（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長春∥工程師）

城市軌道交通車輛數(shù)據(jù)無線下載裝置研發(fā)

李 彬

（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長春∥工程師）

針對城市軌道交通車輛車載數(shù)據(jù)采集效率低及完整性無法保證的問題，提出并開發(fā)了一種應用于城市軌道交通車輛的數(shù)據(jù)無線下載裝置。對該無線下載裝置進行了體系結構搭建和網(wǎng)絡性能分析，并進行了半實物仿真試驗。試驗結果表明，該數(shù)據(jù)無線下載裝置具有較高的實用性與可靠性。

城市軌道交通車輛；列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)無線下載系統(tǒng)；仿真分析

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

城市軌道交通列車運行過程中若發(fā)生故障，車載故障診斷系統(tǒng)會生成故障診斷信息并記錄和存儲。目前，故障診斷信息常見下載方法是：列車回庫后，車輛維修人員逐列登車，使用便攜式測試單元手動下載數(shù)據(jù)。這樣不僅不易操作，影響效率，而且存在遺漏信息的可能。因此，提高數(shù)據(jù)下載的效率與完整性，并采用相應信息化檢修作業(yè)，成為目前車載數(shù)據(jù)采集急需解決的問題。

本文提出了應用于城市軌道車輛的數(shù)據(jù)無線下載裝置，對其網(wǎng)絡性能進行了詳細分析，并對所開發(fā)的數(shù)據(jù)無線下載裝置進行了半實物仿真試驗。該裝置可在列車入庫后無線自動下載車載數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，檢查車輛各系統(tǒng)性能，定位故障，從而實現(xiàn)列車運行數(shù)據(jù)與故障信息的靜態(tài)采集和信息化統(tǒng)計與管理，逐步實現(xiàn)車輛維保技術的整體優(yōu)化與發(fā)展，從而提高城市軌道交通運營安全與管理水平。

1 數(shù)據(jù)無線下載裝置的結構

數(shù)據(jù)無線下載裝置的車載應用環(huán)境中，所采用的列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）主要由以下設備構成：2個冗余中央控制單元（CCU）；多個遠程輸入輸出模塊（RIOM）；4個多功能車輛總線（MVB）中繼器；2個人機接口界面（HMI）；4個以太網(wǎng)交換機（Switch）；2個列車數(shù)據(jù)記錄儀（ERM）；1個陪試設備（模擬其它未接入TCMS的MVB設備，如牽引控制單元（TCU）、制動控制單元（BCU）和輔助供電控制單元（ACU）等的信號發(fā)生）。圖1為列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構。

數(shù)據(jù)無線下載裝置分為車載部分和地面部分，圖2為數(shù)據(jù)無線下載裝置結構示意圖。

車載部分由列車數(shù)據(jù)記錄儀和具有無線傳輸功能的無線接入點（AP）及配套天線等組成。數(shù)據(jù)記錄儀通過MVB總線采集TCMS車載數(shù)據(jù)，包括列車運行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，并進行記錄和存儲。列車入庫時數(shù)據(jù)記錄儀將需要上傳的數(shù)據(jù)進行打包壓縮，壓縮好的文件以時間戳命名并通過基于TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳送給車載無線AP。車載無線AP通過無線局域網(wǎng)（WLAN）將車載數(shù)據(jù)傳送到地面服務器。

地面部分由無線AP、工業(yè)交換機和地面服務器組成。其中所有地面無線AP、工業(yè)交換機均布置在庫內(nèi)，組地面成WLAN。在列車回庫時，當車載無線AP檢測到地面WLAN，即建立無線通信鏈接，并由數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送請求信號到地面服務器，請求執(zhí)行車載數(shù)據(jù)的上傳。當車載數(shù)據(jù)被地面服務器接收、文件解壓、數(shù)據(jù)解析并存入本地數(shù)據(jù)庫后，通過服務器端軟件可對故障進行檢索與分析，為車輛維修人員提供技術支持。用戶可隨時登陸服務器（設置登陸權限）查詢相關的故障信息。

圖1 列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結構

圖2 數(shù)據(jù)無線下載裝置結構

數(shù)據(jù)無線下載裝置可支持斷點續(xù)傳功能，即數(shù)據(jù)記錄儀在上傳車載數(shù)據(jù)時，將上傳任務劃分為幾個部分，每個部分分別采用獨立線程進行上傳。如果網(wǎng)絡發(fā)生故障，可從斷點開始繼續(xù)上傳未完成部分，從而提高傳輸效率，節(jié)省網(wǎng)絡容量。

2 網(wǎng)絡性能

2．1 無線局域網(wǎng)標準

數(shù)據(jù)無線下載裝置的無線局域網(wǎng)符合IEEE 802．11a／b／g標準，可根據(jù)用戶實際使用需求，采用2．4GHz或5GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達54Mbit／s。

IEEE 802．11標準定義的無線局域網(wǎng)是一種能支持較高數(shù)據(jù)傳輸速率（1～54Mbit／s）、采用微蜂窩和微微蜂窩結構、自主管理的計算機局域網(wǎng)絡。其關鍵技術主要有3種：直序列擴頻調(diào)制（DSSS）技術、補碼鍵控（CCK）技術、包二進制卷積（PBCC）和正交頻分復用（OFDM）技術。

2．2 網(wǎng)絡容量

數(shù)據(jù)無線下載裝置傳輸車載數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)通信容量，取決于庫內(nèi)無線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)停放列車的最大數(shù)目。無線局域網(wǎng)以最大54Mbit／s的速率工作，每分鐘最大網(wǎng)絡容量為405MByte。假設最大通信容量為40列車，一列車所需傳送車載數(shù)據(jù)（壓縮文件）大小為10MByte，那么最快可在一分鐘內(nèi)完成40列車的車載數(shù)據(jù)下載。所以無線局域網(wǎng)完全能夠滿足數(shù)據(jù)無線下載的需求。

2．3 容錯與可用性

列車兩端均設有數(shù)據(jù)記錄儀和無線AP，在任何一個數(shù)據(jù)記錄儀或無線AP通信故障時，另一端的數(shù)據(jù)記錄儀和無線AP可接替工作，保證無線通信的冗余。另外，地面服務器可根據(jù)系統(tǒng)閑忙情況回應數(shù)據(jù)記錄儀上傳文件請求，并判斷數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)送過來的數(shù)據(jù)是否有效，避免發(fā)生網(wǎng)絡傳輸阻塞和文件接收錯誤。

2．4 安全性

數(shù)據(jù)無線下載裝置能夠提供目前無線網(wǎng)絡最高級別的安全性，可提供128位加密功能，并支持IEEE 802．11標準的加密和身份驗證選項。按照該標準規(guī)定，數(shù)據(jù)無線下載裝置使用了具有40或128位密鑰的RC4加密算法。當實現(xiàn)有線等效加密（WEP）支持時，每個接入點最多可以有4個密鑰。如果一個接入點接收的數(shù)據(jù)包沒有經(jīng)過適當密鑰的加密，該數(shù)據(jù)包將被丟棄，確保不會被發(fā)送到主機上。

2．5 靈活性與移動性

在有線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡設備的安放位置受限制，而在無線網(wǎng)絡中，可在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)任何位置對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行訪問。無線網(wǎng)絡移動性強，結構靈活，易于拓展。

2．6 抗干擾性

抗干擾是擴頻通信主要特性之一。因為信號接收需要擴頻編碼進行相關解擴處理才能得到，而不同的擴頻編碼具有不同的相關特性，所以即使以相同類型信號進行干擾，在信號擴頻編碼未知的情況下，干擾也不起作用。利用擴頻編碼之間的相關特性，在接收端可采用相關技術從多徑信號中提取分離出最強的有用信號，也可把多個路徑來的同一碼序列的波形疊加，使之得到加強，從而達到有效的抗多徑干擾效果。

2．7 隱蔽性

因為信號頻帶的寬度被擴展，單位帶寬上的功率變小，即信號功率譜密度降低，從而提高了其隱蔽性。另外，加上擴頻編碼的不同，有用信號很難被誤收。而極低的功率譜密度，也使信號很少對于其它通信設備構成干擾。

3 半實物仿真試驗

為驗證所研發(fā)的數(shù)據(jù)無線下載裝置實用性和可靠性，需進行半實物仿真試驗。試驗要求數(shù)據(jù)記錄儀實現(xiàn)：①運行數(shù)據(jù)按文件分段保存；②接到請求后執(zhí)行文件壓縮和上傳動作；③壓縮算法的實施；④已壓縮文件以時間戳命名。試驗要求地面服務器實現(xiàn)：①數(shù)據(jù)庫的建立；②接收并解壓數(shù)據(jù)；③解析數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫；④提供友好的數(shù)據(jù)庫訪問界面。

試驗時，采用符合IEC 61131－3標準的編程工具OpenPCS進行仿真，模擬陪試設備可能發(fā)生的故障。仿真參數(shù)為：變量AX1CT＿ResetFreq＿B1（故障名稱：復位太頻繁；故障代碼：6101）以1s為周期，數(shù)值由0、1交替變換。1代表故障發(fā)生，0代表故障解除。圖3為OpenPCS仿真程序界面。

圖3 陪試設備開發(fā)軟件OpenPCS仿真程序界面

陪試設備將此故障信息通過MVB總線發(fā)送給TCMS，并由數(shù)據(jù)記錄儀采集并記錄。通過客戶端軟件DatanalyzerC對數(shù)據(jù)記錄儀接收到的變量進行在線監(jiān)視。圖4為數(shù)據(jù)記錄儀接收變量時的在線監(jiān)視波形。

用戶可直接登陸地面服務器，或登錄與服務器處于同一局域網(wǎng)內(nèi)的任一PC機，訪問服務器數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對故障的查詢、統(tǒng)計與分析。圖5為地面服務器端無線下載的故障數(shù)據(jù)界面。

圖4 數(shù)據(jù)記錄儀接收變量時的在線監(jiān)視波形

圖5 地面服務器端無線下載的故障數(shù)據(jù)界面

4 結語

針對城市軌道車輛對車載數(shù)據(jù)無線下載的需求，開發(fā)了數(shù)據(jù)無線下載裝置并通過半實物仿真，驗證了數(shù)據(jù)無線下載技術應用在城市軌道車輛上的實用性和可靠性。仿真結果表明，該數(shù)據(jù)無線下載裝置對車載數(shù)據(jù)無線傳輸是有效的，可為車輛維修人員采集數(shù)據(jù)與分析故障提供高效的技術支持，應用前景廣闊。

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Research and Development of Wireless Transmission System for Urban Rail Transit Vehicle

LI Bin

Aiming at the problems of low efficiency in acquiring train data and the unguaranteed data integrity，a wireless transmission download system for urban rail vehicle is developed．In this paper，the performance of the wireless transmission technology is analyzed in depth，and the wireless transmission system is developed successfully by halfhardware simulation and research．The test results show that the wireless transmission system is reliable and applicable．

urban rail transit vehicle；train control and monitoring system；wireless transmission download system；simulation analysis

U285．21＋1

10．16037／j．1007－869x．2017．02．024

2016－09－21）