矯德余，石 勇，張增一

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，大連 116000）

車地無線傳輸系統(tǒng)將軌道交通車輛的運行狀態(tài)信息和故障信息通過無線的方式傳遞到運營監(jiān)控中心，并對信息進行分析處理，實現(xiàn)對車輛運行狀況的跟蹤及故障報警預警等[1]。通過數(shù)據(jù)的積累，逐步建立起完整的車輛運營、檢修、故障履歷數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘，提供車輛維修與快捷服務的決策支持，有效實現(xiàn)車輛維護信息化、現(xiàn)代化[2]。

通常新建車輛段都會把車地無線傳輸系統(tǒng)作為必選項進行建設，但是對于已運營較長時間的老舊車輛段，車地傳輸系統(tǒng)的增改建難度較大。以某城軌車輛段為例進行車地無線傳輸系統(tǒng)的需求分析、方案設計、施工建設、系統(tǒng)測試和實踐應用評估，綜合解決老舊車輛段增建車地無線傳輸系統(tǒng)的問題，具有現(xiàn)實的指導意義。

1 需求分析

1.1 城軌車輛網絡控制系統(tǒng)

城軌車輛網絡控制系統(tǒng)負責對車輛牽引、制動、輔助供電、車門、空調等系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、診斷以及運行數(shù)據(jù)的記錄，是城軌車輛的“大腦和神經”[3]，五節(jié)編組城軌車輛網絡控制系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

圖1 城軌車輛網絡拓撲 Figure 1 System topology of urban rail vehicle

該城軌車輛網絡控制系統(tǒng)采用多功能車輛總線(簡稱MVB總線)，中央控制單元(CCU)通過MVB總線對牽引控制單元(TCU)、制動控制單元(BCU)、人機接口(HMI)等進行控制和管理。同時，接入MVB網絡的還有數(shù)據(jù)記錄單元(DRU)和乘客計數(shù)系統(tǒng)(PCS)。數(shù)據(jù)記錄單元負責對車輛運行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)進行實時判斷和記錄存儲[4]；乘客計數(shù)系統(tǒng)負責統(tǒng)計上下乘客數(shù)量以及計算總載客量并記錄[5]。數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計數(shù)系統(tǒng)分別連接無線通信模塊，具備無線通信能力。

1.2 城軌車輛段布局

所選城軌車輛段是一個運用多年的老段，車輛段布局如圖2所示。B1是一座二層維修車間兼辦公樓，樓內有兩條維修線位于A1區(qū)域，樓內二樓有一間機房R1。B2是一座二層小水房。A2區(qū)域是并排5車道室外停車場，可同時停靠10輛城軌車輛。A3區(qū)域是一座半封閉式車站。

圖2 城軌車輛段布局 Figure 2 Layout of an urban rail depot

1.3 車地無線傳輸系統(tǒng)需求

在機房R1內布置服務器，用于與車輛數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計數(shù)系統(tǒng)進行通信、接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)存儲。

地面布置無線基站至少覆蓋A1、A2和A3區(qū)域，保證服務器通過基站可與車輛建立穩(wěn)定連接。車輛在A1和A2區(qū)域停車時能夠將車輛數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計數(shù)系統(tǒng)內數(shù)據(jù)全部傳輸至地面服務器，車輛經過區(qū)域A3時能將故障數(shù)據(jù)傳輸至服務器。

在無線基站覆蓋區(qū)域內的工作人員可通過筆記本電腦或者手機連接訪問服務器數(shù)據(jù)。

2 方案設計

2.1 無線基站安裝位置的選擇

根據(jù)以上用戶需求，選擇3個無線基站安裝位置，如圖3所示。

圖3 無線基站位置 Figure 3 Position of wireless module

P1點位于維修車間樓頂，由于位置較高區(qū)域開闊，可覆蓋較大的室外區(qū)域；P2點位于水房樓頂，可覆蓋車站和室外停車場區(qū)域；P3布置于維修車間內立柱上方，用于覆蓋維修車間內部區(qū)域。通過現(xiàn)場分析，建設3個無線基站將覆蓋整個車輛段區(qū)域并保證穩(wěn)定連接，基本覆蓋情況如圖3所示。

2.2 拓撲結構

根據(jù)無線點位的選擇，設計車地無線傳輸系統(tǒng)拓撲結構如圖4所示。

圖4 車地無線傳輸系統(tǒng)拓撲圖 Figure 4 Topology of train-ground wireless transmission system

服務器、交換機和光電轉換器等安裝于機房之內，通過機房內配電箱進行供電。P1點位于維修車間樓頂，跟機房距離較近，通過網線與機房內交換機S1相連，并從機房配電箱供電；P2點位于水房樓頂，由于距離機房較遠，在地下管廊布置光纖與機房內交換機S1通過光電轉換器連接，遵照就近原則從水房配電箱給無線模塊供電；P3布置于維修車間內部，安裝于車間立柱上，并經車間頂部線架布置光纖與機房內交換機S1通過光電轉換器連接，從車間內部配電箱給無線模塊供電。

2.3 設備選型

設備選型要滿足當?shù)刈匀粭l件要求，包括溫濕度、海拔、車輛段市電供應等。同時無線傳輸模塊要求支持IEE802.11a/b/g協(xié)議和HTTP、HTTPS、UDP等通信協(xié)議，可以實現(xiàn)車地無線傳輸系統(tǒng)與車載數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計數(shù)系統(tǒng)的正常通信。

2.4 參數(shù)設計

根據(jù)車地無線傳輸系統(tǒng)需求和拓撲結構，進行車地無線傳輸系統(tǒng)參數(shù)設計。車載無線模塊設置為客戶端路由模式，20列車的車載設備DRU地址設置為 192.168.1.5經路由轉換為 111.222.333.1～111.222.333.20，設備PCS地址設置為192.168.1.9經路由轉換為111.222.333.101～111.222.333.120；地面無線模塊設置為無線訪問接入點模式(即AP模式)，IP地址分別設置為111.222.333.241～111.222.333.243，信道選擇1、6、11，實現(xiàn)重疊覆蓋互不干涉；服務器IP設置為111.222.333.240，通過交換機與地面無線模塊連接；無線訪問終端通過無線網絡訪問時設置為IP自動獲取模式，系統(tǒng)將自動為訪問者分配IP地址，可同時支持20個終端訪問，地址111.222.333.201～111.222.333.220；所有無線設備的服務集標識SSID和訪問密碼統(tǒng)一。詳細參數(shù)配置如圖5所示。

圖5 參數(shù)配置圖 Figure 5 Parameters of the system

3 設備安裝及測試

3.1 設備安裝

現(xiàn)場施工完成設備安裝及布線，3個點位如圖6所示。

圖6 無線模塊天線 Figure 6 Antenna of wireless module

3.2 信號強度測試

為測試信號覆蓋強度，選擇關鍵位置測試點進行信號強度測試，如圖7所示。在維修車間內部最遠處選擇T1和T2點以測試車間內部信號強度，在室外停車場最邊緣選擇T3、T4和T5點以測試室外信號強度，在車站選擇T6點以測試車輛信號強度。所選擇的測試點位為最極端位置，能夠充分反映信號覆蓋情況。

圖7 測試點選取 Figure 7 Selection of test points

根據(jù)以上測試點位選擇，進行信號強度測試，測試結果顯示，所有點位信號強度均能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸需要，圖8、圖9和圖10分別顯示了T2、T3、T4點位測試曲線。

圖8 信號強度測試結果(T2點)Figure 8 Reports of signal intensity test (Point T2)

圖9 信號強度測試結果(T3點)Figure 9 Reports of signal intensity test (Point T3)

圖10 信號強度測試結果(T4點)Figure 10 Reports of signal intensity test (Point T4)

3.3 終端訪問測試

分別通過筆記本電腦和智能手機連接無線網絡，并進行訪問測試，系統(tǒng)能夠進行正常的數(shù)據(jù)傳輸和圖形顯示，完全能夠滿足應用需要，筆記本電腦端和手機端顯示畫面如圖11、12所示。

圖11 電腦端訪問頁面 Figure 11 Data shown through computer

3.4 應用

通過需求分析、方案設計、現(xiàn)場設備安裝及調試后，所設計的車地無線傳輸系統(tǒng)正式投入使用。車輛入庫或經過無線模塊覆蓋區(qū)域時，車輛能夠與服務器自動建立連接，并進行數(shù)據(jù)傳輸。經過統(tǒng)計，某城軌車輛由始發(fā)站運行至終點站的記錄數(shù)據(jù)為50 MB左右，車輛經過附近站臺的停車時間為30～40 s，車輛?？空九_時即可將運行數(shù)據(jù)全部傳輸至地面服務器，途徑附近站臺而不?？康能囕v入庫時可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而完全替代了人工下載數(shù)據(jù)的方式，效益明顯。

圖12 手機端訪問頁面 Figure 12 Data shown through telephone

4 結論

對已運營多年的某快軌車輛段增設車地無線傳輸系統(tǒng)的需求進行了深入分析，充分考慮車輛段現(xiàn)狀的基礎上詳細設計了適合該車輛段應用的車地無線傳輸系統(tǒng)方案，對設備安裝和布線施工后，進行了信號強度和數(shù)據(jù)通信測試。測試結果表明所設計的車地無線傳輸系統(tǒng)能夠滿足用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求。該車地無線傳輸系統(tǒng)已成功應用于車輛的日常車輛數(shù)據(jù)下載、運行維護及車輛故障診斷等，該項目的實施對于老舊車輛段車地無線傳輸系統(tǒng)增改建具有重要的指導意義。