STP系統(tǒng)車載站場數(shù)據(jù)無線換裝方案

王浩然，唐匯東，任宛星，馮軍

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 北京華鐵信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

目前，無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)（STP）已在全路廣泛應(yīng)用，對保障調(diào)車機(jī)車作業(yè)安全、防止調(diào)車事故發(fā)生、規(guī)范調(diào)車作業(yè)安全管理發(fā)揮了重要作用。隨著我國鐵路的快速發(fā)展，線路改造升級日益增多，站場數(shù)據(jù)的換裝工作量越來越大，已逐漸成為制約STP系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。

1 現(xiàn)狀分析

STP系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)安全的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，通過地面設(shè)備獲得集中聯(lián)鎖車站調(diào)車作業(yè)相關(guān)的信號機(jī)、道岔、軌道電路信息，通過車載設(shè)備獲得機(jī)車定位、機(jī)車工況信息。將這些信息與STP系統(tǒng)的站場數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，完成對調(diào)車作業(yè)車列前端、后端位置的連續(xù)跟蹤。通過列車運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ），實(shí)現(xiàn)對調(diào)車機(jī)車信號顯示和車列速度的監(jiān)控[1]。系統(tǒng)車地間采用無線通信方式，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。

STP系統(tǒng)站場數(shù)據(jù)需要與站內(nèi)鐵路運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)保持高度一致，包括站場的信號機(jī)、道岔、軌道電路、點(diǎn)式應(yīng)答定位器、進(jìn)路，以及與站場調(diào)車作業(yè)相關(guān)特殊控制點(diǎn)的位置、距離、限速等信息，其作為STP系統(tǒng)控制運(yùn)算的基礎(chǔ)，直接決定了站場圖顯示和系統(tǒng)防護(hù)功能。一旦站場相關(guān)信息發(fā)生變動，則站場數(shù)據(jù)也需同步進(jìn)行更改。根據(jù)《無線調(diào)車機(jī)車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》（運(yùn)基信號〔2004〕73號）的要求，要實(shí)現(xiàn)STP系統(tǒng)的全部功能，需要在STP系統(tǒng)的地面設(shè)備和車載設(shè)備分別存儲站場數(shù)據(jù)。如果站場數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則需要對地面設(shè)備和車載設(shè)備的站場數(shù)據(jù)進(jìn)行同步升級。其中地面設(shè)備固定在信號機(jī)械室中，由STP系統(tǒng)廠家人員直接進(jìn)行換裝，升級方便。而車載設(shè)備安裝在機(jī)車上，換裝時(shí)需要電務(wù)車載人員逐車進(jìn)行操作。由于機(jī)車數(shù)量眾多，而且作業(yè)區(qū)域并不完全固定，現(xiàn)場為了方便管理，對車載站場數(shù)據(jù)一般采用段一級進(jìn)行統(tǒng)一換裝，例如成都電務(wù)段，有大約70臺安裝STP系統(tǒng)的機(jī)車，假設(shè)每年有3個(gè)站進(jìn)行聯(lián)鎖改造，則1年需要210次車載站場數(shù)據(jù)換裝作業(yè)，工作量很大。為降低車載站場數(shù)據(jù)換裝壓力，現(xiàn)場也有按照調(diào)車機(jī)車作業(yè)線路進(jìn)行統(tǒng)一換裝的，但該方法要嚴(yán)格控制調(diào)車機(jī)車的作業(yè)區(qū)域，對現(xiàn)場的機(jī)車調(diào)度管理要求較高，不好卡控，容易出現(xiàn)遺漏。

圖1 STP系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

另一方面的問題是換裝結(jié)束后缺乏有效的版本校核手段。當(dāng)STP系統(tǒng)的地面和車載站場數(shù)據(jù)版本不一致時(shí)，系統(tǒng)不能立即提示司機(jī)或停用STP系統(tǒng)，可能導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)站場圖顯示混亂、距離不準(zhǔn)甚至信號升級等嚴(yán)重問題。

2 解決方案

為減少STP系統(tǒng)車載站場數(shù)據(jù)的換裝工作量，加強(qiáng)地面、車載站場數(shù)據(jù)的版本校核管理，提出在不增加硬件的情況下，采用優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)壓縮和安全通信協(xié)議等技術(shù)手段，利用既有STP地面設(shè)備和機(jī)務(wù)段STP出入庫檢測系統(tǒng)，通過無線通道與STP車載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，對車載設(shè)備的站場數(shù)據(jù)進(jìn)行自動校核、自動升級和版本卡控。交互過程中采用斷點(diǎn)續(xù)傳及MD5校驗(yàn)技術(shù)。通過STP系統(tǒng)的上位機(jī)（電務(wù)終端和車務(wù)終端）完成換裝過程的實(shí)時(shí)跟蹤和銷記管理，實(shí)現(xiàn)車載站場數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、可靠的無線換裝[2]。

2.1 技術(shù)手段

由于既有STP系統(tǒng)無線通道只能是數(shù)傳電臺或GSM-R系統(tǒng)，其自身9 600/19 200 b/s的通信帶寬成為整個(gè)無線換裝方案的速度瓶頸，而車載站場數(shù)據(jù)是以站場為單位進(jìn)行劃分，對于規(guī)模大的站場，需要描述的設(shè)備數(shù)量較多，文件較大，通過無線通道進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝所需時(shí)間很長。因此必須考慮盡量減少通信的數(shù)據(jù)量，降低換裝的通信耗時(shí)，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠?/p>

2.1.1 數(shù)據(jù)優(yōu)化

為減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?nèi)容，通過對車載站場數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，只對發(fā)生變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。將站場數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)內(nèi)容的屬性進(jìn)行細(xì)粒度的分塊劃分，拆分為多個(gè)子區(qū)塊，例如信號機(jī)區(qū)塊、軌道電路區(qū)塊、道岔區(qū)塊、定位器區(qū)塊、限速區(qū)塊、表示信息區(qū)塊、距離區(qū)塊、進(jìn)路區(qū)塊等，拆分示例見圖2。進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝時(shí)，車載設(shè)備先將自身數(shù)據(jù)中各區(qū)塊數(shù)據(jù)的校核碼發(fā)給地面，地面設(shè)備將接收到的校核碼和本地保存的發(fā)布版本的數(shù)據(jù)校核碼進(jìn)行比對，標(biāo)記出發(fā)生變化的區(qū)塊信息，生成1個(gè)差異區(qū)塊信息列表，作為后續(xù)針對此機(jī)車進(jìn)行無線換裝的增量升級信息。換裝時(shí)只需對這些增量信息進(jìn)行上傳，提高了升級效率。

圖2 站場數(shù)據(jù)拆分示例

2.1.2 數(shù)據(jù)壓縮

為降低車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ帕?，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包采用壓縮技術(shù)。數(shù)據(jù)壓縮是為了減少數(shù)據(jù)占用的空間，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為比原始數(shù)據(jù)更加緊湊格式的過程。如果通過解壓縮重建的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)始終完全相同，對應(yīng)的壓縮算法為無損壓縮算法。否則，就是有損壓縮算法[3]。對STP系統(tǒng)必須選用無損壓縮，考慮到STP系統(tǒng)車載設(shè)備作為嵌入式系統(tǒng)，相對而言CPU速度不高，內(nèi)存偏小，最終選用miniLZO數(shù)據(jù)壓縮算法。作為一種輕量級的壓縮和解壓縮庫，其編譯后的庫小于5 kb，占用內(nèi)存少，解壓速度快。在本方案中，地面設(shè)備需要先將上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后發(fā)給車載設(shè)備，車載設(shè)備解壓恢復(fù)完整數(shù)據(jù)后再進(jìn)行更新。系統(tǒng)中地面設(shè)備的硬件配置比車載設(shè)備要高很多，而車載設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)性要求很高，因此應(yīng)盡量減少車載解壓縮計(jì)算的資源消耗。miniLZO高速的解壓和很低的資源占用正好滿足車載設(shè)備需求。

2.1.3 安全通信協(xié)議

由于無線通信在空中容易遭受同頻信號干擾、信道監(jiān)聽等[4]影響，造成信息泄露和丟失，而車載站場數(shù)據(jù)的重要性要求必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、真?shí)、可靠。在此借鑒EN 50129標(biāo)準(zhǔn)[5]中有關(guān)防護(hù)措施與危險(xiǎn)源應(yīng)對關(guān)系（見表1）的方法，設(shè)計(jì)STP系統(tǒng)車地?zé)o線換裝安全通信協(xié)議。針對在無線數(shù)據(jù)換裝過程中可能出現(xiàn)的信息重復(fù)、丟失、亂序、損壞等錯(cuò)誤進(jìn)行防護(hù)[6]，本協(xié)議采用序列號、時(shí)間戳、超時(shí)、源和目的標(biāo)識檢查、安全碼與加密等技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全的信息傳輸功能。

安全通信協(xié)議包含如下信息：

（1）序列號：在車地通信協(xié)議中設(shè)置1個(gè)字節(jié)的序列號，標(biāo)明當(dāng)前通信的通信序號。每完成1次成功的運(yùn)行周期則通信序號加1。

（2）時(shí)間戳：數(shù)據(jù)傳輸過程中的信息交互都與時(shí)間相關(guān)，若超過500 ms，則接收方將信息做失效處理。

（3）超時(shí)：系統(tǒng)的通信周期為500 ms，當(dāng)接收方收到信息后立即給發(fā)送方發(fā)送回執(zhí)信息。如果發(fā)送方發(fā)送和收到回執(zhí)的時(shí)間間隔超過500 ms，則將做失效處理。

表1 防護(hù)措施與危險(xiǎn)源應(yīng)對關(guān)系

（4）信息幀：設(shè)置源地址和目的地址。源地址用于標(biāo)識地面設(shè)備，1個(gè)場至多有1個(gè)地面設(shè)備，所以用地面設(shè)備所在站代號和場代號表示（4個(gè)字節(jié)）。目的地址就是機(jī)車的機(jī)車號（3個(gè)字節(jié)）。

（5）反饋信息：發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)中帶有信息標(biāo)識碼，接收方收到后，會將此標(biāo)識碼返回給發(fā)送方，發(fā)送方收到這個(gè)標(biāo)識碼才確認(rèn)接收方接收成功，否則需重新發(fā)送。

（6）安全碼：采用糾錯(cuò)技術(shù)以提高傳輸質(zhì)量，在協(xié)議中采用32位CRC循環(huán)編碼，目的是檢測出信息中的錯(cuò)誤，以保證信息的完整性。

（7）加密技術(shù)：系統(tǒng)根據(jù)自身的軟硬件需求，選用合適的密匙和算法技術(shù)，可有效防止開放式傳輸系統(tǒng)內(nèi)的信息泄露。

協(xié)議幀格式見表2。

2.2 站內(nèi)無線換裝

STP系統(tǒng)車載站場數(shù)據(jù)站內(nèi)無線換裝分為4個(gè)階段：版本校核、準(zhǔn)備傳輸、文件傳輸、傳輸完成。無線換裝流程見圖3，詳細(xì)步驟如下：

（1）版本校核。站場改造時(shí)，STP系統(tǒng)廠家將地面設(shè)備中的站場數(shù)據(jù)更換為發(fā)布版本的站場數(shù)據(jù)文件。此文件將作為對車載設(shè)備進(jìn)行無線換裝的站場數(shù)據(jù)源。地面設(shè)備將該站場數(shù)據(jù)版本信息以廣播方式發(fā)送給站內(nèi)所有安裝STP系統(tǒng)的機(jī)車。機(jī)車收到后進(jìn)行版本核對，如果發(fā)現(xiàn)不一致，則提示司機(jī)，并退出STP系統(tǒng)安全防護(hù)狀態(tài)，此時(shí)機(jī)車進(jìn)入準(zhǔn)備傳輸階段。

表2 協(xié)議幀格式 byte

（2）準(zhǔn)備傳輸。機(jī)車要根據(jù)當(dāng)前站場機(jī)車情況、無線通信狀況向地面設(shè)備發(fā)送請求升級信息。請求升級信息包含機(jī)車自身站場數(shù)據(jù)的各子區(qū)塊信息的校驗(yàn)碼。地面設(shè)備收到后將其與本地存儲的站場數(shù)據(jù)源區(qū)塊信息校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，整理出需要進(jìn)行數(shù)據(jù)升級的差異化區(qū)塊信息列表并保存。待后續(xù)合適時(shí)機(jī)由地面設(shè)備發(fā)起對該機(jī)車的數(shù)據(jù)升級作業(yè)，進(jìn)入文件傳輸階段。

（3）文件傳輸。根據(jù)地面設(shè)備之前保存的針對該機(jī)車的車載站場數(shù)據(jù)差異化區(qū)塊信息表，地面設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的升級數(shù)據(jù)區(qū)塊大小及其偏移量給車載設(shè)備。車載設(shè)備根據(jù)這些信息，檢查自身存儲空間和系統(tǒng)狀態(tài)是否正常并返給地面設(shè)備。如果返回信息不正常，地面設(shè)備記錄故障碼，退出本次換裝；如果正常，則開始發(fā)送各差異化區(qū)塊信息包。發(fā)送時(shí)地面設(shè)備需對信息包進(jìn)行miniLZO壓縮。車載設(shè)備收到地面設(shè)備發(fā)來的信息后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性校驗(yàn)，并將校驗(yàn)結(jié)果返給地面設(shè)備。同時(shí)車載設(shè)備將收到的信息進(jìn)行解壓縮并緩存。地面設(shè)備根據(jù)返回的校驗(yàn)結(jié)果決定是否發(fā)送下一包或重發(fā)上一包。依此類推，直至所有差異化區(qū)塊信息發(fā)送完畢。如果通信過程中出現(xiàn)異常，導(dǎo)致多次重發(fā)失敗，地面設(shè)備自動退出本次數(shù)據(jù)換裝過程。

（4）傳輸完成。當(dāng)文件傳輸結(jié)束時(shí)，車載設(shè)備需對接收的整個(gè)文件進(jìn)行MD5校驗(yàn)[7]，與地面設(shè)備發(fā)送的MD5碼進(jìn)行比對，確認(rèn)升級后的文件和地面設(shè)備是否一致。如果不一致，則認(rèn)為此次升級失敗，需要后續(xù)合適時(shí)機(jī)再次進(jìn)行升級；如果校驗(yàn)一致，則向地面設(shè)備發(fā)送傳輸完成應(yīng)答包，完成數(shù)據(jù)換裝過程。車載設(shè)備加載更新后的站場數(shù)據(jù)，恢復(fù)STP系統(tǒng)正常防護(hù)功能。

2.3 庫內(nèi)無線換裝

對于在機(jī)務(wù)段的機(jī)車STP系統(tǒng)，由于和站場地面設(shè)備無法建立無線通信連接，可利用既有安裝在機(jī)務(wù)段的STP出入庫檢測系統(tǒng)完成車載站場數(shù)據(jù)的無線換裝。首先將發(fā)布版本的站場數(shù)據(jù)同步到STP出入庫檢測系統(tǒng)中。當(dāng)機(jī)車準(zhǔn)備出庫，到達(dá)機(jī)車出入庫線時(shí)，通過STP出入庫檢測系統(tǒng)對車載設(shè)備的站場數(shù)據(jù)進(jìn)行版本校核，如果不一致則進(jìn)行無線數(shù)據(jù)換裝。出入庫檢測系統(tǒng)模擬STP系統(tǒng)地面設(shè)備，通過無線方式與車載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成車載站場數(shù)據(jù)升級。整個(gè)過程和站內(nèi)無線換裝類似，完成后，通過STP出入庫檢測系統(tǒng)的版本校核功能進(jìn)行確認(rèn)。

圖3 數(shù)據(jù)無線換裝流程

2.4 過程卡控

（1）當(dāng)STP系統(tǒng)車載設(shè)備和地面設(shè)備的站場數(shù)據(jù)版本不一致時(shí)，需要確保機(jī)車不會進(jìn)入STP防護(hù)模式。

（2）當(dāng)車載設(shè)備和地面設(shè)備正在進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝時(shí)，需要明確提示司機(jī)“當(dāng)前系統(tǒng)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝”，防止司機(jī)誤認(rèn)為是STP系統(tǒng)故障。

（3）在文件傳輸階段，如果因某些原因（信號遮擋、距離過遠(yuǎn)、設(shè)備故障等）導(dǎo)致車地通信中斷，待下次無線數(shù)據(jù)通信恢復(fù)時(shí)，為確保STP系統(tǒng)車地?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定、高效的傳輸，需采用斷點(diǎn)續(xù)傳技術(shù)，即通信中斷時(shí)車載設(shè)備會將已收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行本地緩存。當(dāng)車載設(shè)備再次進(jìn)入準(zhǔn)備換裝階段，會將已收到數(shù)據(jù)包相關(guān)信息發(fā)送給地面設(shè)備。地面設(shè)備根據(jù)這些信息繼續(xù)從斷點(diǎn)處發(fā)送剩余數(shù)據(jù)內(nèi)容。

（4）如果在傳輸過程中出現(xiàn)一些嚴(yán)重問題，例如通信突然中斷、數(shù)據(jù)塊的MD5校驗(yàn)錯(cuò)誤等，導(dǎo)致此次無線換裝失敗，系統(tǒng)會記錄此故障碼，并結(jié)束本次換裝工作，改為對下1臺機(jī)車進(jìn)行換裝。采用輪詢方式，直至其他機(jī)車都輪詢1遍，再重新對換裝失敗的機(jī)車進(jìn)行換裝，避免因?yàn)?臺機(jī)車換裝失敗而影響對其他機(jī)車的數(shù)據(jù)換裝作業(yè)。

（5）在STP系統(tǒng)的上位機(jī)可查看機(jī)車當(dāng)前使用的站場數(shù)據(jù)版本、是否和地面站場數(shù)據(jù)的版本一致、是否正在進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝、換裝所處階段、換裝預(yù)估完成時(shí)間等，方便相關(guān)人員了解當(dāng)前機(jī)車的數(shù)據(jù)換裝狀況，盡量降低對現(xiàn)場機(jī)車作業(yè)的影響。同時(shí)系統(tǒng)能夠統(tǒng)計(jì)每次換裝耗時(shí)、累計(jì)換裝次數(shù)、已完成和未完成數(shù)據(jù)換裝的所有機(jī)車信息，方便電務(wù)人員查閱、統(tǒng)計(jì)、銷號。如果換裝失敗也要記錄失敗原因、失敗次數(shù)。如果多次換裝不成功，則需要電務(wù)維護(hù)人員對該機(jī)車進(jìn)行人工換裝以完成換裝銷記。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)場反映強(qiáng)烈的STP系統(tǒng)車載站場數(shù)據(jù)換裝作業(yè)和管理問題，提出一種低成本的車載站場數(shù)據(jù)無線換裝方案，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對無線換裝方案全過程進(jìn)行模擬測試。對于規(guī)模大的站場，單臺機(jī)車的整個(gè)換裝時(shí)間控制在6 min內(nèi)，能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。與傳統(tǒng)依靠人工上車進(jìn)行數(shù)據(jù)換裝相比，大大減少了工作量，杜絕了數(shù)據(jù)換裝常見的錯(cuò)換、漏換問題，消除了車地?cái)?shù)據(jù)版本不一致導(dǎo)致的安全隱患，為調(diào)車安全、可靠作業(yè)提供了有力保障。