動(dòng)車組車載信息車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議集的設(shè)計(jì)

賈志凱，韓激揚(yáng)，呂 赫

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.鐵道部 運(yùn)輸局，北京 100844）

動(dòng)車組車載信息作為動(dòng)車組調(diào)度、檢修的重要依據(jù)和列車運(yùn)行狀況的第一手資料，實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨笠约暗孛婢C合應(yīng)用的需求十分迫切。因此，動(dòng)車組車載信息車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)于規(guī)范傳輸內(nèi)容，在制定統(tǒng)一接口的條件下，開(kāi)發(fā)研制適用于各種車型的標(biāo)準(zhǔn)化車載傳輸設(shè)備意義重大。

1 動(dòng)車組車地間數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容及流程

1.1 動(dòng)車組車地間數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容分類

車載信息傳輸方案的設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多渠道傳輸和車載無(wú)線設(shè)備與地面系統(tǒng)間的命令交換，通過(guò)GPRS/GSM-R實(shí)現(xiàn)部分車載重要信息的實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)車站無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的自動(dòng)非實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)有線以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)特殊情況下的人工轉(zhuǎn)儲(chǔ)。車載信息從數(shù)據(jù)運(yùn)用特點(diǎn)上看，可分為5類：

（1）實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)：對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行影響較大的故障，及相關(guān)重要環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)通過(guò)GPRS立即向地面發(fā)送。

（2）實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)：描述全列動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)，包括公共基礎(chǔ)信息，關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)和客服設(shè)施工作狀態(tài)信息等。通過(guò)GPRS定時(shí)向地面發(fā)送。

（3）實(shí)時(shí)故障通報(bào)數(shù)據(jù)：描述全列動(dòng)車組故障信息，包括動(dòng)車組當(dāng)前存在故障的故障代碼及故障位置。通過(guò)GPRS定時(shí)向地面發(fā)送。

（4）非實(shí)時(shí)運(yùn)用數(shù)據(jù)：用于列車運(yùn)行趨勢(shì)分析、故障分析和規(guī)律發(fā)現(xiàn)。包括實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)，采樣密度較大的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)故障通報(bào)數(shù)據(jù)，自診斷和日志數(shù)據(jù)。列車到站或進(jìn)入檢修庫(kù)后，通過(guò)WLAN或有線以太網(wǎng)傳輸。

（5）自診斷與日志數(shù)據(jù)：主要用于車載設(shè)備和地面系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)。包括：車載設(shè)備開(kāi)機(jī)，自檢情況，實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)連接和傳輸情況，非實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)連接和傳輸情況，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)情況，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的接口狀態(tài)，地面命令接收和處理情況等。列車在線運(yùn)行時(shí)通過(guò)GPRS定時(shí)發(fā)送。列車到站或進(jìn)入檢修庫(kù)后，通過(guò)WLAN和有線以太網(wǎng)傳輸。

車地間通信技術(shù)方案滿足動(dòng)車組動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控、對(duì)運(yùn)行動(dòng)車組提供遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持和故障應(yīng)急指導(dǎo)的需要；滿足列車運(yùn)行趨勢(shì)分析、故障分析和規(guī)律發(fā)現(xiàn)的需要；滿足車載無(wú)線設(shè)備與地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運(yùn)維的需要。

1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程

由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸使用的中國(guó)移動(dòng)通信GPRS業(yè)務(wù)屬于Internet網(wǎng)，信息需要進(jìn)入鐵路TMIS內(nèi)部網(wǎng)，之間存在網(wǎng)絡(luò)安全隱患，為此需要通過(guò)鐵道部公共信息安全平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的檢查，經(jīng)安全檢查后使用MQ轉(zhuǎn)發(fā)至動(dòng)車組車載信息數(shù)據(jù)通訊服務(wù)器，然后根據(jù)配屬信息和各鐵路局的實(shí)際需求，采用權(quán)限控制的方式為不同用戶提供個(gè)性化信息服務(wù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖

1.3 非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸流程

動(dòng)車組車載信息中的非實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)量大，但實(shí)時(shí)性要求不高，主要用于故障分析，指導(dǎo)檢修作業(yè)。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可采用WLAN完成數(shù)據(jù)下載。動(dòng)車組到達(dá)檢修庫(kù)后：（1）通過(guò)檢修庫(kù)架設(shè)的WLAN網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)下載到檢修庫(kù)文件服務(wù)器。（2）動(dòng)車基地和運(yùn)用所數(shù)據(jù)自動(dòng)下載程序，立即將數(shù)據(jù)下載到本地雙機(jī)服務(wù)器。（3）數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入程序?qū)⑦^(guò)程數(shù)據(jù)解壓和解碼，導(dǎo)入客車運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以供地面專家系統(tǒng)使用。（4）動(dòng)車基地（運(yùn)用所）服務(wù)器Web信息管理信息系統(tǒng)可以通過(guò)與地面專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口將其分析后的故障信息以Web形式發(fā)布，同時(shí)將相應(yīng)的故障記錄向鐵路局和鐵道部轉(zhuǎn)發(fā)，下載數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2。

在動(dòng)車基地和運(yùn)用所部署的地面專家系統(tǒng)軟件對(duì)非實(shí)時(shí)下載數(shù)據(jù)進(jìn)行回放和二次診斷，并將結(jié)果顯示在屏幕上，動(dòng)車基地（運(yùn)用所）安全監(jiān)控專職人員可以查詢故障信息，并可以通過(guò)打印機(jī)輸出故障報(bào)表，指導(dǎo)檢修作業(yè)。各級(jí)監(jiān)控中心通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)可以遠(yuǎn)程查詢故障信息，并可以獲得全面的報(bào)表支持。

2 動(dòng)車組車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸方式，采用通用的建模方法設(shè)計(jì)了動(dòng)車組車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方案，并通過(guò)嚴(yán)密、科學(xué)的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行嚴(yán)格的分析、驗(yàn)證、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)。本協(xié)議所涉及的內(nèi)容如表1。

車載信息數(shù)據(jù)通信協(xié)議是為了車載無(wú)線傳輸設(shè)備與地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而制定的一系列規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)和約定。為保障車地間通信能安全、高效的進(jìn)行，車載信息數(shù)據(jù)通信協(xié)議考慮了5方面內(nèi)容。

2.1 車地間通信協(xié)議所提供的服務(wù)內(nèi)容

該協(xié)議分為2個(gè)部分：（1）通過(guò)GPRS傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議。（2）通過(guò)WLAN傳輸?shù)姆菍?shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

表1 車地間信息傳輸通信協(xié)議內(nèi)容

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的目的是：在滿足接入鐵路信息安全平臺(tái)的技術(shù)要求下，支持車載無(wú)線傳輸設(shè)備與地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)間以字節(jié)流的形式雙向傳輸數(shù)據(jù)和命令信息。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的目的是：在適應(yīng)車站和檢修庫(kù)內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)接入的條件下，支持車載設(shè)備與地面數(shù)據(jù)采集設(shè)備間以字節(jié)流的形式雙向傳輸數(shù)據(jù)和命令[1]，所有信息都包含2個(gè)部分：數(shù)據(jù)部分和控制部分。

2.2 車地間通信環(huán)境

該協(xié)議的執(zhí)行環(huán)境分為2部分：（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信環(huán)境。（2）非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信環(huán)境。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信環(huán)境的特點(diǎn)是，車載無(wú)線傳輸設(shè)備處于高速移動(dòng)狀態(tài)，在滿足接入鐵路信息安全平臺(tái)的技術(shù)要求下采用GPRS傳輸具有較大的不穩(wěn)定性；車地間需長(zhǎng)期保持連接且中間環(huán)節(jié)眾多；部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容重要程度高，需確保地面及時(shí)獲取并專門處理。

非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信環(huán)境的特點(diǎn)是：地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器位置不固定，無(wú)固定IP地址；車站和檢修庫(kù)內(nèi)無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀況復(fù)雜，需加強(qiáng)訪問(wèn)控制和權(quán)限管理；車地間數(shù)據(jù)通信量大，且隨時(shí)有異常中斷可能。

2.3 車地間通信協(xié)議中事件的定義

車地間通信協(xié)議應(yīng)兼容4種動(dòng)車組車型車載信息，對(duì)種類繁多的車載信息和車地交互命令進(jìn)行整合和簡(jiǎn)化，根據(jù)數(shù)據(jù)類別的不同定義多種事件，提高協(xié)議可靠性和穩(wěn)定性。根據(jù)車地通信內(nèi)容，將車載信息分為：車對(duì)地?cái)?shù)據(jù)內(nèi)容信息，車對(duì)地通報(bào)信息，車對(duì)地命令回執(zhí)信息；地對(duì)車故障確認(rèn)信息，地對(duì)車命令信息，地對(duì)車無(wú)線局域網(wǎng)接入信息等。

2.4 車地間傳輸信息的報(bào)文格式

所有信息都包含2個(gè)部分：（1）控制字段。（2）數(shù)據(jù)字段。

控制字段用來(lái)區(qū)分消息的類型，數(shù)據(jù)字段用來(lái)表示某一車型列車的狀態(tài)信息或所要執(zhí)行的具體命令?？刂谱侄涡枰贫ㄈ方y(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，使協(xié)議具有一致性。數(shù)據(jù)字段格式設(shè)計(jì)需要兼容不同動(dòng)車組車載信息原有定義，集成不同類型的數(shù)據(jù)內(nèi)容，使協(xié)議具有通用性[2]。

2.5 車地間交換信息的過(guò)程規(guī)則

車地間交換信息的過(guò)程規(guī)則包括：GPRS傳輸通信規(guī)則和WLAN傳輸通信規(guī)則。需要4種動(dòng)車組車型使用統(tǒng)一的通信規(guī)則，并保證該規(guī)則的規(guī)范性。本設(shè)計(jì)通過(guò)采用形式化模型技術(shù)對(duì)車地間通信的過(guò)程規(guī)則進(jìn)行描述，建立車地間信息交互的狀態(tài)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)模型，使協(xié)議的驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)過(guò)程系統(tǒng)化、自動(dòng)化。形式化模型技術(shù)的主要特點(diǎn)是使協(xié)議過(guò)程規(guī)則的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證形式化[3]。其目的是以嚴(yán)密的方式漸進(jìn)地構(gòu)建出整個(gè)通信協(xié)議過(guò)程規(guī)則，通過(guò)一致性檢測(cè)、故障模型、協(xié)議實(shí)體交互時(shí)序性分析等過(guò)程，保證通信協(xié)議過(guò)程規(guī)則的健壯性和一致性。

3 結(jié)束語(yǔ)

在充分考慮調(diào)度部門和檢修單位的業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合車載信息的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了動(dòng)車組車載信息車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議方案，該協(xié)議明確了服務(wù)內(nèi)容、通信環(huán)境的假設(shè)、通信協(xié)議中事件的定義、車地間交換信息的過(guò)程規(guī)則、車地間傳輸信息的報(bào)文格式等內(nèi)容，為動(dòng)車組車載信息車地間數(shù)據(jù)傳輸明確了標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的技術(shù)條件。根據(jù)該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在統(tǒng)一的接口條件下，不同的設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)了適用于不同型號(hào)動(dòng)車組的標(biāo)準(zhǔn)化車載傳輸設(shè)備，并已經(jīng)裝車使用，取得了良好的使用效果。

[1] 龐麗萍，田亞敏，李勝利，韓宗芬. 硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)的通信協(xié)議[J]. 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2000（4）.

[2] Salkintzis A.K., Fors C., Pazhyannur R.WLAN-GPRS integration for next-generation mobile data networks.Wireless Communications[C]. IEEE, 2002（10）.

[3] 王建國(guó)，吳建平. 基于擴(kuò)展有限狀態(tài)機(jī)的協(xié)議測(cè)試集生成研究[J]. 軟件學(xué)報(bào)，2001（8）.