尹星、左元堃、劉祖聰、于浩

（青島地鐵運營有限公司，山東 青島 266000）

1 技術背景

車地上傳是一項使用計算機技術將列車關鍵信息發(fā)送至地面進行解析的技術，其中車指的是城軌車輛，通常以列為單元。地指的是地面用于數(shù)據(jù)接收與解析的工作站，通常部署在調度中心、運維中心等場所。上傳指的是列車數(shù)據(jù)發(fā)送至地面的過程，因地面工作站往往是一臺，在通信過程中擔任服務器角色，而列車數(shù)量為多列，擔任客戶端的角色，所以列車至地面的數(shù)據(jù)發(fā)送稱為上傳。

列車數(shù)據(jù)以列車通信網(wǎng)絡（TCN）上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為主，以青島地鐵2 號線電客車為例。列車通信網(wǎng)絡采用多功能車輛總線（MVB），MVB 硬件層及鏈路層遵循IEC61375 標準，列車各個系統(tǒng)間均使用MVB 進行數(shù)據(jù)交互，并具有良好的信號屏蔽，傳輸速率為1.5Mbit/s[1]，數(shù)據(jù)格式因機車廠與車型的不同均有差別，但所有MVB 數(shù)據(jù)均包含列車關鍵的運行信息，若MVB 網(wǎng)絡癱瘓則將直接導致列車無法正常運行。

由于MVB 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)具有重要意義，所以列車運行中就需要對其內容進行解析，常見的方法為使用司機顯示器（DDU），DDU 將MVB 中的故障數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)進行圖形化處理并顯示，司機通過DDU 內容可了解列車當前狀態(tài)。但這一方法存在局限性，列車相對于地面高速運動，運行距離較遠，且通常一列車配備一名司機，列車在正線運營過程中出現(xiàn)故障的概率較大，司機無法全面地了解列車狀態(tài)，所以在列車遇到突發(fā)情況時，司機處置往往無法做到迅速準確。車輛專業(yè)工程師也無法及時地了解車輛狀態(tài)，這樣就容易導致信息不對稱，延誤處置。

2 系統(tǒng)原理

2.1 車地上傳系統(tǒng)實現(xiàn)方式

列車控制與監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)主要對MVB 數(shù)據(jù)進行管理，人機交互仍通過DDU 進行，同時列車TCMS因穩(wěn)定性需要，性能受到限制，通常只處理列車運行邏輯，并對部分狀態(tài)量、模擬量進行監(jiān)控，想要實現(xiàn)列車MVB 數(shù)據(jù)全面監(jiān)控則需要引入一套獨立于列車控制系統(tǒng)的計算設備，該設備需要具備單向傳輸?shù)奶匦裕丛O備僅接受MVB 數(shù)據(jù)并不參與控制，這套計算設備可稱為服務器、工作站。

為了全面地掌握上線列車的運行狀態(tài)、所有列車數(shù)據(jù)應集中管理，處理數(shù)據(jù)的工作站設置在地面控制中心。但列車MVB 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過雙絞線傳輸，列車位置不固定，無法直連到地面，這就需要引入一種無線傳輸方式。過去射頻通信方式穩(wěn)定性較差，民用移動以太網(wǎng)帶寬不高，但隨著4G 等無線通信技術的普及，使用4G 技術實現(xiàn)高速、大帶寬以太網(wǎng)通信成為解決這一問題的最佳方案[2]。

2.2 車地上傳系統(tǒng)運行原理

實現(xiàn)車地上傳的第一步是建立MVB 與以太網(wǎng)的通道，青島地鐵2 號線列車使用信號系統(tǒng)網(wǎng)絡通道傳送數(shù)據(jù)，PIDS 系統(tǒng)MVB 板卡接入列車MVB 網(wǎng)絡，接收MVB 網(wǎng)絡上特定端口的數(shù)據(jù)。參考《列車控制監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)與乘客信息系統(tǒng)（PIS）通信接口協(xié)議》，2 號線PIDS 系統(tǒng)與TCMS 系統(tǒng)通信共使用18 個端口，端口地址詳見表1。

表1 TCMS 系統(tǒng)（CCU）與PIS 之間通信端口分配表

以0x0A0 端口為例，A0 端口數(shù)據(jù)長度為32 字節(jié)，輪詢周期為256 毫秒，輪詢周期決定數(shù)據(jù)的刷新速度。

A0 端口數(shù)據(jù)含義見圖1，此處注意區(qū)分數(shù)據(jù)類型，上表內字偏移指的是雙字偏移，雙字（WORD16）又稱DWORD，長度為兩個字節(jié)（BYTE），字偏移起始0，結束15，共16 個雙字，32 個字節(jié)。表中BitNo 為二進制偏移，一個雙字有16 個二進制位，每一位可表示不同的數(shù)據(jù)。高位在前二進制位偏移見表2。

圖1 TCMS 發(fā)送給PIS 數(shù)據(jù)圖

表2 二進制位偏移數(shù)據(jù)

通過二進制偏移可提取每個二進制位的含義，提取、存儲、分析數(shù)據(jù)的過程稱為數(shù)據(jù)的解析。在此之前MVB 板卡還需將數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)組合（打包）的過程由MVB 板卡內部程序負責，本文不再敘述。

MVB 板施工以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至車載信號交換機，交換機使用無線方式接入整個信號網(wǎng)絡，車地網(wǎng)絡通道拓撲圖2如下：

圖2 車地網(wǎng)絡通道拓撲圖

2.3 車地上傳系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

地面工作站通過解析軟件進行數(shù)據(jù)包解析，同時進行圖形化顯示與存儲。解析軟件主要實現(xiàn)以下幾個功能：

2.3.1 列車數(shù)據(jù)本地定義

解析軟件需要判斷數(shù)據(jù)來源，即列車號，通常使用兩個方式進行判斷，一是通過數(shù)據(jù)包內，MVB 總線上的ATC Train ID 數(shù)據(jù)進行判斷，二是通過來源IP地址進行判斷，列車數(shù)據(jù)包是以UDP 廣播的形式發(fā)送，接收端可識別到發(fā)送端的IP 地址通過IP 地址，可區(qū)分數(shù)據(jù)的來源。通過本地數(shù)據(jù)庫（SQLite）預先定義車號與IP 地址的關聯(lián)，解析軟件啟動后加載到內存鏈表內，在接收數(shù)據(jù)時按車號進行數(shù)據(jù)包分類。

2.3.2 關鍵字定義

解析軟件在接收到某一列車數(shù)據(jù)后，會對數(shù)據(jù)包進行解析，解析過程依賴數(shù)據(jù)位置與數(shù)據(jù)含義的對照關系，正如《列車控制監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)與乘客信息系統(tǒng)（PIS）通信接口協(xié)議》中定義的那樣，數(shù)據(jù)含義以端口、雙字偏移、位偏移共同組成。以門全關閉信號為例，該信號數(shù)據(jù)定義見圖3，數(shù)據(jù)解釋名為“1 車DIM1列車門全關閉狀態(tài)”，端口號為10，數(shù)據(jù)包狀態(tài)為1，雙字偏移為2，比特偏移為7，需要查詢“1 車DIM1 列車門全關閉狀態(tài)”這個狀態(tài)量時，可讀取端口10，第1狀態(tài)，第2 個雙字節(jié)的第7 個比特位，因為該數(shù)據(jù)是二進制存儲，1 代表有效，0 表示無效。

圖3 1 車DIM1 列車門全關閉狀態(tài)數(shù)據(jù)定義圖

如果該數(shù)據(jù)為故障數(shù)據(jù)，則需要特別表示以司機室多主控故障為例，該信號數(shù)據(jù)定義見圖4，0 或1 兩種狀態(tài)必須設定何為故障狀態(tài)，何為正常狀態(tài)，在本地數(shù)據(jù)庫中需要定義其故障標識位，F(xiàn)ault 字段為1 則表示數(shù)據(jù)為故障數(shù)據(jù)，F(xiàn)aultValue 為故障值亦為1，表示該數(shù)據(jù)為1 時故障，0 表示正常，沒有該故障。

圖4 司機室多主控故障數(shù)據(jù)定義圖

解析軟件啟動時加載關鍵字定義表到內存鏈表，在查找指定數(shù)據(jù)的值時，程序可通過解析名直接獲取。以獲取車號為例，調用find_target 函數(shù)，函數(shù)內部進行查表，如圖5所示。

圖5 find_target 函數(shù)程序示例圖

2.3.3 故障處理原理

在讀取關鍵字時，每種數(shù)據(jù)就可以根據(jù)Fault 值判斷是否為故障數(shù)據(jù)，以及判斷是否發(fā)生故障的FaultValue 數(shù)據(jù)。故障數(shù)據(jù)約為2000 個以上，每秒都會接收到列車數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小為520 字節(jié)，到達后逐位進行IF 判斷則會消耗大量性能。所以程序在加載時首先篩選全部故障數(shù)據(jù)的位置，并生成掩碼，在接收數(shù)據(jù)后首先將數(shù)據(jù)與掩碼進行與計算，剔除無用的數(shù)據(jù)位，隨后仍為1 的位與FaultValue 進行異或計算，從而篩選出有效的故障位。目前普遍采用的64 位CPU 與64 位系統(tǒng)可高效地進行故障判斷，一條運算指令可處理8 字節(jié)即4 個雙字，一個32 字節(jié)的端口數(shù)據(jù)最少執(zhí)行4 次就可以判斷是否存在故障，使用合理的算法提高了處理性能。隨后將故障顯示在界面上，并伴隨語音提示，同時將故障數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫內，此時SQLite 數(shù)據(jù)庫性能已無法滿足要求，需要使用性能更好的MySQL 數(shù)據(jù)庫，故障數(shù)據(jù)存儲后，程序實現(xiàn)了查詢接口，檢索歷史故障。

3 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)已在青島地鐵2 號線投入使用，車輛專業(yè)工程師可根據(jù)系統(tǒng)主界面顯示，獲取當日所有上線列車的運行狀態(tài)、當前故障等信息，主界面如圖6所示。當列車發(fā)生故障時，會觸發(fā)彈窗提醒工程師第一時間關注，縮短了故障信息以各種形式上報至車輛專業(yè)、乘務專業(yè)的時間。雙擊主界面可進入單列車界面，單列車界面可分類顯示列車各系統(tǒng)的故障、狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)主界面圖

4 結語

青島地鐵2 號線電客車通過運用車地上傳數(shù)據(jù)解析技術，將列車關鍵運行數(shù)據(jù)同步至地面終端，縮短了故障響應時間，提高了故障處置效率，驗證了該線路電客車向數(shù)字化、智能化運維過渡的可行性，為后續(xù)數(shù)據(jù)深度運用奠定基礎