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        中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))無線轉儲的WLAN技術應用

        2017-05-12 02:57:57曹紅義陳雷亮郭衍建
        中國鐵路 2017年4期
        關鍵詞:機務段無線網絡機車

        曹紅義,陳雷亮,郭衍建

        (1. 中國鐵路總公司 運輸局,北京 100844;2. 武漢征原電氣有限公司,湖北 武漢 430012)

        中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))無線轉儲的WLAN技術應用

        曹紅義1,陳雷亮2,郭衍建2

        (1. 中國鐵路總公司 運輸局,北京 100844;2. 武漢征原電氣有限公司,湖北 武漢 430012)

        按照中國機車遠程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))規(guī)劃,機車入段整備、檢修時應能夠接入站場WLAN無線局域網,以完成行車過程數據的自動下載,且相關數據能夠進入站段服務器長期保留,作為鐵路信息化大數據應用的基礎。從傳統(tǒng)機務段實際需求出發(fā),以西安機務段WLAN無線轉儲建設為例,介紹CMD系統(tǒng)無線轉儲的WLAN技術應用。

        機車;遠程監(jiān)控;診斷;CMD系統(tǒng);WLAN;無線轉儲

        0 引言

        中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))包括車載子系統(tǒng)、數據傳輸子系統(tǒng)和地面綜合應用子系統(tǒng),是機務信息化中機車動靜態(tài)信息的采集、處理、存儲、傳輸、地面診斷分析平臺,為機務信息化應用功能提供信息支撐。通過對機車運行狀態(tài)的監(jiān)測,實時掌握全路機車可用狀態(tài)的分布,提前預告機車質量狀態(tài),掌握機車故障,指導機車故障應急處理,快速定位故障,確定修程,縮短機車整備檢修時間,提高運輸效率和運輸服務質量[1-3]。

        機車整備一直是機務段工作的重中之重[4-5],特別是各設備文件的轉儲、分析都需要人工大量參與,效率低下,費時費力。且各設備之間相互獨立,需要專門人員對數據進行拷貝、上傳、分析,造成人力物力的極大浪費[6]。WLAN無線轉儲系統(tǒng)正是為了解決這一問題應運而生。

        WLAN無線轉儲系統(tǒng)就是在機務段整備場構建IEEE802.11a/b/g/n標準的無線通信網絡,機車通過地面WLAN與地面轉儲服務器間高速傳輸數據,實現車載記錄文件無線轉儲及CMD系統(tǒng)地面綜合應用子系統(tǒng)、機務段整備系統(tǒng)、6A平臺分析系統(tǒng)、6A走行部分析系統(tǒng)之間進行數據交換。

        1 無線轉儲系統(tǒng)構成及關鍵技術

        1.1 系統(tǒng)構成

        無線轉儲系統(tǒng)由部署在機務段的WLAN網絡、整備場機房內的WLAN無線轉儲系統(tǒng)和機務段機房內的數據交換中心構成(見圖1)。

        1.1.1 機務段WLAN網絡

        機務段WLAN網絡安全可靠,實現網絡內機車車載WLAN終端設備的無線接入;通過WLAN網絡實現車載WLAN終端與地面服務器間的數據高速通信。

        整備場一般為長方區(qū)域,部署幾個覆蓋基站和一個中心數據匯聚基站。WLAN網絡部署要充分考慮現場復雜電氣環(huán)境,考慮各種金屬物體對信號的屏蔽、反射、散射及惡劣自然條件等因素的影響。同時鋼軌正上方7 m處高壓網的電壓為AC 2.5 kV,機車升降弓時可能會產生電弧,安裝在附近的WLAN網絡設備應具備一定的防護能力。車載WLAN終端天線距離鋼軌高度一般為4.1 m,AP天線高度和角度需根據該要求進行設計。

        WLAN網絡用于實現在計劃覆蓋區(qū)域內的無縫覆蓋,機車在該區(qū)域內處于低速運行或靜止狀態(tài)時,地面AP應能與車載WLAN終端建立安全可靠的無線連接并實現高速數據通信。AP之間宜采用MESH結構,減少工程布線難度,所有根AP宜部署在機房附近。WLAN網絡結構采用瘦AP+AC的方式,SSID應對外廣播,不能阻塞廣播包。

        以西安機務段為例,西安機務段共4組基站AP,每組分2個,1個2.4G,1個5.8G。AP1位置在整備場東橋洞附近扳道房頂,AP2和AP3在整備車間2樓樓頂,AP4在整備場西側匣樓頂,各基站選用120°定向天線,信號覆蓋距離5 km。西安機務段AP基站及測試點分布見圖2。

        各測試點信號強度及FTP上傳下載速度測試見表1?,F場實際車載設備下載速度為200~1 000 kb/s。

        1.1.2 整備場機房WLAN無線轉儲系統(tǒng)

        整備場機房WLAN無線轉儲系統(tǒng)主要由轉儲服務器和無線控制器組成,實現對文件轉儲的控制和WLAN無線網絡的管理。管理車載終端與WLAN轉儲服務器連接、注冊及數據傳輸過程,匯集和存儲數據,以及通過鐵路綜合IT網實現轉儲數據的轉發(fā);具備機車記錄文件無線轉儲功能和機車整備試驗文件下載功能。無線控制器用來集中化控制無線AP,是一個無線網絡的核心,負責管理無線網絡中的所有無線AP,包括下發(fā)配置、修改相關配置參數、射頻智能管理、接入安全控制等管理。轉儲服務器用來實現與進段機車的報文數據交互,下載車載設備文件,并將下載文件分發(fā)給數據交換中心。

        圖2 西安機務段AP基站及測試點分布

        表1 AP基站信號強度測試表

        西安機務段部署在整備場機房的WLAN無線轉儲系統(tǒng)結構見圖3,主要由服務器機柜、網絡機柜、WLAN轉儲服務器、無線控制器、交換機、硬件防火墻、KVM設備組成。其中在WLAN轉儲服務器上布置1套無線轉儲管理軟件。

        圖3 整備場機房WLAN無線轉儲系統(tǒng)

        1.1.3 數據交換中心

        數據交換中心部署在機務段機房內,主要由具備FTP功能的轉儲服務器構成,完成本地與鐵路綜合IT網之間的數據交互。具備將車載設備文件分發(fā)給各解析子系統(tǒng)和設備升級程序上傳功能。

        1.2 無線轉儲系統(tǒng)關鍵技術

        1.2.1 網絡傳輸斷線重連技術

        無線網絡傳輸中,網絡連接完全斷開及無線網絡不穩(wěn)定所引起的通信異常情況都會造成網絡傳輸中斷。

        WLAN無線轉儲系統(tǒng)引入斷線重連機制,采用通信雙方的心跳報文機制,車載程序實現對網絡狀況及無線信號強度的監(jiān)測,保證網絡連接斷開或不穩(wěn)定情況下機車重連在線。

        1.2.2 基于FTP的斷點續(xù)傳技術

        基于FTP的斷點續(xù)傳技術解決了機車傳輸較大文件時遇到網絡不穩(wěn)定情況而傳輸中斷需要重新開始傳輸的問題。斷點續(xù)傳能夠在機務段WLAN網絡下實現較大的數據量傳輸,傳輸可靠、速度快。

        斷點續(xù)傳實質是在上傳(或下載)時,在某一時間點任務中斷,客戶端記錄此時中斷位置(即斷點);待到網絡正常后,之前未完成的上傳(或下載)任務再次開始時就會從所記錄的斷點處繼續(xù)傳送。

        1.2.3 AP快速切換技術

        整備場多AP全覆蓋,整個網絡中的SSID和密碼都一致。同一個AC下AP之間,保證車載綜合信息監(jiān)測裝置(LDP)終端在一個子網內部,從一個AP覆蓋范圍移動到另一個AP覆蓋范圍時,通信不中斷,無需重新登錄和認證。

        機車無線終端第一次接入AP后采用正常的802.1x認證過程,認證通過后將使用的PMK信息保存在緩存中。相鄰AP1和AP2提供的蜂窩都使用同一個SSID,機車能夠在AP1和AP2之間漫游。AP1和AP2連接同一個AC,AP1向AP2切換時AC只需更新其表便可使用連接到AP2的LWAPP隧道尋找無線終端(機車),切換AP后不必再進行繁瑣的802.1x認證和密匙交換,在AC內將舊關聯緩存數據移交到新關聯,直接使用緩存中的PMK信息,加快了切換速度。

        1.2.4 多頻段傳輸技術

        現階段機務段WLAN無線轉儲系統(tǒng)WLAN網絡采用多標準對終端設備進行多頻段支持。其中IEEE 802.11b/g標準工作在2.4G頻段,IEEE802.11n標準工作在5.8G頻段,二者對比見表2。

        表2 WLAN網絡2.4G和5.8G性能對比

        2.4 G頻段使用ISM頻段,干擾較多。5.8G頻段共劃分為5個信道,每個信道寬度為20 MHz,每個信道與相鄰信道都不發(fā)生重疊,因而干擾較小。5.8G頻率較高,在空間傳輸時衰減較為嚴重,如果距離稍遠,性能會嚴重降低[7]。

        因此,考慮機務段的復雜環(huán)境,搭建WLAN無線轉儲系統(tǒng)采用多標準,實現2.4G和5.8G多頻段覆蓋,保證WLAN無線傳輸的高效、穩(wěn)定。

        1.2.5 服務集標識符技術

        通過對多個無線接入點AP設置相同的SSID,無線工作站出示正確的SSID才能訪問AP。機務段可以對SSID和密碼進行修改,并提交給中國鐵路總公司(簡稱總公司),機車通過自檢信息獲取SSID名稱,收到SSID信號時,機車向總公司服務器申請對應的SSID密碼,連接成功后才能進行信息報文數據交互。

        2 無線轉儲系統(tǒng)數據傳輸策略

        無線轉儲系統(tǒng)通過校驗數據包和利用應用層數據傳輸應答機制保障數據內容的完整性,通過無線通信模塊的監(jiān)控機制保障良好的數據發(fā)送環(huán)境,制定安全連接策略保障WLAN網絡安全。文件上傳(或下載)時,通過信號檢測機制提高數據發(fā)送效率和成功率,通過數據分類發(fā)送提升重要數據發(fā)送的實時性,通過數據壓縮減少數據發(fā)送總量,通過數據斷點續(xù)傳提升數據重傳效率。

        2.1 安全連接策略

        為了保證無線網絡的安全及確保機車進入整備場時能夠連接到無線網絡,當整備場無線網絡需要接入CMD系統(tǒng)通過車載LDP轉儲數據或整備場注冊信息發(fā)生改變時,機務段使用人員需要在地面轉儲系統(tǒng)中填寫或修改注冊信息,否則機車進入整備場時不能連接整備場無線網絡下載數據。注冊信息列表通過3G網絡和整備場無線網絡進行更新。確??偣炯塁MD系統(tǒng)地面子系統(tǒng)存儲全路所有整備場無線網絡的SSID、密碼。

        在途運用機車通過3G網絡更新注冊信息列表。車載子系統(tǒng)發(fā)送的自檢信息包括機務段注冊信息版本標識,地面子系統(tǒng)檢測到自檢信息的版本標識與服務器版本標識不一致時向機車發(fā)送全路所有整備場的無線網絡SSID,機車在整備場匹配到所需要連接的SSID后,向地面系統(tǒng)請求所匹配SSID對應密碼,進行WLAN網絡連接,密碼錯誤時重新進行請求。WLAN連接流程見圖4。

        圖4 WLAN連接流程

        機務段通信服務器(文件轉儲服務器)接入機務段WLAN網絡,采用UDP方式廣播報文,LDP收到廣播信息后,向機務段通信服務器發(fā)起建立連接命令報文,地面反饋連接應答報文,連接命令重發(fā)間隔為3 s。

        2.2 心跳機制

        心跳是在TCP長連接中客戶端和服務器之間定期發(fā)送的一種特殊數據包,通知對方自己還在線,以確保TCP連接的有效性。

        因為網絡的不可靠性,有可能在TCP保持長連接過程中,由于某些突發(fā)情況會造成服務器和客戶端的連接中斷。在這些突發(fā)情況下,如果恰好服務器和客戶端之間沒有交互,就不能在短時間內發(fā)現對方已經掉線。為了解決這個問題,引入心跳機制。

        心跳機制工作原理:在服務器和客戶端之間一定時間內沒有數據交互時,客戶端或服務器會發(fā)送一個特殊數據包給對方,當接收方收到這個數據報文后,也立即發(fā)送一個特殊數據報文回應發(fā)送方。當某一端收到心跳消息后,判斷對方在線,確保TCP連接的有效性。

        WLAN無線轉儲系統(tǒng)在應用層上實現自定義的心跳機制。LDP與地面建立連接后,每隔1 s向機務段通信服務器發(fā)送心跳,機務段通信服務器的廣播信息作為轉儲服務器心跳。機務段通信服務器在轉儲前,應對LDP心跳進行判斷,如果心跳正常,則可開始轉儲操作。

        2.3 車地文件傳輸策略

        2.3.1 文件下載

        機車在線時,6A、AT1(走行部)、LDP、LKJ及TCMS各設備自身記錄文件存儲在各自設備上;機車入庫后,機務段通信服務器發(fā)送轉儲命令到LDP,轉儲命令包括文件開始日期、天數、設備類型等;LDP收到轉儲命令后,向各設備請求文件;各設備按規(guī)則對需要的文件進行壓縮打包;各設備把打包好的文件發(fā)送到LDP;LDP把壓縮文件轉儲到機務段通信服務器(文件轉儲服務器),轉儲過程顯示文件轉儲進度,LDP轉儲完成后,備份已轉儲的文件。無線轉儲系統(tǒng)文件下載示意見圖5。

        2.3.2 文件上傳

        在心跳正常情況下,機務段通信服務器向LDP發(fā)送文件上傳命令;LDP收到文件上傳命令后,向機務段通信服務器發(fā)送文件上傳應答報文;LDP開始進行FTP操作,從機務段通信服務器下載文件,并向機務段通信服務器發(fā)送“上傳中”狀態(tài);FTP操作完成后,LDP發(fā)送轉儲完成報文到機務段通信服務器。無線轉儲系統(tǒng)文件上傳示意見圖6。

        2.4 數據存儲與分發(fā)

        圖5 文件下載示意圖

        圖6 文件上傳示意圖

        WLAN無線轉儲軟件將TCMS、LKJ、6A、AT1(走行部)、LDP等設備數據從機車下載到地面轉儲服務器對應的文件目錄中,通過數據交換中心將各設備文件分發(fā)到對應解析服務器,對文件數據進行解析。

        其中6A服務器、走行文件存儲服務器等作為FTP客戶端,數據交換平臺作為FTP服務器端,各解析服務器每隔幾秒刷新一次FTP服務器列表,有文件就執(zhí)行取走操作,各解析服務器取文件完畢并解壓成功后,通知數據交換平臺服務器操作完成,數據交換平臺更改文件名并移動至FTP目錄外備份。

        3 無線轉儲系統(tǒng)應用特點

        WLAN無線轉儲系統(tǒng)建立了機車各設備到各設備分析軟件的通道,采用安全連接機制、心跳機制、斷線重連及斷點續(xù)傳技術,實現機車到站各設備文件自動下載、統(tǒng)一平臺,保證文件高效及時轉儲,自動、手動多模式文件轉儲管理,提高工作效率,縮短機車整備時間,降低人工成本。

        3.1 文件轉儲高效及時

        入段機車接入WLAN網絡后便可根據用戶設定進行設備文件自動轉儲。西安機務段實際運用過程中,機車入段時在接入WLAN網絡到整備場過程中,設備文件便可轉儲完成,文件轉儲高效及時。

        在WLAN無線轉儲客戶端軟件中可以查看設備文件的歷史轉儲記錄,如西安機務段HXD3D-0042機車,在2016年11月16日入段后對AT1(走行部)設備文件進行自動下載,該文件大小27.337 M,平均下載速率297.8 kb/s。

        3.2 設備文件轉儲安全可靠

        通過報文協議對機車設備文件數據操作,包括文件上傳(或下載)過程中的數據MD5校驗,保證文件數據的可靠性、完整性。

        WLAN無線轉儲系統(tǒng)實現了車、段、信息中心聯控,加強對WLAN網絡安全、無線轉儲服務器安全管理,智能連接,動態(tài)更新,保障數據安全。

        3.3 自動、手動多模式管理

        WLAN無線轉儲客戶端軟件實現了對機車文件數據的自動/手動下載,在自動下載沒有成功的情況下,用戶選擇下載時間段、設備文件類型、機車型號等條件進行手動下載;在下載配置模塊中,可對本段機車是否自動下載進行配置。

        4 結論與展望

        目前西安機務段、上海機務段、株洲機務段、蘭州機務段都已具備WLAN無線轉儲環(huán)境,完成了LDP運行記錄文件、AT記錄文件等的下載功能驗證,以及設備升級程序上傳功能驗證。其中西安機務段WLAN無線轉儲系統(tǒng)處于試運用階段,無線轉儲使用已初見成效,減輕了日常整備工作量。

        同時,現階段WLAN無線轉儲也存在網絡不穩(wěn)定、文件需要多次請求、部分車型設備之間無接口支持的問題。因此,WLAN無線轉儲系統(tǒng)還需進一步優(yōu)化WLAN網絡布局,提高WLAN網絡設備、車載設備等硬件的兼容性,提高網絡穩(wěn)定性和傳輸效率;加強WLAN網絡安全建設、WLAN無線轉儲系統(tǒng)管理,保證數據安全;完善各車型LDP與其他設備之間數據接口,增加WLAN無線轉儲文件種類,充分發(fā)揮WLAN無線網絡效用。

        隨著WLAN無線轉儲的深入研究和在各機務段、整備場的推廣,WLAN無線轉儲系統(tǒng)的功能和性能也將不斷完善和提高,為整個CMD系統(tǒng)的建設提供強有力的數據支撐。

        [1] 中國鐵路總公司.中國機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))總體暫行技術規(guī)范[S].北京,2014.

        [2] 崔明朗,錢雪軍.機車運行狀態(tài)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].鐵路計算機應用,2013,22(8):8-10.

        [3] 單晟,劉黎明,陳建校,等.機車狀態(tài)實時監(jiān)測與智能診斷及維護支持系統(tǒng)[J].機車電傳動,2009(5):40-43.

        [4] 申瑞源.構建大功率機車整備體系的研究與思考[J].中國鐵路,2012(6):7-10.

        [5] 張大勇.提升我國機車技術水平的路徑探討[J].中國鐵路,2015(6):1-4.

        [6] 童建軍.推行鐵路機車整備專業(yè)化地勤管理的思考[J].鐵道機車車輛,2011,31(3):66-67.

        [7] 魏瑞新.再談軌道交通2.4G和5.8G頻段與Wi-Fi干擾問題[J].電子世界,2014(9):97-98.

        責任編輯 高紅義

        Application of WLAN Technology for Wireless Dumping of China Locomotive Remote Monitoring and Diagnosis System (CMD System)

        CAO Hongyi1,CHEN Leiliang2,GUO Yanjian2
        (1. Transportation Bureau,CHINA RAILWAY,Beijing 100844,China;2. Wuhan Z&Y Electric Co Ltd,Wuhan Hubei 430012)

        According to the planning of China Locomotive Remote Monitoring and Diagnosis System (CMD system), the locomotive shall be able to get access to the WLAN of the station yard and automatically upload the data during operation when entering the depot for servicing and maintenance, and the data shall be able to be stored for a long term on the servers of the station and depot to serve as the basis of the application of railway big data. This paper bases itself on the particular needs of traditional locomotive depots, takes the construction of WLAN wireless dumping system Xi'an Locomotive Depot as an example and introduces the application of WLAN technology in wireless dumping of the CMD system.

        locomotive;remote control;diagnosis;CMD system;WLAN;wireless dumping

        U26;TP277

        A

        1001-683X(2017)04-0015-06

        10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.015

        2016-12-16

        曹紅義(1963—),男,高級工程師。

        陳雷亮(1991—),男,嵌入式軟件工程師,碩士。E-mail:cleiliang@163.com

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