高速動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

黃志平,趙紅衛(wèi),朱廣超,張順廣,李 宇

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所,北京100081;2 上海鐵路局 合肥車(chē)輛段徐州地區(qū)驗(yàn)收室,江蘇徐州221000)

為滿(mǎn)足對(duì)運(yùn)行動(dòng)車(chē)組動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控、提供遠(yuǎn)程技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo),并即時(shí)組織維修的實(shí)際運(yùn)用需求,需要對(duì)動(dòng)車(chē)組的安全狀態(tài)與故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控,分析動(dòng)車(chē)組管理檢修運(yùn)用需求,需要將高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行途中的重要信息進(jìn)行記錄,并實(shí)時(shí)發(fā)送到地面。

將傳輸?shù)男畔⒎譃閯?dòng)態(tài)位置跟蹤信息、基本狀態(tài)信息和故障信息等。動(dòng)態(tài)位置跟蹤信息主要包括運(yùn)行動(dòng)車(chē)組的準(zhǔn)確位置,如經(jīng)緯度或線(xiàn)路公里標(biāo);基本狀態(tài)信息主要有速度、牽引、制動(dòng)、車(chē)門(mén)、軸溫等安全相關(guān)信息,以及空調(diào)、衛(wèi)生間等旅客服務(wù)設(shè)施狀態(tài)信息等;故障信息主要是在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)?、可獲取的故障事件以及其相關(guān)環(huán)境參數(shù),用于故障發(fā)生后支持車(chē)載故障的診斷、分析、排除及動(dòng)車(chē)組檢修。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)CRH3型動(dòng)車(chē)組列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工作原理,主要狀態(tài)與報(bào)警信息在列車(chē)WTB/MVB網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸,報(bào)警信息全部匯聚到列車(chē)司機(jī)顯示屏,供司控人員使用,因此,研制車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置,通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)獲取的有關(guān)牽引、制動(dòng)、供電、空調(diào)、車(chē)門(mén)等子系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)從司機(jī)顯示屏獲取的以故障代碼為索引的實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù),通過(guò)GPS功能模塊獲取列車(chē)位置信息,通過(guò)GPRS發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);研制地面數(shù)據(jù)接收處理軟件,用于數(shù)據(jù)的接收和提供用戶(hù)數(shù)據(jù)的查詢(xún)使用界面。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)與電源設(shè)計(jì)

圖1 CRH3型動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)箱一般是用金屬或塑料制成的,它支撐了設(shè)備的各個(gè)部件或板卡,避免了板卡直接裸露在外,起到了對(duì)板卡的防塵與機(jī)械保護(hù)作用;設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必然會(huì)發(fā)熱,若冷卻條件不好,可能會(huì)引起板卡過(guò)熱而不正常工作甚至燒毀,而機(jī)箱就是設(shè)備冷卻的重要部分,一個(gè)干凈、內(nèi)部寬敞、設(shè)計(jì)成功的機(jī)箱,有助于空氣在板卡與外界之間的空氣流動(dòng),能大幅度加快內(nèi)部板卡散熱,確保設(shè)備工作正常;另外,動(dòng)車(chē)組上高頻工作中的設(shè)備很多,相互之間的電磁干擾現(xiàn)象嚴(yán)重,好的機(jī)箱,是設(shè)備提高電磁兼容性能的第一道重要關(guān)卡和必要條件。

考慮到板卡研制的標(biāo)準(zhǔn)化、更換板卡的方便性以及機(jī)箱的可靠性,設(shè)計(jì)選用3U結(jié)構(gòu)的鋁合金機(jī)箱,其基本尺寸、導(dǎo)軌、板卡印刷電路板、連接器與背板按下面的3U機(jī)箱標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),重點(diǎn)考慮機(jī)箱的機(jī)械強(qiáng)度、散熱性能與電磁兼容性能。

電源是設(shè)備工作的動(dòng)力來(lái)源,同時(shí)還要適應(yīng)苛刻的車(chē)載供電條件,如電壓波動(dòng)大、突然斷電、負(fù)載變化大、發(fā)熱大等,電源設(shè)計(jì)不合理,可能由于供電電源不穩(wěn)定引起板卡不能工作或損壞板卡,還可能造成各種各樣比較隱蔽、難以復(fù)現(xiàn)排查的故障,使用戶(hù)形成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的印象,因此良好的電源設(shè)計(jì)是保證設(shè)備穩(wěn)定性和安全性的重要前提。

動(dòng)車(chē)組直流母線(xiàn)供電為DC110V,特設(shè)計(jì)兩級(jí)電源。第一級(jí)電源為DC110V/DC24V電源,將外界輸入直流電源轉(zhuǎn)換成常用直流工作電壓;第二級(jí)電源為各板卡以DC24V為輸入電壓,使用隔離電源模塊將電壓轉(zhuǎn)換成各元器件工作需要的電壓范圍,保證單個(gè)板卡的電源不正常不至于影響其他板卡的工作,有利于保護(hù)板卡和快速定位板卡故障。其中中央處理器單獨(dú)使用 DC110V/DC5V板卡,并增設(shè)掉電通知和延時(shí)保護(hù)功能。

2.2 中央處理器與操作系統(tǒng)

中央處理器是電子設(shè)備的核心,使用傳統(tǒng)的單片機(jī)已完全不能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、存儲(chǔ)和發(fā)送的需求,考慮到技術(shù)通用性,選擇工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)PC/104硬件架構(gòu),緊湊可靠,非常適合于空間有限的應(yīng)用環(huán)境,而且PC/104接口設(shè)備較多,可擴(kuò)展性好,即使系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)后,仍可擴(kuò)展或替換更多新的功能設(shè)備。選用PC/104工業(yè)級(jí)CPU,主頻為500 MHz,板載內(nèi)存為512 MB,板載存儲(chǔ)容量為1 GB,具備2路以太網(wǎng)接口與4路串口,并具備GPIO接口以擴(kuò)展LED燈用于系統(tǒng)工作狀態(tài)指示。

中央處理器采用QNX嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的API使它成為一個(gè)開(kāi)放式互聯(lián)系統(tǒng),便于與 UNIX/LINUX系統(tǒng)的移植。QNX有著不同于UNIX或LINUX的模塊化設(shè)計(jì)思想,并不是UNIX或LINUX的一種演化,而是完全不同的一種全新的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。由于其獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu),QNX廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人工程、工業(yè)控制、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。

系統(tǒng)本身運(yùn)行內(nèi)核很小,部署時(shí)將使用的資源按實(shí)際硬件配置優(yōu)化到最少,設(shè)計(jì)幾個(gè)主要的軟件模塊任務(wù),必要時(shí)通過(guò)消息隊(duì)列進(jìn)行進(jìn)程之間的通信,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可以隨時(shí)掉電而不會(huì)損壞系統(tǒng)本身。

2.3 MVB網(wǎng)絡(luò)通信

CRH3型高速動(dòng)車(chē)組使用了符合 TCN標(biāo)準(zhǔn)的WTB/MVB網(wǎng)絡(luò),為接收MVB網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù),需要設(shè)計(jì)與現(xiàn)有MVB網(wǎng)絡(luò)可以兼容進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)卡,為保證通信一致性與穩(wěn)定性,規(guī)避可能的風(fēng)險(xiǎn),特選用在CRH3型高速動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用的西門(mén)子MVB網(wǎng)卡,該網(wǎng)卡為PC/104結(jié)構(gòu),很方便的裝配在中央處理器上,實(shí)現(xiàn)MVB網(wǎng)絡(luò)通信。

2.4 實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸

為了保證管理運(yùn)用檢修部門(mén)及時(shí)掌握動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)、避免和防止重大安全事故,在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中,以GPRS方式將少量必要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到地面。GPRS提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。

當(dāng)發(fā)生車(chē)載受監(jiān)控設(shè)備工作異?；蚬收蠄?bào)警時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警實(shí)時(shí)發(fā)送機(jī)制,將此信息通過(guò)GPRS實(shí)時(shí)發(fā)送出去。信息內(nèi)容包含發(fā)生故障車(chē)次、列號(hào)、車(chē)號(hào)、故障發(fā)生時(shí)間、故障級(jí)別、故障代碼、故障相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時(shí),系統(tǒng)主機(jī)定時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)GPRS接口向地面發(fā)送各系統(tǒng)狀態(tài)信息和GPS定位信息,信息內(nèi)容還包括列車(chē)的車(chē)次、車(chē)廂號(hào)、車(chē)號(hào)、時(shí)間、監(jiān)測(cè)項(xiàng)類(lèi)型、監(jiān)測(cè)項(xiàng)狀態(tài)。

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理與呈現(xiàn)

采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)實(shí)時(shí)接收和全程記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、查詢(xún)、回放、分析等。在處理各種故障的時(shí)候通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)的對(duì)照,對(duì)以前的故障情況有全面的了解,更有利于對(duì)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行更深層次的跟蹤和動(dòng)態(tài)質(zhì)量控制。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu),是隨著Internet技術(shù)的興起,對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的一種變化或者改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下,用戶(hù)工作界面是通過(guò)WWW瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn),極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實(shí)現(xiàn),但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實(shí)現(xiàn),這樣就大大簡(jiǎn)化了客戶(hù)端電腦載荷,減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)的成本和工作量,降低了用戶(hù)的總體成本。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與軟件功能

3.1 車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置

CRH3型動(dòng)車(chē)組車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置采用42HP的標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱,共由5塊板卡構(gòu)成,從左至右分別是:WLAN板卡、CPU板卡、GPRS/GPS板卡、24 V 電源板卡和5 V電源板卡。如圖2所示。

圖2 車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置

CPU板卡是整個(gè)裝置的核心處理單元,該板卡擴(kuò)展有MVB網(wǎng)卡,通過(guò)MVB網(wǎng)卡從列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)上獲取當(dāng)前列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)信息,并集中管理調(diào)用GPRS、WLAN板卡的功能;GPRS和GPS功能集成在GPRS板卡,GPRS功能負(fù)責(zé)將列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到移動(dòng)公網(wǎng),GPS功能為系統(tǒng)提供列車(chē)的GPS定位、速度等信息;WLAN板卡在列車(chē)移動(dòng)至無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域后,建立無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)連接,可將動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至地面服務(wù)器。

裝置有4個(gè)輸入端口,分別為電源輸入端口、MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端口、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)端口、GPS天線(xiàn)端口。電源輸入端口為裝置提供DC110V電源;MVB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)端口主要接收在MVB網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)囊恍?shí)時(shí)數(shù)據(jù);以太網(wǎng)數(shù)據(jù)端口主要接收顯示屏上發(fā)送的動(dòng)車(chē)組故障信息;GPS天線(xiàn)端口為系統(tǒng)提供GPS天線(xiàn)信號(hào)。

裝置有 3個(gè)輸出端口,分別為GPRS天線(xiàn)端口、WLAN端口、USB端口。GPRS天線(xiàn)端口主要傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)故障信息;WLAN端口和USB端口主要用于下載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)故障信息及非實(shí)時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形成的文件,WLAN實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)下載,USB實(shí)現(xiàn)移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)的下載。

3.2 車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議與內(nèi)容

車(chē)載信息無(wú)線(xiàn)傳輸裝置對(duì)地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)滿(mǎn)足《CRH系列動(dòng)車(chē)組車(chē)載信息無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備技術(shù)條件(暫行)》(運(yùn)裝客車(chē)[2010]295號(hào))的相關(guān)要求,各類(lèi)型數(shù)據(jù)傳輸時(shí)機(jī)為實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)立即向地面?zhèn)鬏?實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔 ≤1 min;故障通報(bào)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔 ≤10 min;設(shè)備自診斷數(shù)據(jù)列車(chē)上電時(shí)發(fā)送。對(duì)所傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供緩存管理機(jī)制,緩存隊(duì)列中能夠保存200條數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)動(dòng)車(chē)組動(dòng)態(tài)監(jiān)控與故障檢修的要求,確定主要傳輸內(nèi)容見(jiàn)表1。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)與功能

系統(tǒng)地面軟件由數(shù)據(jù)接收軟件、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)、Web應(yīng)用程序組成。其中數(shù)據(jù)接收軟件負(fù)責(zé)與車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置通訊,通過(guò)Socket套接字方式接收車(chē)載設(shè)備發(fā)送的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)軟件將接收到的數(shù)據(jù)解碼經(jīng)過(guò)一定的邏輯處理后存入數(shù)據(jù)庫(kù);數(shù)據(jù)庫(kù)為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)服務(wù);Web服務(wù)作為Web應(yīng)用程序的內(nèi)容,為用戶(hù)通過(guò)Web應(yīng)用程序查詢(xún)數(shù)據(jù)提供服務(wù);Web應(yīng)用程序是系統(tǒng)主要的用戶(hù)接口,使得用戶(hù)能通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行狀況和故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析處理。地面服務(wù)器軟件工作流程見(jiàn)圖3。

表1 車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

圖3 地面服務(wù)軟件工作流程圖

3.3.1 列車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)

用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查看到當(dāng)前運(yùn)行動(dòng)車(chē)組的司機(jī)操作狀態(tài)、運(yùn)行位置、高壓、牽引、制動(dòng)、輔助、安全環(huán)、門(mén)、空調(diào)、照明等系統(tǒng)的主要參數(shù)(圖4)。

3.3.2 實(shí)時(shí)與歷史故障瀏覽

用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)查詢(xún)到未恢復(fù)/已恢復(fù)的故障、故障詳細(xì)描述、處置建議等,系統(tǒng)提供了按時(shí)間范圍、列車(chē)號(hào)、車(chē)輛號(hào)、故障代碼、故障級(jí)別、子系統(tǒng)、是否恢復(fù)、是否維修模式等條件進(jìn)行組合查詢(xún)(圖5)。

3.3.3 故障分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)

用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)按不同的條件查詢(xún)故障情況,得到故障分布圖、故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖等,進(jìn)一步摸清故障規(guī)律,有針對(duì)性地制訂故障處理策略(圖6)。

圖4 當(dāng)前司機(jī)操作狀態(tài)示意圖

圖5 網(wǎng)頁(yè)查詢(xún)示意圖

3.3.4 其他功能

用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè),查看動(dòng)車(chē)組全程運(yùn)行的位置及回放,還可以以直觀的圖形方式查看各類(lèi)數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)圖,包括速度、網(wǎng)壓、網(wǎng)流、牽引變壓器、變流器、電機(jī)等主要部件溫度等變化曲線(xiàn)(圖7)。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)與考核運(yùn)用

車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳輸裝置已通過(guò)電磁兼容檢測(cè)試驗(yàn)與絕緣、耐壓、高低溫、濕熱、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。在2009年CRH3型動(dòng)車(chē)組武廣線(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試試驗(yàn)中,系統(tǒng)為試驗(yàn)管理部門(mén)遠(yuǎn)程掌握試驗(yàn)動(dòng)態(tài)、動(dòng)車(chē)組故障情況提供了有效的監(jiān)控手段。

圖6 故障分布規(guī)律統(tǒng)計(jì)示意圖

圖7 歷史資料查詢(xún)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組開(kāi)行對(duì)數(shù)的不斷增加,動(dòng)車(chē)組的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、新技術(shù)裝備越來(lái)越多,對(duì)于動(dòng)車(chē)組管理運(yùn)用部門(mén)的故障檢修帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。本文所研究的高速動(dòng)車(chē)組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、成熟的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、實(shí)用的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),適用于CRH3型動(dòng)車(chē)組管理運(yùn)用檢修部門(mén),為提高檢修效率、抓好檢修質(zhì)量,保證動(dòng)車(chē)組的順利開(kāi)行,提供了完整的解決方案。