基于自組網(wǎng)的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)研究

鄧亞波，林 磊，徐富宏

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著鐵路運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，在鐵路干線電力牽引運行中，單臺機車牽引運力往往不能滿足運輸?shù)囊?，因此需要采用多機牽引的方式完成運輸任務[1]。多機牽引模式分為遠距離（如1+1、2+2等）和近距離（2+0、3+0等）兩種模式[2-3]。其中近距離模式普遍采用硬線重聯(lián)編組的方式（如WTB硬線重聯(lián)），運用過程中存在人工摘掛效率低、易引發(fā)人身安全事故、帶寬有限、在需經(jīng)常插拔的運用場景下可靠性低等問題。近年也有采用WiFi技術的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)裝車試用，但為了保證系統(tǒng)冗余性，需增加成倍設備，有待優(yōu)化升級。

自組網(wǎng)技術具有自組織、去中心化、多跳、自感知及自決策[4]等特點。美國的先進戰(zhàn)術通信系統(tǒng)（Ad Hoc）作為自組網(wǎng)的原型，早已成為美國軍用電臺的必備功能。2000年，Ad Hoc技術轉(zhuǎn)為民用，又稱之為Mesh技術。2006年IEEE發(fā)布了802.11SMesh標準。目前自組網(wǎng)技術在公安執(zhí)法、森林防火、搶險救災、軍隊演練、反恐特勤、地下作業(yè)等領域有著廣泛的應用，也在軌道交通的應急通信等領域開始測試及應用[5]。本文基于自組網(wǎng)技術設計了一套機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)，以便在不增加設備的同時，進一步提高機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)的冗余性，同時提高系統(tǒng)的抗干擾性。

1 機車無線重聯(lián)

以HXD1C型電力機車為例，單臺機車的網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)如圖1所示。單臺機車運行時，機車操控指令主要由網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的數(shù)字量輸入輸出模塊（DXM）、模擬量輸入輸出模塊（AXM）等進行采集，經(jīng)車輛控制模塊（VCM）邏輯處理后發(fā)送給牽引控制單元（TCU）及制動控制單元（BCU）等執(zhí)行；各動作單元的狀態(tài)信息也被反饋至VCM模塊，并通過顯示器（IDU）為乘務員提供機車運行狀態(tài)信息顯示。

圖1 單臺六軸電力機車的網(wǎng)絡拓撲Fig.1 Network topology of a six-axis electric locomotive

關于多臺機車重聯(lián)運行，國際標準IEC TR 61375-2-7（Edition 1.0 2014-04）Electronicrailway equipment-Traincommunicationnetwork(TCN)-Part2-7:WirelessTrainBackbone定義了列車通信網(wǎng)絡的3種主干網(wǎng)（WTB, ETB, WLTB），通過主干網(wǎng)可實現(xiàn)軌道交通領域通用的開式列車中各個車輛的協(xié)同操作[6]。圖2示出基于IEC 61375標準的列車通信主干網(wǎng)框架。

圖2 列車通信主干網(wǎng)Fig.2 Train communication backbone network

無線通信方式下的列車通信網(wǎng)絡應用場景為無線列車骨干網(wǎng)（WLTB），主要解決列車自身不能通過有線方式實現(xiàn)重聯(lián)、改造成本有限、車輛組成長度超過有線方式的最大允許長度或列車間需要靈活編組等問題。如配備LocotrolDP或RDP系統(tǒng)的牽引機車，采用電臺、GSM-R及LTE專網(wǎng)等無線通信方式，實現(xiàn)分布式動力系統(tǒng)操控命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，或直接相連的多臺機車利用WiFi等無線通信方式實現(xiàn)同步操控列車等。

當兩臺機車重聯(lián)運行時，需要傳輸?shù)男盘栔饕袃纱箢?，分別是WTB級通信數(shù)據(jù)和硬線信號（包括緊急制動、撒砂指令和重聯(lián)電話等），其中，WTB級通信數(shù)據(jù)包括列車級的傳輸控制指令、各機車的動作單元的狀態(tài)反饋信息等。采取以下措施實現(xiàn)上述兩類信號的傳輸：

（1）原來通過WTB總線的A線和B線進行冗余傳輸?shù)闹芈?lián)機車之間的控制指令和反饋狀態(tài)信息，由網(wǎng)絡控制系統(tǒng)發(fā)送給無線重聯(lián)控制系統(tǒng)，再經(jīng)過無線通道進行傳輸，如圖3所示。

圖3 六軸電力機車無線重聯(lián)網(wǎng)絡拓撲Fig.3 Network topology of the wireless coupling control system for six-axis electric locomotive

（2）利用原有網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的預留通道，增加機車緊急制動指令和撒砂指令的冗余采集；然后通過無線重聯(lián)控制系統(tǒng)，把緊急制動指令和撒砂指令冗余傳輸?shù)街芈?lián)的機車，再由重聯(lián)機車的機車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)觸發(fā)機車緊急制動和撒砂等動作。

（3）無線重聯(lián)控制系統(tǒng)增加語音網(wǎng)關功能，機車主叫端電話的語音信號經(jīng)數(shù)字化處理和壓縮編碼打包后再通過無線通道進行傳輸；機車受話端電話收到解壓解編還原的語音信號，實現(xiàn)重聯(lián)機車間的通話功能。

（4）為保證無線通信傳輸?shù)目煽啃?，采用雙無線通信單元構(gòu)建重聯(lián)機車間的無線傳輸通道。

上述措施對WTB通信信號、關鍵指令數(shù)字信號、重聯(lián)電話的數(shù)據(jù)傳輸和控制無影響，可以支持多臺機車以無線重聯(lián)方式運行。

2 無線通信方式

無線通信方式是機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。對于已應用的WiFi技術方案，為了保證系統(tǒng)的冗余性，需增加成倍設備，本文嘗試用自組網(wǎng)技術方案進行優(yōu)化。

表1示出Mesh自組網(wǎng)、WiFi、藍牙、Zigbee、無線激光通信（FSO）及5G毫米波等無線通信方式對比。由表1可知，WiFi具有接入靈活、安裝便捷、易于擴展、滿足移動應用等優(yōu)點，廣泛用于地鐵綜合承載、數(shù)據(jù)傳輸下載等。藍牙支持設備短距離通信（一般10 m內(nèi)），具有傳輸效率高、安全性高等優(yōu)勢，主要用來實現(xiàn)城市軌道交通的室內(nèi)定位、導航、過閘等。ZigBee技術具有高效、便捷的特征，適用于數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務，在PC外設、消費類電子設備、家用智能控制、玩具、醫(yī)護、工控等領域有應用，在地鐵環(huán)境監(jiān)測、設備監(jiān)測中也有初步應用。FSO具有容量大、速率高、抗干擾強、頻譜自由等優(yōu)點，但要求通信設備之間有著較為精準的對位關系，且受環(huán)境因素（如暴雪、沙塵暴等）影響較大。5G毫米波通過大規(guī)模天線陣列與各種多址復用技術，極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務，已開始在機車、地鐵列車的大容量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲等場景得到應用，效果較好。這幾種無線通信技術，除WiFi外，都不太適合機車近距離無線重聯(lián)運用場景。

表1 無線通信方式對比Tab.1 Comparison of wireless communication modes

相比于上述無線通信技術，自組網(wǎng)技術的獨特性能有[4]：

（1）自組織。無須人工干預或其他網(wǎng)絡設施即可實現(xiàn)自動組網(wǎng)。

（2）去中心化。自組網(wǎng)為對等式網(wǎng)絡，所有節(jié)點地位平等，無嚴格意義的控制中心，邏輯主可按需切換。各節(jié)點能夠隨時加入和離開網(wǎng)絡，單節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行。

（3）多跳。當終端要與覆蓋范圍之外的終端進行通信時，需要利用中間節(jié)點（終端）進行轉(zhuǎn)發(fā)，終端具備路由功能。

（4）自感知。各節(jié)點可感知網(wǎng)絡內(nèi)、外部環(huán)境，其中外部環(huán)境包括電磁環(huán)境、氣候環(huán)境等，內(nèi)部環(huán)境包括網(wǎng)絡成員數(shù)量、網(wǎng)絡拓撲、路由、信道資源等。各節(jié)點感知信息網(wǎng)內(nèi)共享。

（5）自決策。各節(jié)點根據(jù)自感知的環(huán)境變化情況及需要來選擇最優(yōu)策略(業(yè)務服務質(zhì)量QoS策略、路由策略、頻點切換策略、資源分配策略等)，并自動配置網(wǎng)絡。

自組網(wǎng)網(wǎng)絡節(jié)點兼有路由功能、支持自動組網(wǎng)功能（最大可支持31跳路由、32個用戶），可以靈活地建立機車之間的無線通信網(wǎng)絡，故本文特選用自組網(wǎng)模塊設計機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)。即使系統(tǒng)的單個無線通信模塊發(fā)生故障，無線通信網(wǎng)絡也能自行愈合，從而保證無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕煌瑫r依據(jù)應用需求，將可用頻段劃分為合適帶寬的多個獨立信道，并選擇信噪比（SNR）和信道質(zhì)量指示（CQI）更優(yōu)的信道進行通信，進一步提升系統(tǒng)的抗干擾性能，保障多機車牽引列車的安全平穩(wěn)運行。

3 基于自組網(wǎng)的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

基于自組網(wǎng)技術的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)包括重聯(lián)控制單元、無線通信單元（自組網(wǎng)模塊）、語音網(wǎng)關、交換機、天線及饋線等，如圖4所示。若原機車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)已包含交換機且有足夠預留接口，則可以通過在原有機車上增加一套無線重聯(lián)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機車原有硬線重聯(lián)功能，將有線通信轉(zhuǎn)換為無線通信，而無須新增交換機。系統(tǒng)方案分為兩級，第一級為列車級，第二級為機車車輛級。列車級采用自組網(wǎng)方式，通過無線通信單元來實現(xiàn)，不需要地面通信補強設備。第二級基本保持現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，只需在現(xiàn)有的MVB網(wǎng)絡或機車電氣系統(tǒng)中增加重聯(lián)控制單元（MCU）、語音網(wǎng)關等設備即可。

圖4 基于自組網(wǎng)的機車無線重聯(lián)網(wǎng)絡拓撲Fig.4 Network topology of the locomotive wireless coupling control system based on Ad Hoc network technology

重聯(lián)控制單元主要功能包括：

（1）重聯(lián)控制單元通過機車車輛總線接口（如MVB）接入機車車輛控制網(wǎng)絡。其中主控車重聯(lián)控制單元主要從機車車輛控制網(wǎng)絡獲取操作指令，從控車重聯(lián)控制單元主要將收到的操作指令傳送給機車車輛控制網(wǎng)絡。

（2）主控車重聯(lián)控制單元通過機車車輛原有的交換機接收無線通信單元的機車車輛編組信息，選擇所需的機車車輛，完成編組確認。

（3）通過編組后建立的無線通道，主控車重聯(lián)控制單元可以將操作指令傳送給從控車重聯(lián)控制單元，從而實現(xiàn)主控車與從控車的同步控制。

（4）從控車重聯(lián)控制單元將本車的運行狀態(tài)、故障事件等信息傳送給主控車重聯(lián)控制單元，并顯示給乘務員。

無線通信單元主要功能包括：監(jiān)測臨近的機車車輛無線通信單元信息并提供給重聯(lián)控制單元進行編組決策；依據(jù)應用需求，將可用頻段劃分為合適帶寬的多個獨立信道；無線通信單元實時監(jiān)測CQI和SNR，一旦判斷出性能惡化，立即進行跳頻。

語音網(wǎng)關主要用于語音信號的數(shù)字化處理、壓縮編碼打包以及解壓和還原語音信號。將機車主叫端（如主控車）電話的語音信號進行數(shù)字化處理、壓縮編碼打包，再通過交換機、無線通信單元進行傳輸，機車受話端（如從控車）的語音網(wǎng)關接收到數(shù)據(jù)后，進行解壓并把數(shù)字信號還原成語音信號，實現(xiàn)重聯(lián)機車間的通話功能。

3.2 自組網(wǎng)流程與策略

無線通信單元是建立自組網(wǎng)的核心模塊，每臺車設2個無線通信單元。建立好的自組網(wǎng)無嚴格的控制中心，單個無線通信單元故障后，該節(jié)點自動退出，不影響整列車無線通信網(wǎng)絡。每個無線通信單元兼有路由器和主機兩種功能，支持數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.1 主從節(jié)點確認

機車重聯(lián)運用過程中，主控車需合電鑰匙，從控車不需合電鑰匙。主控車重聯(lián)控制單元采集到該信號后，通知位于同一機車車輛內(nèi)默認的1個無線通信單元并將其自動配置為邏輯主無線通信單元。未收到該信號的主控車的另1個無線通信單元和從控車的無線通信單元均被自動配置為邏輯從無線通信單元。

主控車重聯(lián)控制單元同時采集本主控車的機車號、待編組從控機車的機車號以備用（乘務員可通過顯示器相應界面進行錄入）。

3.2.2 信道設置

依據(jù)編組機車車輛數(shù)量、傳輸數(shù)據(jù)帶寬等應用需求，將可用頻段劃分為合適帶寬的多個獨立信道。

信道自定義設置示意如圖5所示。如可用頻段總帶寬為80 MHz，若10 MHz帶寬可以滿足應用需求，則可以設置成完全隔離的5個獨立信道；如果更窄的帶寬（如5 MHz）也能滿足應用需求，則可以設置更多的完全隔離的獨立信道。

圖5 信道自定義設置Fig.5 Channel custom settings

3.2.3 自組網(wǎng)建立

邏輯主無線通信單元配置成功后，通過掃頻選擇干凈的信道進行自組網(wǎng)的建立。組網(wǎng)時優(yōu)先選用默認信道，如檢測到該默認信道已經(jīng)被確認好的無線重聯(lián)組網(wǎng)所占用，或者該默認信道的CQI不佳，無法承載業(yè)務，則啟用自動跳頻功能，選用下一信道。

信道選定后，邏輯主無線通信單元將自動發(fā)送同步信息（包含選用的信道、主控車機車號、從控車機車號等），以便該自組網(wǎng)其他節(jié)點收到后及時接入。

邏輯從無線通信單元配置完成后便直接作為接入節(jié)點，采用輪詢方式收集不同信道的同步信息。當收到的同步信息包含主控車機車號或從控車機車號時，確認該同步信號適配自己，按同步信息配置自身的使用信道，建立與邏輯主無線通信單元的無線連接通道。

當所有從無線通信單元均與邏輯主無線通信單元的無線連接通道建立完成后，該自組網(wǎng)建立完成。

3.2.4 自動跳頻策略

系統(tǒng)運行過程中，邏輯從無線通信單元持續(xù)監(jiān)測CQI和SNR，并反饋給邏輯主無線通信單元。

邏輯主無線通信單元監(jiān)測自身的CQI和SNR，并接收邏輯從無線通信單元發(fā)送的CQI和SNR。一旦判斷其性能無法承載業(yè)務，即生成跳頻列表，并通知邏輯從無線通信單元，按預設跳頻周期，重新選擇新的信道并工作。

若所有信道性能都不理想，則選擇性能相對較好的信道工作。當其他信道有改善后，再切換到其他信道工作。

3.2.5 通信中斷策略

當無線通信信道被干擾或因其他因素導致某節(jié)點與自組網(wǎng)通信中斷時，原來需通過該節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將通過相鄰節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)；該通信中斷的節(jié)點也會不斷嘗試搜索，直至重新接入網(wǎng)絡。

3.3 系統(tǒng)功能

（1）自組網(wǎng)建立。初始化各無線通信模塊后，邏輯主無線通信單元發(fā)送同步信息，邏輯從無線通信單元收到適配的同步信息后完成自己的信道設置，并與邏輯主無線通信單元建立無線通信鏈路，最終完成機車無線通信模塊的自組網(wǎng)建立。

（2）編組與解編。自組網(wǎng)建立完成后，系統(tǒng)通過顯示器提示司機再次核對相應機車，并確認是否進行編組[7]。司機通過顯示器界面相應的按鍵可以進入無線重聯(lián)主界面。在無線重聯(lián)主界面具備“編組解編”和“無線拓撲”界面。通過“編組解編”界面的按鍵可進行機車鏈接與斷開操作；“無線拓撲”界面顯示機車間無線拓撲情況，如某設備故障，可通過本界面進行故障提示。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。通過無線重聯(lián)控制系統(tǒng)，主控車可向從控車傳輸司機操作命令、故障診斷信息、語音數(shù)字信息等，從控車也可向主控車反饋從控車狀態(tài)信息、故障診斷信息、語音數(shù)字信息等。

（4）無線管理。無線重聯(lián)控制系統(tǒng)能夠接收無線通信單元的CQI和SNR等參數(shù)，并能協(xié)調(diào)和同步設置信道參數(shù)，優(yōu)化無線通信質(zhì)量。

（5）數(shù)據(jù)記錄。無線重聯(lián)控制系統(tǒng)能記錄重聯(lián)機車車型車號、運行方向、信號強度、連接狀態(tài)等關鍵信息。

（6）通信狀態(tài)判斷。無線重聯(lián)控制系統(tǒng)能夠通過數(shù)據(jù)通信中斷的時間間隔來判斷無線重聯(lián)的通信狀態(tài)，間隔10 s以內(nèi)為通信正常（綠色）、10～15 s為通信預警（黃色）、15 s以上為通信中斷（紅色）。

（7）系統(tǒng)故障安全導向。當重聯(lián)機車的無線重聯(lián)控制系統(tǒng)發(fā)生設備故障，導致系統(tǒng)不能通過無線通道傳輸數(shù)據(jù)時，則在無線通信中斷開始的10 s內(nèi)，從控車將繼續(xù)維持通信中斷前的運行狀態(tài)；若無線通信中斷持續(xù)，則從第10 s開始，從控車按設定下降曲線逐步卸載（斜率為45 kN/s），牽引/電制力逐步降為零，到第15 s完成卸載。若此段時間內(nèi)通信恢復正常，則主、從控機車恢復編組模式運行，從控車按照收到的有效指令控制牽引/電制力逐漸上升至收到的設定值。若通信一直未恢復正常，則從控車在第15 s完成卸載后，開始跳主斷與自動降弓，主、從控機車均轉(zhuǎn)到單機運行模式運行；若此后，通信恢復正常，則主、從控機車恢復編組模式。主控車乘務員需斷主斷、降弓后，再重新升弓與合主斷，從控車才能按照收到的有效指令同步升弓與合主斷，并繼續(xù)響應主控車的其他操作指令。

3.4 系統(tǒng)實施

目前，該基于自組網(wǎng)模塊的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)已進行了實驗室系統(tǒng)搭建和測試，并與基于WiFi模塊的系統(tǒng)進行了實驗室的測試對比。

3.4.1 系統(tǒng)冗余和復雜度對比

當機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)采用基于WiFi模塊的無線通信單元技術方案時，由于一個無線通信模塊同一時間只能連接1個無線通信模塊，若要保證無線通信模塊和無線通道冗余且能支持2臺以上的機車重聯(lián)運行，則每臺機車最少需安裝4個無線通信模塊，且交換機也至少需要2個。本文提出的基于自組網(wǎng)模塊的機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)采用了圖4的技術方案，只需2個無線通信單元和1個交換機，即可在保證無線通信單元和無線通道雙冗余的同時，支持2臺以上的機車通過無線通信方式進行重聯(lián)運用。表2為兩種方案所需設備的對比。

表2 機車近距離無線重聯(lián)系統(tǒng)（支持機車重聯(lián)數(shù)≥2）所需設備對比Tab.2 Comparison of required equipments for short distance wireless coupling control system (Number of the connected locomotives is not less than 2)

3.4.2 通信測試

在實驗室，基于WiFi的無線通信模塊（BAT450-F）[8]和基于自組網(wǎng)的CX5701-RW模塊[9]分別搭建機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)并進行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 近距離無線重聯(lián)系統(tǒng)通信測試結(jié)果Tab.3 Results of communication test for the short distance wireless coupling control system

從測試結(jié)果可以看出：

（1）在發(fā)射場強相當?shù)那闆r下，采用CX5701-RW模塊的系統(tǒng)可以通過自動跳頻選擇干擾更小的信道進行通信，比采用BAT540-F模塊時系統(tǒng)的信噪比約高5 dB；

（2）傳輸相同的數(shù)據(jù)時，采用BAT450-F模塊的系統(tǒng)丟包率為0.029 2 %，而采用CX5701-RW模塊的系統(tǒng)丟包率為0.010 9 %，后者抗干擾能力更強；

（3）BAT450-F模塊的設計帶寬為450 Mb/s，CX5701-RW模塊的設計帶寬只有30 Mb/s，因此在現(xiàn)階段WiFi技術方案更能適應有視頻傳輸?shù)刃枨蟮膽脠鼍啊?/p>

4 結(jié)語

本文通過設計一種機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了原WTB總線數(shù)據(jù)、關鍵硬線信號、語音信號的無線傳輸；同時基于Mesh自組網(wǎng)技術的自組織、自愈合、信道自定義、自動跳頻等技術，可以在不增加設備的前提下，進一步提高機車近距離無線重聯(lián)控制系統(tǒng)的冗余性，同時也提升了系統(tǒng)的抗干擾性能。但目前自組網(wǎng)模塊的設計傳輸帶寬為30 Mb/s，僅在對帶寬要求不是很高的場景能夠獲得應用。隨著自組網(wǎng)通信技術的進一步發(fā)展，高于100 Mb/s的自組網(wǎng)模塊產(chǎn)品也將很快面世，有望在更多的場景獲得應用。