劉玲娜，龐明瀟，王甜甜

（1.青島地鐵集團(tuán)有限公司工程建設(shè)分公司，山東青島 266000；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，山東青島 266000；3.青島市運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，山東青島 266000）

0 引言

無(wú)線傳輸裝置（WTD）是列車(chē)控制及監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將車(chē)輛MVB 總線上的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車(chē)載PIS 視頻攝像機(jī)至少一路視頻流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到地面智能運(yùn)維系統(tǒng)，并負(fù)責(zé)解碼、統(tǒng)計(jì)、分析展示等，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)全面監(jiān)控，提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)的可靠性及安全性[1-2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

國(guó)內(nèi)某地鐵列車(chē)控制及監(jiān)控系統(tǒng)在頭尾車(chē)各安裝一臺(tái)無(wú)線傳輸裝置，車(chē)載系統(tǒng)主要包括車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其他車(chē)載子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。無(wú)線傳輸裝置依靠以太網(wǎng)獲取列車(chē)上各個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)地面PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）的無(wú)線傳輸通道上傳車(chē)輛數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

無(wú)線傳輸裝置通過(guò)MVB 接口接入到MVB 總線，實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)；通過(guò)一路以太網(wǎng)接口接入到車(chē)載PIDS 系統(tǒng)的交換機(jī)，實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛攝像頭的視頻流數(shù)據(jù)；通過(guò)一路以太網(wǎng)接口接入到以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)，實(shí)時(shí)獲取子系統(tǒng)的健康管理數(shù)據(jù)；通過(guò)一路以太網(wǎng)接口接入到地面PIS 系統(tǒng)車(chē)載交換機(jī)，通過(guò)地面PIS 系統(tǒng)的無(wú)線傳輸通道上傳車(chē)輛數(shù)據(jù)。

車(chē)輛段智能運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)地面PIS 系統(tǒng)接收無(wú)線傳輸裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車(chē)載PIS 視頻攝像機(jī)至少一路視頻流數(shù)據(jù)（具體視通信帶寬多少而定，一般一路720 p 視頻流占用2 Mbps），并負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、分析、展示等。

3 無(wú)線傳輸裝置功能模塊

無(wú)線傳輸裝置的功能模塊如圖2 所示。

圖2 無(wú)線傳輸裝置功能模塊

3.1 電源模塊

采用110 V 高可靠車(chē)載隔離電源模塊，外部電源輸入范圍為-30%～+25%，要求具有極高的轉(zhuǎn)換效率與良好的熱設(shè)計(jì)，電源連接器選用三芯航空插頭。

3.2 儲(chǔ)能模塊

配置板載儲(chǔ)能模塊，當(dāng)外部輸入電源斷電時(shí)，能短暫維持整機(jī)工作。當(dāng)整機(jī)功耗低于40 W 時(shí)，輸入電源斷電后整機(jī)供電能維持時(shí)間至少5 s。

3.3 視頻采集處理模塊

視頻采集處理模塊主要用于列車(chē)音視頻信息采集、處理和傳輸。將車(chē)輛基本狀態(tài)信息疊加到音視頻信息上，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺(tái)，方便地面工作人員對(duì)車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全性。

3.4 MVB 通信功能

支持至少500 個(gè)MVB通信端口數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)采集；MVB通信一致性測(cè)試滿足：GB/28029.2—2011/IEC61375 -2《2007 牽引電氣設(shè)備列車(chē)總線第2 部分：列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)一致性測(cè)試》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。

3.5 安全網(wǎng)關(guān)模塊

車(chē)載系統(tǒng)在車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，設(shè)計(jì)以下安全通信機(jī)制，保證數(shù)據(jù)通信可靠性。車(chē)載設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸軟件層面對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行校驗(yàn)及加密處理，地面數(shù)據(jù)解析需要對(duì)數(shù)據(jù)包會(huì)進(jìn)行多層校驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)包有效性，無(wú)效消息不予理會(huì)，直接丟棄處理。車(chē)地通信方式為單向主動(dòng)通信方式，不支持地面遠(yuǎn)程端主動(dòng)發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，只做遠(yuǎn)程單向傳輸監(jiān)控，不做遠(yuǎn)程控制?？筛鶕?jù)實(shí)際需求，選擇配置無(wú)線通信安全板卡模塊作為車(chē)地通信網(wǎng)關(guān)單元，具有安全防護(hù)功能，提供相應(yīng)的安全機(jī)制，實(shí)現(xiàn)車(chē)地之間的隔離，保護(hù)車(chē)輛的網(wǎng)絡(luò)安全。至少包含以下功能：

（1）設(shè)備接入控制。DHCP 白名單：只對(duì)指定MAC 地址的客戶端設(shè)備分配IP；設(shè)置靜態(tài)路由表：指定目的地的報(bào)文將按照指定路徑轉(zhuǎn)發(fā)；端口映射功能：使Wi-Fi 連接外網(wǎng)設(shè)備可以訪問(wèn)指定的內(nèi)網(wǎng)設(shè)備端口；ARP 防護(hù)配置靜態(tài)ARP 表：綁定IP 地址和MAC 地址的映射關(guān)系。

（2）IP 包過(guò)濾。支持訪問(wèn)安全板卡的IP 包的進(jìn)出站過(guò)濾；支持經(jīng)過(guò)安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的IP 包的出站過(guò)濾；支持IP 包的進(jìn)出站默認(rèn)策略，包括禁止和允許；支持針對(duì)IP 包的源地址、目的地址、源端口、目的端口和協(xié)議類(lèi)型進(jìn)行包過(guò)濾。

（3）攻擊防護(hù)。流量統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)進(jìn)過(guò)安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的上下行流量，形成分析報(bào)告，支持導(dǎo)出。支持設(shè)置單IP 的最大并發(fā)會(huì)話數(shù)，防止大量非法連接產(chǎn)生時(shí)影響網(wǎng)絡(luò)的性能。防DoS 攻擊：包括防icmp flood 攻擊、udp flood 攻擊、tcp syn flood 攻擊和icmp 洪水。支持自動(dòng)檢測(cè)和記錄TCP、UDP 端口掃描，自動(dòng)阻止惡意掃描的IP 訪問(wèn)本機(jī)服務(wù)。

3.6 大容量存儲(chǔ)模塊

在具有以太網(wǎng)信息采集的功能需求時(shí)，設(shè)備可支持至少0.5 TB 大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用于存儲(chǔ)包括以太網(wǎng)離線數(shù)據(jù)文件在內(nèi)的文件存儲(chǔ)。

3.7 CPU 模塊

CPU 芯片選用高性能處理器，主頻至少1.8 GHz，運(yùn)行內(nèi)存2 GB；CPU 板上需具有三路以太網(wǎng)接口，擁有一路千兆以太網(wǎng)口，可完成接入到以太網(wǎng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集記錄存儲(chǔ)、功能維護(hù)使用；支持2 路USB 接口；板卡構(gòu)成整機(jī)功能具備：通過(guò)MVB接口和以太網(wǎng)接口，從MVB 總線和以太網(wǎng)總線上獲取列車(chē)各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)，并對(duì)收集各子系統(tǒng)狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合、清洗預(yù)處理后，完成數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)同時(shí)，借助PIS傳輸通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線上傳。采集頻率可達(dá)100 ms 級(jí)，可滿足基于通信總線全量數(shù)據(jù)端口采集上傳功能；采用基于TCP 的車(chē)內(nèi)以太網(wǎng)采集及車(chē)地通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持?jǐn)嗑W(wǎng)重?fù)?、斷網(wǎng)重連、丟包重傳機(jī)制，保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息車(chē)地傳輸可靠性。

4 智能運(yùn)維傳輸帶寬

4.1 TCMS 系統(tǒng)MVB 總線數(shù)據(jù)

TCMS 系統(tǒng)車(chē)輛數(shù)據(jù)主要是列車(chē)MVB 總線上各子系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)以及報(bào)警狀態(tài)、旁路狀態(tài)、緊急制動(dòng)狀態(tài)等信息。需要下傳的基于列車(chē)MVB 通信總線數(shù)據(jù)量約為2 kB，以500 ms 數(shù)據(jù)傳輸頻率上傳數(shù)據(jù)?？紤]到無(wú)線傳輸鏈路可能存在不穩(wěn)定性，系統(tǒng)支持丟包數(shù)據(jù)重發(fā)策略。綜合以上所需建議傳輸帶寬至少為256 kbps。

4.2 各子系統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

（1）車(chē)門(mén)系統(tǒng)。一列車(chē)掛載6 個(gè)設(shè)備，且相互獨(dú)立，每個(gè)設(shè)備需要的帶寬是500 kbps，6 個(gè)設(shè)備需要的總帶寬3 Mbps。車(chē)門(mén)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見(jiàn)表1。

表1 車(chē)門(mén)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（2）空調(diào)系統(tǒng)。一列車(chē)掛載6 個(gè)設(shè)備，且相互獨(dú)立，每個(gè)設(shè)備需要的帶寬是5 kbps，6 個(gè)設(shè)備需要的總帶寬是30 kbps?？照{(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見(jiàn)表2。

表2 空調(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（3）PIS 系統(tǒng)。一列車(chē)掛載2 個(gè)設(shè)備，相互冗余，每個(gè)設(shè)備需要的帶寬是1 kbps，2 個(gè)設(shè)備需要的總帶寬是2 kbps。PIS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見(jiàn)表3。

表3 PIS 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（4）制動(dòng)系統(tǒng)。一列車(chē)掛載4 個(gè)設(shè)備，相互冗余，每個(gè)設(shè)備需要的帶寬是40 kbps，4個(gè)設(shè)備需要的總帶寬是160 kbps。制動(dòng)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見(jiàn)表4。

表4 制動(dòng)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

綜合上述，各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸所需的最大總帶寬峰值為3.448 Mbps。考慮后期數(shù)據(jù)獲取量增多的可能，建議單臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸整體帶寬需求至少滿足4 Mbps。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究分析，確定了城市軌道交通車(chē)輛無(wú)線傳輸裝置無(wú)線傳輸裝置系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容、功能模塊和傳輸帶寬，并成功應(yīng)用，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及老舊線路系統(tǒng)改造具有一定的指導(dǎo)意義。