為CAN總線數(shù)據(jù)并傳輸至其他遠端設備，實現(xiàn)VOBC和其他車載設備的數(shù)據(jù)交換。為了保證VOBC數(shù)據(jù)獲取的完整可靠，同時避免采集記錄裝置對原有VOBC系統(tǒng)功能的影響，VOBC診斷數(shù)據(jù)采集接口必須滿足以下需求：

（1）不影響VOBC系統(tǒng)的正常工作；

（2）適應VOBC診斷數(shù)據(jù)高通、大數(shù)據(jù)量的特點，可靠接收和存儲數(shù)據(jù)；

（3）在接口故障情況下，實現(xiàn)VOBC診斷數(shù)據(jù)接口的強制離線，保證MPU插板和CSS的物理連接，使VOBC原有功能不受影響；

（4）適應車載振動和沖擊環(huán)境、較寬溫度變化范圍和劇烈電源電壓波動，滿足城市軌道交通列車對復雜電磁環(huán)境的要求。

基于以上需求，本文選擇基于ARM Cortex-M4核心的STM32F437芯片設計VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲設備，并選擇SD卡作為大容量存儲介質。

3.1 診斷數(shù)據(jù)采集接口

為盡量減少采集記錄裝置對VOBC系統(tǒng)的影響，確保MPU插板與CSS的物理連接，選擇將VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲設備設置在CSS后端，通過CSS中的備用Ethernet端口與現(xiàn)有VOBC系統(tǒng)連接；再通過修改CSS底層算法，實現(xiàn)VOBC系統(tǒng)與診斷數(shù)據(jù)采集設備的通信。診斷數(shù)據(jù)采集設備不設置在MPU與CSS之間，可最大程度降低診斷數(shù)據(jù)采集設備故障時對VOBC系統(tǒng)的干擾，從物理上可靠保證設備故障情況下VOBC系統(tǒng)原有功能不

受大的影響。

圖3 VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)結構示意圖

CSS現(xiàn)有預留接口為Ethernet端口。因此VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲設備也需有Ethernet端口。本研究選用WIZnet公司的W5300芯片實現(xiàn)Ethernet接入。與大多數(shù)Ethernet接入芯片相比，W5300芯片在內存空間和數(shù)據(jù)處理能力等方面有很大的優(yōu)勢，特別是WIZnet擁有的全硬件通信協(xié)議技術，其克服了軟件通信協(xié)議的連接不穩(wěn)定、可靠性較低、故障頻發(fā)且大量占用芯片資源的弊端，通過全硬件電路實現(xiàn)通信協(xié)議之間的轉換，極大地提高了轉換速度和效率，連接穩(wěn)定可靠。W5300芯片與MPU主控芯片、Ethernet網(wǎng)口的接口關系為：

（1）W5300芯片通過TXOP，TXON，RXIP，RXIN4個引腳與RJ45網(wǎng)口（Ethernet）連接。W5300與Ethernet的接口電路如圖4所示。

圖4 W5300與Ethernet接口電路示意圖

（2）W5300芯片與STM32F437芯片通過10位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線連接，用戶可通過BIT16EN引腳選擇使用8位或16位數(shù)據(jù)總線進行高速數(shù)據(jù)通信。此外，主機可通過/CS、/RD、 /WR、/INT引腳向W5300芯片發(fā)送片選信號、讀（寫）使能信號和中斷請求。W5300與STM32F437芯片電路如圖5所示。

圖5 W5300與主機接口示意圖

Ethernet網(wǎng)絡通信模式包括用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）、傳輸控制協(xié)議（TCP）等。UDP是一種無

連接的協(xié)議，廣泛應用于對傳輸速度有較高要求而安全性要求較低的場合。TCP提供可靠的、面向連接的傳輸控制協(xié)議。為保證VOBC診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，及時發(fā)現(xiàn)VOBC運行異常，減少誤報和漏報，選用TCP以適合網(wǎng)絡傳輸需求。通過修改VOBC底層算法，增加診斷數(shù)據(jù)采集請求的響應功能，即可建立診斷數(shù)據(jù)采集設備和VOBC之間的數(shù)據(jù)交互通道。

3.2 接口安全與動態(tài)安全電路

由于診斷數(shù)據(jù)采集設備與VOBC之間的通信是雙向的信息交互，故診斷數(shù)據(jù)采集設備的故障可能會對VOBC產生不利影響，如大量發(fā)送無用信息、發(fā)送錯誤信息等。為防止診斷數(shù)據(jù)采集設備的故障增大VOBC系統(tǒng)負擔，危及VOBC系統(tǒng)的安全性，本文選用動態(tài)安全繼電器電路對診斷數(shù)據(jù)采集設備與VOBC的通信接口進行控制，在診斷數(shù)據(jù)采集設備發(fā)生故障時，及時切斷其與VOBC通信的物理鏈路。

動態(tài)安全電路結構如圖6所示，在以太網(wǎng)連接線路TX+、TX-、RX+、RX-共4條鏈路中串入安全繼電器常閉接點，由繼電器線圈控制鏈路通斷。輸入W5300周期性中斷請求（方波）信號，驅動晶體管V4周期性導通，V4集電極輸出的方波信號再驅動V1、Q2輪流導通。當V1導通Q2截止時，VCC 24V經(jīng)V1、R10、D4對C10充電；當Q2導通V1截止時，C10經(jīng)D6、D1對繼電器J1線圈和C13放電。當充放電頻率達到某一特定值時，電路達到動態(tài)平衡，在安全繼電器J1線圈兩端產生穩(wěn)定電壓U1，保持安全繼電器線圈兩端電壓的穩(wěn)定，以此維持診斷數(shù)據(jù)采集設備與VOBC系統(tǒng)的通信鏈路。動態(tài)安全電路的輸入方波頻率可由電路中各電容值調節(jié)。當診斷數(shù)據(jù)采集設備發(fā)生故障，通信中斷，W5300周期性中斷請求信號消失，此時無論輸入端處于常高電平或常低電平，安全繼電器線圈兩端電壓都會迅速削減直至歸零，切斷以太網(wǎng)口通信鏈路，同時點亮故障報警指示燈LED7。

圖6 動態(tài)安全電路

為了驗證動態(tài)安全電路的性能，筆者在Multisim環(huán)境下對該電路進行了仿真驗證。輸入信號INT選用頻率1 k Hz、振幅5 V的方波，繼電器線圈輸出端電壓波形如圖7所示。U1為繼電器線圈負端電壓，繼電器線圈正端經(jīng)二極管D6接地，因此U1達到較低負電壓時，繼電器吸起。仿真結果表明，方波脈沖輸入一段時間（t1）后，U1下降，繼電器線圈電壓達到額定值并保持穩(wěn)定；當方波脈沖輸入于t2時刻切斷后，U1上升，繼電器線圈電壓迅速下降，于t3時刻基本降為零，繼電器常開接點斷開，切斷采集存儲電路和VOBC系統(tǒng)之間的連線，電路性能達到預期要求。

圖7 輸入信號與繼電器線圈電壓波形圖

4 VQBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸和網(wǎng)絡共享技術

為了實現(xiàn)對運行中車輛VOBC診斷數(shù)據(jù)的實時共享，必須通過無線通信技術進行網(wǎng)絡共享?？紤]城市軌道交通列車運行環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸速率要求等，VOBC診斷數(shù)據(jù)對無線傳輸和網(wǎng)絡共享技術的需求為：

（1）通信頻段選擇上避開CBTC所占用的2.4 GHz頻段，以防止對CBTC系統(tǒng)工作的干擾；

（2）無線通信在適應VOBC診斷數(shù)據(jù)量的基礎上，選擇盡可能簡單的方式，減少對地面附屬設施的需求，以降低成本，提高可靠性；

綜合考慮上述需求，VOBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸選取基于中國移動GPRS和中國聯(lián)通WCDMA等公共無線通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸技術較為適宜。首先，GPRS和WCDMA等方式可有效適應軌道交通運行環(huán)境，避開CBTC系統(tǒng)占用的頻段，避免對車輛正常運行的干擾；其次，利用現(xiàn)有公共無線通信技術無需額外加裝地面附屬設施，可最大程度地精簡數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本。此外，VOBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸只根據(jù)需求擇時開啟，開啟時間不固定，而GPRS等無線通信方式根據(jù)時間計費的特點正適應這一需求，可最大程度降低成本、節(jié)約信道資源。本系統(tǒng)根據(jù)VOBC診斷數(shù)據(jù)量對傳輸速率的需求和成本，選取GRPS作為診斷數(shù)據(jù)網(wǎng)絡共享方式。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于系統(tǒng)功能與框架，筆者進行了硬件設計及程序編寫。硬件電路主要模塊見表1。設備實物如圖8所示。設備正面設有電源、調試串口、SIM卡插口，以及用于GPRS通信的SMA天線插頭。設備背面設有RJ-45以太網(wǎng)接口，用于與VOBC系統(tǒng)通信。外殼設計綜合考慮了設備的散熱、抗振、抗干擾性能。經(jīng)實驗室初步測試，設備可完整實現(xiàn)預期的診斷數(shù)據(jù)采集、處理與無線共享等功能。

6 結語

本文對VOBC診斷數(shù)據(jù)實時采集、記錄與共享的需求進行分析，提出了系統(tǒng)邏輯架構，進行了相關軟硬件設計，實現(xiàn)了初步功能。該VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享系統(tǒng)填補了VOBC系統(tǒng)在實時數(shù)據(jù)記錄共享方面的空白，可滿足軌道交通運營管理對于診斷數(shù)據(jù)實時記錄和共享的迫切需求，對于提高軌道交通維護保障能力、強化列車運行安全有重要意義。

表1 VQBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享設備功能模塊

圖8 VOBC診斷數(shù)據(jù)實時記錄共享設備硬件實物圖

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Achievement of VQBC Diagnostic Data Recording and Sharing System

Wang Hongjian

Due to the lack of real-time diagnostic data recording and sharing functions in VOBC，which is adopted in CBTCsystem of Shanghai Metro，the short-timed failures are usually hard to be detected and removed，and thus causing considerable potential risks.With an analysis of the demands for real-time recording and sharing system of VOBC diagnostic data，a framework of VOBC functions and logic is proposed，the design of the interface with failure/safety characteristics，the design of hardware and programming are discussed.The test in laboratory showsthat this new equipment could perform the expected functions.

communication based train control（CBTC）；vehicle on-board controller（VOBC）；diagnostic data

U 231.7

2014-03-23）