韓喬銘

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 杭州機(jī)務(wù)段技術(shù)科， 杭州 310002)

6A系統(tǒng)已成為和諧型機(jī)車安全系統(tǒng)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)配置。6A系統(tǒng)監(jiān)測機(jī)車運(yùn)行過程中危及安全的重要事項(xiàng)、重點(diǎn)部件和部位，對事故預(yù)防、事故分析以及乘務(wù)員按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)都起到了重大促進(jìn)作用[1]。對于機(jī)車運(yùn)行存儲的數(shù)據(jù)，目前機(jī)務(wù)段主要依賴于人工通過USB接口轉(zhuǎn)儲，對于大容量的視頻數(shù)據(jù)則更青睞于插拔硬盤的方式。這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲方式大大制約了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲效率和分析實(shí)時性，而且高頻率的插拔，往往會給IDE接口和移動硬盤等硬件造成損壞，影響設(shè)備使用壽命，同時調(diào)取程序的繁雜也會影響管理人員分析的積極性。為了能更高效地維護(hù)和管理機(jī)車車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線下載與集中管理，迫切需要研制一套機(jī)車視頻數(shù)據(jù)無線下載與集中管理系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

視頻數(shù)據(jù)是一種大容量數(shù)據(jù)，每臺機(jī)車上裝有7～8個攝像頭，經(jīng)調(diào)研，僅單路攝像頭一個交路的數(shù)據(jù)量即可產(chǎn)生超4G數(shù)據(jù)量。因此選擇數(shù)據(jù)無線數(shù)據(jù)傳輸方式時，必須滿足機(jī)車庫內(nèi)場區(qū)無線信號覆蓋，還應(yīng)具有高速帶寬，使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲時間控制在一個適當(dāng)時間內(nèi)。

綜合比較各種無線傳輸技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)一種新型的WIFI無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)采用了MIMO-MESH和IEEE 802.11ac傳輸協(xié)議，具有傳輸速度快，可靠性高，在信號較弱或有干擾情況下帶寬可調(diào)，且組網(wǎng)成本低的優(yōu)點(diǎn)。其室外無線傳播范圍單天線可達(dá)300 m，并可通過多天線級聯(lián)傳輸實(shí)現(xiàn)場區(qū)信號延伸覆蓋。

IEEE 802.11ac是一個802.11無線局域網(wǎng)(WLAN)通信標(biāo)準(zhǔn)[2]，它通過5 GHz頻段進(jìn)行通信，理論單一連接傳輸帶寬可達(dá)433 Mb/s，且在小區(qū)域無干擾遮擋狀態(tài)下更具信號傳輸優(yōu)勢，且具有多空間流的MIMO。相較應(yīng)用廣泛的2.4 GHz頻段而言，其抗干擾和沖突程度大大加強(qiáng)。因此采用IEEE 802.11ac協(xié)議的WIFI技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)并滿足現(xiàn)場對機(jī)車數(shù)據(jù)無線和高速轉(zhuǎn)儲兩個目的需求。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

機(jī)車數(shù)據(jù)傳送至地面服務(wù)器，應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無線傳輸、地面下載管理功能。其實(shí)現(xiàn)的基本過程為：數(shù)據(jù)采集→轉(zhuǎn)儲→無線傳輸→服務(wù)器存儲→后期應(yīng)用分析。功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)分為車上設(shè)備和地面設(shè)備兩大部分。具體為在機(jī)車上安裝車載主機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對機(jī)車車載數(shù)據(jù)進(jìn)行自動存儲及轉(zhuǎn)發(fā)。同時在軌道旁部署地面多個電臺。一旦機(jī)車進(jìn)入地面電臺接收范圍后，通過一體化平臺即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的下載、傳輸和分析?；驹韴D如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)無線傳輸基本原理圖

1.2.1車載主機(jī)

車載主機(jī)除適應(yīng)機(jī)車車載110 V供電等基本條件外，還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對車載數(shù)據(jù)的自動存儲、校驗(yàn)和編碼，以及數(shù)據(jù)的自動同步和傳輸功能。車載主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 車載主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

車載主機(jī)系統(tǒng)硬件由基于嵌入式處理器S3C2440A設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)通信平臺及外圍硬件組成，硬件電路包括處理器S3C2440A、存儲器、接口電路、指示電路、復(fù)位電路、電源電路及USB存儲和控制電路。

為盡可能獲取更多類別數(shù)據(jù)，車載主機(jī)數(shù)據(jù)源應(yīng)盡可能通過6A系統(tǒng)的內(nèi)部信息端口統(tǒng)一采集。目前由于權(quán)限與功能受限，視頻數(shù)據(jù)可以考慮的是利用外部USB接口通過licence授權(quán)文件獲取。機(jī)車運(yùn)行期間系統(tǒng)自動獲取視頻數(shù)據(jù)并及時存儲在車載主機(jī)配置的存儲介質(zhì)上，以利于入庫進(jìn)網(wǎng)后的無線傳輸。另外還應(yīng)考慮以下兩個問題：

(1)由于機(jī)車入庫整備后處于斷電狀態(tài)，不能滿足無線傳輸時的用電需求，因此設(shè)計(jì)了蓄電池直供電設(shè)備和蓄電池電壓監(jiān)視防護(hù)措施。圖3為我們設(shè)計(jì)的車載主機(jī)，其整機(jī)功耗<10 W，工作電流100 mA。當(dāng)蓄電池電壓低于90 V值，自動切除主機(jī)供電，高于94 V時，允許開機(jī)，確保機(jī)車蓄電池電壓可控，防止因虧電造成無法升弓。

圖3 車載無線主機(jī)

(2)6A系統(tǒng)設(shè)計(jì)有外掛存儲功能，而當(dāng)USB被車載主機(jī)占用后，如需進(jìn)行外掛存儲將不再實(shí)現(xiàn)。因此我們對主機(jī)采用USB切換控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟硬件切換功能，作業(yè)者進(jìn)行外掛存儲時可通過主機(jī)上按鈕暫時屏蔽和恢復(fù)主機(jī)USB功能實(shí)現(xiàn)。

1.2.2車載天線

車載天線應(yīng)能各平面都傳輸信號，減少信號損耗，建立穩(wěn)定的鏈路連接。圓極化天線相較線極化天線而言，其不受天線擺向束縛，且具有抗多徑干擾性。

圖4 圓極化波

天線的極化平面呈現(xiàn)為螺旋化的形狀，在一個波長的距離內(nèi)正好旋轉(zhuǎn)完整的一圈，圓極化波的電波能量散落在包括水平和垂直的各個平面。遇障礙物時，反射波變成能反旋向，大大避免了對傳輸信號的干擾。圖5為設(shè)計(jì)的車載天線實(shí)例。

1.3 車—地?zé)o線傳輸通道

車—地?zé)o線傳輸部分可采用工業(yè)級AP無線訪問節(jié)點(diǎn)，從而確保設(shè)備的可靠、穩(wěn)定?；诰彺鏅C(jī)制的切換算法可以使移動車載設(shè)備跳過探測階段，直接進(jìn)入鑒權(quán)和關(guān)聯(lián)階段。一旦機(jī)車進(jìn)入到地面AP的信號覆蓋范圍，車載AP和地面AP迅速建立數(shù)據(jù)通訊鏈路，車載主機(jī)設(shè)備在接收到地面工作人員的數(shù)據(jù)下載指令后會將機(jī)車上的全部數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)降孛娣?wù)器中，見圖6。

圖5 車載天線實(shí)物圖

無線傳輸技術(shù)采用了MIMO-MESH技術(shù)[3]，首先，利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率，這使得車地之間的傳輸速度在信號覆蓋良好的情況下超過了100 Mb/s。而MESH技術(shù)有自動發(fā)現(xiàn)，自動配置，鏈路自調(diào)節(jié)和自愈等優(yōu)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)簡單有效，穩(wěn)定性高，每輛列車一旦駛?cè)胄盘柛采w范圍就可以很快的加入該MESH網(wǎng)絡(luò)，立刻開始數(shù)據(jù)傳輸，且不需要人為的配置，可以節(jié)省很多站場布線成本。該系統(tǒng)可以保證在列車運(yùn)行速度不高于60 km/h時，車-地通信傳輸質(zhì)量滿足：

(1)帶寬：≧100 Mb/s;

(2)丟包率 ≦ 1%；

(3)漫游切換時間 ≦100 ms;

(4)信息傳輸延遲 ≦500 ms；

圖6 車—地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸過程示意圖

1.4 車載數(shù)據(jù)無線下載維護(hù)終端

主要目的提供車載數(shù)據(jù)無線下載人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)的下載、共享、集中管理、調(diào)度、傳輸、分析等功能，見圖7。人機(jī)界面應(yīng)能顯示機(jī)車車次號，工作狀態(tài)，與服務(wù)器的連接狀態(tài)，轉(zhuǎn)儲進(jìn)度，無線下載進(jìn)度，帶寬等。可進(jìn)行數(shù)據(jù)類型、轉(zhuǎn)儲時段按需選擇，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制車載主機(jī)與磁盤數(shù)據(jù)清理功能。維護(hù)終端是基于數(shù)據(jù)集中管理與維護(hù)一體化平臺進(jìn)行開發(fā)的一個應(yīng)用插件。 依托一體化平臺可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，集中管理，集中存儲，調(diào)度共享等能力。一體化平臺是將網(wǎng)絡(luò)和信息，硬件和軟件，管理和維護(hù)的融合。概括來說，一體化平臺是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為依托，借助多種通信方式，采用縱向貫通，橫向集成的思路，整合內(nèi)部的信息，資源及應(yīng)用孤島，借助數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析、挖掘，并使用門戶軟件提供多渠道的內(nèi)容展示及提供集約化的管理維護(hù)協(xié)作平臺。一體化平臺采用基于面向服務(wù)(SOA)的技術(shù)架構(gòu)，利用TCP/IP，COM/DCOM組件技術(shù)，整合已有資源，打通應(yīng)用阻礙,實(shí)現(xiàn)信息共享、業(yè)務(wù)協(xié)同的能力。

圖7 車載數(shù)據(jù)無線下載維護(hù)終端界面

2 實(shí)車驗(yàn)證

經(jīng)過方案研究確定，在1臺HXD1D型機(jī)車上安裝了車載設(shè)備，并在附近運(yùn)用樓三樓安裝了地面電臺，對長度約250 m，寬度約50 m的整備場進(jìn)行了實(shí)測。

2.1 地面測試

通過自帶蓄電池供電的發(fā)射天線分別對整備場15個點(diǎn)位進(jìn)行了2.4 G頻段與5.8 G頻段地面測試。經(jīng)比較，5.8 G頻段帶寬最高速率達(dá)500 Mb/s，平均達(dá)到258.8 Mb/s,較2.4 G頻段時提升約223.5%，如圖8所示。

圖8 整備場點(diǎn)位測試速率情況

2.2 車地傳輸驗(yàn)證

通過數(shù)據(jù)集中管理與維護(hù)一體化平臺對裝有無線轉(zhuǎn)儲主機(jī)的機(jī)車進(jìn)行實(shí)車無線下載測試，1 G視頻容量下載時長為90 s，平均下載速率接近100 Mb/s。

3 結(jié) 論

利用車—地WIFI無線技術(shù)，采用圓極化天線及5.8 G 頻段，能獲得較2.4 G頻段高的多的無線傳輸速率及穩(wěn)定性，采用地面電臺級聯(lián)和MESH多跳技術(shù)能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域覆蓋。通過現(xiàn)場實(shí)踐，有效構(gòu)建了和諧型機(jī)車6A系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)儲方案，其覆蓋范圍及下載速率能滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。后期可通過數(shù)據(jù)采集方式、采用SATA端口克服USB限速瓶頸，能進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲效率、擴(kuò)展無線下載數(shù)據(jù)的范圍。