孫全濤 崔曉軍 杜振振 趙 欣 張乾乾 秦培斌

(中車四方車輛研究所有限公司， 266031， 青島∥第一作者， 工程師)

在城市軌道交通領(lǐng)域，車輛自身的自動(dòng)化、信息化已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，為智能運(yùn)維發(fā)展提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。智能運(yùn)維系統(tǒng)概念的出現(xiàn)，為高效的對(duì)車輛故障分析、故障預(yù)測(cè)進(jìn)行及時(shí)診斷提供了途徑。如對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合維修基地維修資源情況，給出合適的維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修[2]。

為滿足城市軌道交通智能運(yùn)維的數(shù)據(jù)需要，本文以城市軌道制動(dòng)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，以4G(第4代移動(dòng)通信技術(shù))或5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))為載體，討論解決車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸各環(huán)節(jié)相關(guān)問題，對(duì)數(shù)據(jù)收集的各環(huán)節(jié)相關(guān)策略進(jìn)行思考、實(shí)踐和分析。

車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)主要包括車載維護(hù)系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)收集、4G或5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)無線傳輸及地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)(見圖1)。在制動(dòng)系統(tǒng)的車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸中：由車載維護(hù)系統(tǒng)終端負(fù)責(zé)收集并打包全列車制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；由4G或5G網(wǎng)絡(luò)，按約定的無線通信協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸傳回地面數(shù)據(jù)中心；由地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算及數(shù)據(jù)分析。

1 車載維護(hù)系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)的收集

假設(shè)列車為6節(jié)編組，且每節(jié)車廂長(zhǎng)度約為25 m。在制動(dòng)系統(tǒng)中，每節(jié)車輛裝有1臺(tái)或2臺(tái)制動(dòng)控制裝置。設(shè)置于頭車和尾車的車載維護(hù)系統(tǒng)終端可通過CAN(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))總線或以太網(wǎng)來收集并匯總各制動(dòng)控制裝置的數(shù)據(jù)信息。

1) CAN方式。如圖2所示，CAN以總線形式貫穿全列車，每臺(tái)制動(dòng)控制裝置采用T型分支連接到CAN。CAN總線需滿足高速CAN 物理層規(guī)范ISO 11898-2要求[3]。CAN方式的通信波特率為250 kbit。在實(shí)際運(yùn)用中，CAN方式能可靠地以1幀/ms速度傳遞報(bào)文。通過CAN總線，車載維護(hù)系統(tǒng)終端可按照一定的時(shí)間周期獲取到每臺(tái)制動(dòng)控制裝置的內(nèi)部數(shù)據(jù)，形成有序和一定密度的數(shù)據(jù)。

圖1 車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸示意圖

圖2 CAN總線方案的T型網(wǎng)絡(luò)Fig.2 T network of CAN bus scheme

2) 以太網(wǎng)方式。列車以太網(wǎng)方式是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一[4]。目前，列車以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信采用的TRDP(列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)協(xié)議)由IEC 61375-2-3[5]定義。TRDP位于應(yīng)用層，處于以太網(wǎng)傳輸層之上。車載維護(hù)系統(tǒng)終端可通過列車以太網(wǎng)獲取到制動(dòng)控制裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)地址(IP)和網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識(shí)進(jìn)行特定系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集[4]。

2 數(shù)據(jù)的無線傳輸

目前數(shù)據(jù)的無線傳輸運(yùn)用4G或5G網(wǎng)絡(luò)[6]。在實(shí)際運(yùn)用中，CAN總線數(shù)據(jù)一般按照1 ms或2 ms的間隔對(duì)各CAN報(bào)文排隊(duì)調(diào)度發(fā)送。按最大的通信量需求，車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸能力要達(dá)到10 kB/s以上。此外，車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸要配合一定策略將數(shù)據(jù)全部傳回?cái)?shù)據(jù)中心，要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?shù)據(jù)密度的可分析性。

2.1 通信數(shù)據(jù)協(xié)議

對(duì)于城市軌道交通車地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的特定數(shù)據(jù)傳輸，4G或5G選用TCP/IP協(xié)議(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。在TCP/IP協(xié)議中，傳輸層選用TCP。車載維護(hù)系統(tǒng)終端將實(shí)時(shí)采集的制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以1 s為周期上傳到服務(wù)器。

如圖3所示，4G或5G的TCP/IP協(xié)議包含4個(gè)操作：

1) TCP連接服務(wù)器——終端通過TCP連接命令確認(rèn)與服務(wù)器通信網(wǎng)絡(luò)的可用性。

2) 設(shè)備握手——終端向服務(wù)器發(fā)送含有設(shè)備信息的簡(jiǎn)單報(bào)文，提前從應(yīng)用層快速確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的可用性，并通知服務(wù)器使之處于數(shù)據(jù)接收準(zhǔn)備狀態(tài)。

3) 數(shù)據(jù)發(fā)送——終端向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并獲得服務(wù)器確認(rèn)；否則本次發(fā)送失敗。

4) TCP斷開連接——設(shè)備的110 V電源斷電后，終端斷開與服務(wù)器連接。維護(hù)終端的非斷電情況數(shù)據(jù)發(fā)送完后，TCP不斷開保持長(zhǎng)連接。

圖3 4G或5G的TCP/IP協(xié)議操作Fig.3 TCP/IP protocol process of 4G or 5G

對(duì)于車載維護(hù)系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)中心采用的TCP通信，每次設(shè)備握手所發(fā)送的數(shù)據(jù)量和所需驗(yàn)證時(shí)間如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送密度

城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)故障分析往往對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送密度有一定的要求。如數(shù)據(jù)發(fā)送密度過低，則數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔過長(zhǎng)，無法準(zhǔn)確分析部分的閥故障或者其他電氣故障的原因。

為提高傳輸數(shù)據(jù)密度，現(xiàn)有通信方法往往追求極高的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率。這對(duì)地面數(shù)據(jù)中心的硬件性能和軟件性能有很高的要求。隨著列車的增多，地面數(shù)據(jù)中心的通信能力將很快達(dá)到飽和狀態(tài)。

表1 發(fā)送特定數(shù)據(jù)量和所需驗(yàn)證時(shí)間

針對(duì)這一問題，通過4G或5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)無線傳輸時(shí)，不再通過加快數(shù)據(jù)發(fā)送頻率來滿足數(shù)據(jù)密度的要求，而是將制動(dòng)控制裝置發(fā)送到車載維護(hù)系統(tǒng)的高密度數(shù)據(jù)以合理的數(shù)據(jù)排列形成較大數(shù)據(jù)包，并將此數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間周期間隔放緩至秒級(jí)。這樣不僅能滿足不丟包、高數(shù)據(jù)密度的要求，還能降低對(duì)地面數(shù)據(jù)中心硬件和軟件性能要求。車載維護(hù)系統(tǒng)將報(bào)文內(nèi)容以相同的時(shí)間周期進(jìn)行打包，并寫進(jìn)時(shí)間戳；內(nèi)部多包相同ID號(hào)的CAN數(shù)據(jù)給出排列序號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)的緩存與續(xù)傳

在地鐵4G網(wǎng)絡(luò)中，隧道內(nèi)往往存在通信信號(hào)弱或通信異常的情況，而各站點(diǎn)內(nèi)的通信卻能恢復(fù)正常。此時(shí)，需要采取一定措施，在不影響正常數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存及續(xù)傳處理。

當(dāng)4G網(wǎng)絡(luò)的無線通信數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)異常時(shí)，可先將收到的CAN或TRDP總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到車載維護(hù)系統(tǒng)終端內(nèi)部的大容量數(shù)據(jù)循環(huán)緩沖區(qū)域；當(dāng)與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)后，為不耽誤正常的數(shù)據(jù)發(fā)送，也為了將緩存的數(shù)據(jù)發(fā)回服務(wù)器，可在正常數(shù)據(jù)發(fā)送間隔中插空把緩存數(shù)據(jù)發(fā)回服務(wù)器。如表1所示，發(fā)送1次數(shù)據(jù)所需的驗(yàn)證時(shí)間為100 ms左右，足以插空補(bǔ)發(fā)送緩存數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)中心收到數(shù)據(jù)后，會(huì)按照數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排序。

若車載維護(hù)系統(tǒng)終端在較長(zhǎng)時(shí)間(如10 min)內(nèi)都無法與服務(wù)器建立有效通信連接，則終端循環(huán)存儲(chǔ)區(qū)域會(huì)將最新接收到的CAN總線或TRDP數(shù)據(jù)依次覆蓋舊數(shù)據(jù)，并將此異常事件寫入車載維護(hù)系統(tǒng)終端的日志系統(tǒng)中。在通信恢復(fù)后，車載維護(hù)系統(tǒng)終端只能發(fā)送當(dāng)前循環(huán)緩沖區(qū)域中的數(shù)據(jù)，而無法發(fā)送已被覆蓋的舊數(shù)據(jù)。車載維護(hù)系統(tǒng)終端收到的全部CAN總線或TRDP數(shù)據(jù)的副本會(huì)同步存儲(chǔ)在終端的SD卡(Secure Digital Memory Card)中。如需讀取丟失的數(shù)據(jù)，則可通過終端維護(hù)軟件讀出SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)處理。

2.4 數(shù)據(jù)安全性

數(shù)據(jù)安全性主要從兩個(gè)方面來保證：在網(wǎng)絡(luò)層，通過通信公司專設(shè)的隧道技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)；在應(yīng)用層采用對(duì)稱加密技術(shù)，由車載維護(hù)系統(tǒng)終端在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中使用加密算法，由地面數(shù)據(jù)中心在接收時(shí)進(jìn)行解密。

3 地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)

地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)過程如圖4所示。地面數(shù)據(jù)中心收到無線通信數(shù)據(jù)包后，可將數(shù)據(jù)包中的相關(guān)線路、車輛編號(hào)及設(shè)備等信息存入原始數(shù)據(jù)隊(duì)列中，繼而解析、存儲(chǔ)可按線路、車輛編號(hào)及設(shè)備等區(qū)分處理，便于后續(xù)數(shù)據(jù)運(yùn)用。

圖4 地面數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)過程Fig.4 Data analyzing and storage process of ground datacenter

原始數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖可通過緩存，以解決地面數(shù)據(jù)中心各個(gè)子系統(tǒng)的性能差異及延遲等問題。例如，通過Kafka分布式數(shù)據(jù)流處理系統(tǒng)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行緩存，可有效解決各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度差異及可靠性低等問題。

緩存后的數(shù)據(jù)可按需求解析成各物理量，也可直接按原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

不同線路、不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議往往存在差異性。為能夠在不同設(shè)備的不同協(xié)議下實(shí)現(xiàn)通用的數(shù)據(jù)解析和存儲(chǔ)，可通過建立數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)來承載各系統(tǒng)不同線路的數(shù)據(jù)協(xié)議，并將設(shè)備和數(shù)據(jù)協(xié)議用模型表示。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行解析時(shí)，可根據(jù)線路、車輛編號(hào)及設(shè)備去識(shí)別子系統(tǒng)中的協(xié)議模型，并按照協(xié)議模型的語言去解析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)通用性。

即便數(shù)據(jù)協(xié)議后期增加內(nèi)容，只要將拓展的數(shù)據(jù)協(xié)議和設(shè)備用模型來表示，就可以將增加的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析存儲(chǔ)。統(tǒng)一解析后的數(shù)據(jù)可按照時(shí)間序列進(jìn)行數(shù)據(jù)排列，為同一物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ群筒煌锢砹块g進(jìn)行橫向?qū)Ρ忍峁┝藭r(shí)間排列基礎(chǔ)。

人員對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)及相關(guān)故障分析可通過VPN(虛擬專用網(wǎng)絡(luò))技術(shù)訪問地面數(shù)據(jù)中心，再根據(jù)線路、車輛編號(hào)及設(shè)備等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控或?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看分析。

4 結(jié)語

本文基于城市軌道交通車輛的制動(dòng)系統(tǒng)，介紹了制動(dòng)系統(tǒng)車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?，分析了?shù)據(jù)傳輸各環(huán)節(jié)常見的問題，并給出了相應(yīng)解決辦法。車載維護(hù)系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)收集的CAN總線方案已在實(shí)際中裝車使用，驗(yàn)證了其有效性。針對(duì)無線通信數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)弱與數(shù)據(jù)密度問題，提出了通過合理的數(shù)據(jù)排列，將數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔放緩至秒級(jí)的解決辦法。地面數(shù)據(jù)中心應(yīng)按相關(guān)線路、車輛編號(hào)及設(shè)備等信息，通過數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)通用解析和存儲(chǔ)。