于 健，姜 正，陳廣泰，杜海賓，曲長(zhǎng)萍

（中國(guó)中車(chē)股份有限公司 中車(chē)大連機(jī)車(chē)研究所有限公司，大連 116021）

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，軌道交通行業(yè)得到了迅速發(fā)展，基于各種需求的軌道交通車(chē)輛及車(chē)載設(shè)備的種類(lèi)和數(shù)量持續(xù)增加。這也使得軌道交道車(chē)輛與車(chē)載設(shè)備的保有量增加，相應(yīng)的運(yùn)用維護(hù)與運(yùn)行監(jiān)測(cè)變得異常艱難。同時(shí)，新興的智慧云交通、在線專(zhuān)家診斷和全壽命周期管理對(duì)軌道交通在線維護(hù)與監(jiān)控、車(chē)地實(shí)時(shí)信息交互等服務(wù)提出了更高的要求。這些需求直接推動(dòng)了車(chē)載無(wú)線通信技術(shù)的深入探索與相關(guān)設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，特別是5G 技術(shù)的研發(fā)成功與投入應(yīng)用，使得多種新型無(wú)線通信設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。但是，軌道交通行業(yè)作為一個(gè)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、較為封閉的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用還有待發(fā)展。文獻(xiàn)[1]基于通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)（GPRS）的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用GPRS 覆蓋范圍廣、低成本的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，但其較低通信速率已不能滿足運(yùn)用需求；文獻(xiàn)[2]的無(wú)線傳輸設(shè)備具有多種無(wú)線傳輸方式，但其高昂的硬件與通信成本及復(fù)雜的布線工序，直接阻礙了其大規(guī)模推廣；文獻(xiàn)[3]介紹的WLAN 優(yōu)化方法，暫未得到無(wú)線車(chē)地通信實(shí)踐驗(yàn)證。

本文基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、WLAN 和無(wú)線接入點(diǎn)（AP）的車(chē)載無(wú)線通信終端，設(shè)計(jì)了以高頻現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）搭載實(shí)時(shí)Linux 操作系統(tǒng)的核心控制器，結(jié)合通信控制技術(shù)，以滿足大數(shù)據(jù)下對(duì)于車(chē)地?cái)?shù)據(jù)交互的多連接、穩(wěn)定性和高效性的需求，為軌道交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)、運(yùn)用維護(hù)和整備檢修搭建了快捷便利的無(wú)線通道。

1 總體設(shè)計(jì)

該軌道交通車(chē)載無(wú)線通信終端主要由多模式無(wú)線車(chē)地交互模塊、WLAN 數(shù)據(jù)通信模塊、無(wú)線AP熱點(diǎn)接入模塊、主控模塊及對(duì)外接口組成，如圖1所示[3]。

圖1 車(chē)載無(wú)線通信終端組成

1.1 多模式無(wú)線車(chē)地交互模塊

該模塊用以實(shí)現(xiàn)軌道交通與地面的雙向?qū)崟r(shí)交互。設(shè)計(jì)有5G[4]、4G 和3G 無(wú)線通信模式的3 種無(wú)線傳輸制式，以及自適應(yīng)控制策略和手動(dòng)配置控制策略2 種通信控制策略。

主控部分能夠根據(jù)當(dāng)前所處環(huán)境的無(wú)線基站信號(hào)模式和強(qiáng)度狀態(tài)，選定與模塊內(nèi)部預(yù)設(shè)的無(wú)線通信模式相匹配且信號(hào)強(qiáng)度最好的無(wú)線基站進(jìn)行通信連接；當(dāng)通信連接成功后，則按照預(yù)設(shè)的無(wú)線通信控制策略（自適應(yīng)控制策略或手動(dòng)配置控制策略）實(shí)現(xiàn)控制模塊跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信模式，最終實(shí)現(xiàn)車(chē)地?cái)?shù)據(jù)的無(wú)線傳輸交互。

多模式無(wú)線車(chē)地交互模塊可用于完成對(duì)軌道交通實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括列車(chē)控制管理系統(tǒng)（TCMS）數(shù)據(jù)、列車(chē)運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）數(shù)據(jù)、機(jī)車(chē)車(chē)載安全防護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以及軌道交通維護(hù)性消息信息、故障信息等的無(wú)線傳輸和本地轉(zhuǎn)存功能。同時(shí)，模塊能夠接收、轉(zhuǎn)儲(chǔ)地面系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)起的無(wú)線傳輸指令和數(shù)據(jù)，為車(chē)載設(shè)備的地面監(jiān)測(cè)、軟件升級(jí)等提供通道，達(dá)到軌道交通與地面的雙向傳輸交互功能。

1.2 WLAN 數(shù)據(jù)通信模塊

該模塊能夠定時(shí)自動(dòng)檢索周?chē)h(huán)境中的WLAN信號(hào)[5]，與預(yù)先配置在系統(tǒng)內(nèi)部的WLAN 連接配置文件進(jìn)行匹配比較，匹配成功后將自動(dòng)進(jìn)行WLAN連接，連接成功后即可同該WLAN 中的任何主機(jī)進(jìn)行無(wú)線信息交互。模塊具有自學(xué)習(xí)功能，對(duì)于WLAN連接配置文件中不存在且連接成功的WLAN 信號(hào)，將自動(dòng)追加到配置文件中以備下次檢索連接[6]。

WLAN 數(shù)據(jù)通信模塊可用于軌道交通非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、消息事件、車(chē)載設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)記錄、日志文件等存儲(chǔ)量較大的數(shù)據(jù)的無(wú)線下載，以及軌道交通全壽命周期管理記錄文件、設(shè)備維護(hù)記錄文件等的無(wú)線上傳。

1.3 無(wú)線AP 熱點(diǎn)接入模塊

無(wú)線AP 熱點(diǎn)接入模塊能夠構(gòu)建基于無(wú)線傳輸方式的WLAN，為其它設(shè)備或用戶提供無(wú)線熱點(diǎn)接入服務(wù)，提供同一WLAN 內(nèi)的各個(gè)客戶端間的通信數(shù)據(jù)傳輸。該模塊作為無(wú)線通信服務(wù)器提供穩(wěn)定的Wi-Fi 信號(hào)，具備向WLAN 內(nèi)所有接入點(diǎn)提供基于動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）的IP 自動(dòng)分配服務(wù)。

該模塊能夠?yàn)槠湫盘?hào)覆蓋范圍內(nèi)的所有接入設(shè)備提供端到端的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互通道[7]，為地面人員進(jìn)行軌道交通車(chē)載設(shè)備快捷便利的整備檢修提供了新的方法。

此外，該模塊與多模式無(wú)線車(chē)地交互模塊結(jié)合使用，可以為任何接入該Wi-Fi 的局域網(wǎng)用戶提供穩(wěn)定快速的公網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)主要包括3 個(gè)部分，分別是系統(tǒng)主控部分實(shí)現(xiàn)、多模式車(chē)地?zé)o線交互實(shí)現(xiàn)、局域網(wǎng)連接服務(wù)實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)主控實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主控部分主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的系統(tǒng)維護(hù)、任務(wù)調(diào)度、資源管理、模式識(shí)別等功能，為整個(gè)軌道交通車(chē)載無(wú)線通信裝置提供快速穩(wěn)定的運(yùn)行平臺(tái)。

該部分采用基于Altera 系列FPGA 芯片作為主處理器，并搭載自剪裁Linux 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多模式車(chē)地?zé)o線通信模塊、WLAN 數(shù)據(jù)通信模塊、無(wú)線AP 熱點(diǎn)接入模塊、對(duì)外接口的初始化、通信支撐和調(diào)度控制[8]。

2.2 多模式車(chē)地?zé)o線交互實(shí)現(xiàn)

多模式車(chē)地?zé)o線交互模塊經(jīng)過(guò)系統(tǒng)主控初始化后，將分為自適應(yīng)控制策略和手動(dòng)配置控制策略?xún)蓚€(gè)不同的實(shí)現(xiàn)方式。多模式車(chē)地?zé)o線交互流程，如圖2 所示。

圖2 多模式車(chē)地?zé)o線交互流程

2.2.1 自適應(yīng)控制策略

自適應(yīng)控制策略會(huì)從當(dāng)前選定的無(wú)線基站，向無(wú)線通信模塊相匹配、網(wǎng)絡(luò)級(jí)別最高的無(wú)線通信模式跳轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)，若當(dāng)前選擇的無(wú)線通信模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信，則向次一級(jí)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信模式跳轉(zhuǎn)，即按照向下模式跳轉(zhuǎn)，包括5G 模式向4G 模式跳轉(zhuǎn)、4G 模式向3G 模式跳轉(zhuǎn)、5G 模式向3G 模式跳轉(zhuǎn)。同時(shí)也可按照向上模式跳轉(zhuǎn)，包括從3G 模式向4G 模式、4G 模式向5G 模式、3G向5G 模式。一般情況下，具備較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)模式的基站均兼容低級(jí)網(wǎng)絡(luò)模式，因此優(yōu)選使用向下模式跳轉(zhuǎn)。

2.2.2 手動(dòng)配置控制策略

手動(dòng)配置控制策略用以指定該模塊始終通過(guò)5G、4G 或3G 中的一種模式進(jìn)行無(wú)線通信。模塊將自動(dòng)識(shí)別用戶發(fā)送的手動(dòng)配置參數(shù)，匹配對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信模式，最終實(shí)現(xiàn)控制無(wú)線通信方式跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的無(wú)線通信模式。

2.3 WLAN 連接服務(wù)實(shí)現(xiàn)

WLAN 連接服務(wù)實(shí)現(xiàn)主要包括WLAN 無(wú)線數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)和無(wú)線AP 熱點(diǎn)的并行接入。下面分別給出2 種WLAN 連接和接入服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)流程。

2.3.1 WLAN 無(wú)線數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)

WLAN 無(wú)線數(shù)據(jù)通信流程，如圖3 所示。依托WLAN 零資費(fèi)、大寬帶、高速率、信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，借助完善的應(yīng)用層FTP、TCP/IP 等通信協(xié)議支撐，安全穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了機(jī)車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的大容量防護(hù)記錄數(shù)據(jù)的無(wú)線轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能、機(jī)車(chē)運(yùn)用維護(hù)記錄信息及運(yùn)行應(yīng)用軟件的上傳下載功能。

圖3 WLAN 無(wú)線數(shù)據(jù)通信流程

2.3.2 AP 熱點(diǎn)接入服務(wù)實(shí)現(xiàn)

AP 熱點(diǎn)接入服務(wù)流程，如圖4 所示。具備特定AP 熱點(diǎn)連接功能的設(shè)備可憑借有效的用戶名和連接秘鑰成功接入無(wú)線AP 服務(wù)，通過(guò)AP 服務(wù)提供的無(wú)線通信信道訪問(wèn)其它接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互功能。AP 熱點(diǎn)接入服務(wù)的應(yīng)用為無(wú)法安裝布置WLAN 的大容量數(shù)據(jù)無(wú)線轉(zhuǎn)儲(chǔ)提供了有效的鏈路支撐。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖4 AP 熱點(diǎn)接入服務(wù)流程

本設(shè)計(jì)將多種無(wú)線通信技術(shù)實(shí)際應(yīng)用到軌道交通車(chē)載設(shè)備中，具有無(wú)線通信方式的自動(dòng)切換和手動(dòng)切換功能[9]，為軌道交通數(shù)據(jù)的多方式分類(lèi)無(wú)線傳輸、軌道交通整備檢修維護(hù)、車(chē)地實(shí)時(shí)雙向交互搭建了重要的無(wú)線鏈接通道[10]。軌道交通車(chē)載無(wú)線通信終端可以連接或集成到其它車(chē)載設(shè)備，具有良好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景，目前，已經(jīng)在HXD2B 等軌道交通車(chē)輛使用，性能穩(wěn)定，可為同類(lèi)產(chǎn)品研發(fā)提供設(shè)計(jì)參考。