列車車地傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集問題的研究

胡崇爾，鄧乙平，楊松林，馮鑫，譚宇文

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，支撐安全運(yùn)營的生產(chǎn)業(yè)務(wù)不斷增加，迫切需要將列車運(yùn)行狀態(tài)、故障等信息可靠地傳輸?shù)降孛妫奖愕孛孢\(yùn)營維護(hù)人員及時(shí)了解車輛運(yùn)行狀態(tài)，從而為列車運(yùn)行提供遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持和遠(yuǎn)程診斷。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)基于此種應(yīng)用場景出發(fā)，通過實(shí)時(shí)采集列車運(yùn)行數(shù)據(jù)并發(fā)送至地面數(shù)據(jù)平臺解析處理的方法實(shí)現(xiàn)對列車的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的推廣與使用，已深入列車運(yùn)營維護(hù)的各種場景，成為車輛運(yùn)維不可或缺的基礎(chǔ)系統(tǒng)之一。通常新建車輛段都會把車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)作為必選項(xiàng)進(jìn)行建設(shè)[2]，但現(xiàn)有的運(yùn)營線路之中，仍有大量未配備傳輸系統(tǒng)的老式列車存在，故這部分列車有急迫的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)加裝改造需求。

車地?zé)o線傳輸?shù)南到y(tǒng)改造的核心難點(diǎn)是如何完成車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集。常規(guī)的采集方案需要通信雙方約定通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)交流。但老式列車改造會出現(xiàn)諸如：列車過保修期對接成本高、系統(tǒng)供應(yīng)商退出中國市場、存檔技術(shù)文件因程序迭代失效等問題，無法完成數(shù)據(jù)采集。此時(shí)需要從破解的角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取和分析，推理出對應(yīng)的接口參數(shù)和通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的目標(biāo)。

本文將介紹一種基于破解的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法與數(shù)據(jù)解析邏輯，為后續(xù)類似的列車各系統(tǒng)接口適配及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)升級提供參考。

1 采集接入點(diǎn)選擇

數(shù)據(jù)采集接入點(diǎn)的選擇，需結(jié)合列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浞治?。由于待改造的列車通常上線運(yùn)營時(shí)間早，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)規(guī)范尚不統(tǒng)一，所以系統(tǒng)采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對多樣，每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都需要針對性處理。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可大致分為三大類：網(wǎng)狀總線型、兩級總線型、樹狀結(jié)構(gòu)型。

針對網(wǎng)狀總線型網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)接入點(diǎn)選取簡單。因其數(shù)據(jù)均存在于統(tǒng)一總線上，故數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可選取于總線上任意一點(diǎn)，即可獲取到全車所有數(shù)據(jù)滿足系統(tǒng)所需。

對于兩級型總線，因?yàn)檐囕v級總線通信速率高于列車級總線，且多組車輛級總線數(shù)據(jù)需匯總至一個(gè)列車級總線，所以僅有少量車輛總線數(shù)據(jù)被上傳至列車總線中。如只采集列車總線，則數(shù)據(jù)量難以滿足需要，故數(shù)采點(diǎn)選擇一般遵循分別采集車輛級總線的原則。

對于樹狀總線，無法從總線上獲取列車全量數(shù)據(jù)。只能選取數(shù)據(jù)量盡量完整的子系統(tǒng)，以達(dá)到對列車數(shù)據(jù)監(jiān)控的效果。所以采集人機(jī)接口單元（顯示屏）數(shù)據(jù)通常為最佳采集點(diǎn)選取方案。

2 通信協(xié)議解析

通信協(xié)議是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了通信設(shè)備間的信息單元格式、信息單元應(yīng)該包含的信息與含義、連接方式、信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。協(xié)議的約定按照約定內(nèi)容的不同，大致可分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層協(xié)議，需逐步破解。

其中應(yīng)用層協(xié)議的破解工作量最大，且具有一定盲目性[3]，需結(jié)合適當(dāng)?shù)倪壿嬐评頊p少測試工作量。本文將以一種樹狀結(jié)構(gòu)的人機(jī)接口單元與網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的通信線為例，說明通信協(xié)議的破解對接思路。

2.1 物理層

物理層需要確認(rèn)通信線的聯(lián)系方式與波特率。通過對電路圖的分析找到通信線位置，測量波形。經(jīng)過多次抽樣測試，高低電平持續(xù)時(shí)間均為8.6μs的倍數(shù)?？沙醪酱_認(rèn)通信波特率為1000000μs/8.6μs=115200Bps。同時(shí)根據(jù)測量及電氣原理圖，可得接口物理層參數(shù)如下：

表1 接口物理層參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層需要確認(rèn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)的形式和幀的始末、數(shù)據(jù)區(qū)。通過示波器對抓取的信號進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)其起始位具有周期性，截取兩個(gè)周期的信號如下：

圖1 通信位展開圖

將8.6μs作為基準(zhǔn)寬度，分析可得RS422的通信參數(shù)為：起始位0、停止位1、數(shù)據(jù)長度8bit、偶校驗(yàn)。

使用核實(shí)的通信參數(shù)配置入網(wǎng)關(guān)中采集數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)報(bào)文中有STX（正文開始標(biāo)識符）與ETX（正文結(jié)束標(biāo)識符），經(jīng)整理，可發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)周期為200ms左右，由此可確定，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)-人機(jī)接口單元的報(bào)文，開始/結(jié)束標(biāo)志位STX/ETX，其間為數(shù)據(jù)區(qū)。

至此數(shù)據(jù)鏈路層信息參數(shù)全部確認(rèn)完畢。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層需要確認(rèn)通信線上每一位數(shù)據(jù)的含義。應(yīng)用層協(xié)議破解的常規(guī)方式為對通信數(shù)據(jù)與車輛狀態(tài)進(jìn)行雙向確認(rèn)，反推數(shù)據(jù)代表的實(shí)際含義。此種方法具有一定盲目性，工作量較大[4]。故此次破解根據(jù)數(shù)據(jù)幀的一般構(gòu)成形式采用具有流程邏輯的破解方法，尋找數(shù)據(jù)中的內(nèi)在規(guī)律，能有效減少工作量、提高破解效率。破解流程主要分為幀格式分析與數(shù)據(jù)位分析兩步。

幀格式分析需確認(rèn)每幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成形式，需要確認(rèn)實(shí)際意義對應(yīng)的大致數(shù)據(jù)區(qū)域，為后續(xù)的破解進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，提高數(shù)據(jù)篩查效率。仍以上文通信線為例，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)每幀有三個(gè)數(shù)據(jù)鏈路轉(zhuǎn)義字符（DLE），故可將報(bào)文整理為三個(gè)區(qū)間。通過測試確定這3個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)代表的含義，確定解析的大致位置。

數(shù)據(jù)位分析則需遵循“先易后難”的原則，先分析定位具有區(qū)域性、周期重復(fù)性的數(shù)據(jù)，再定位零散數(shù)據(jù)。同時(shí)根據(jù)簡單數(shù)據(jù)總結(jié)的規(guī)律來輔助分析困難數(shù)據(jù)。仍以上文的人機(jī)接口通信線為例：具有重復(fù)周期的數(shù)據(jù)，容易定位解析。此時(shí)因操作對應(yīng)狀態(tài)并定位區(qū)域，易得各工況狀態(tài)的數(shù)據(jù)意義。根據(jù)先定位再定狀態(tài)的方法可在較短的測試時(shí)間內(nèi)，完成通信線上大部分的數(shù)據(jù)協(xié)議解析。同時(shí)在區(qū)域性數(shù)據(jù)的解析過程中，還確認(rèn)到了關(guān)于數(shù)值形式、顯示排列等規(guī)律。對于列車中的零散數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)全車僅有一組且占位少的數(shù)據(jù)，如電網(wǎng)電壓、司機(jī)室激活端等信息，則可借助上述規(guī)律相對高效地完成數(shù)據(jù)破解[5-6]。

3 協(xié)議驗(yàn)證

完成車輛接口對接后，需對協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變化為符合主流列車通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，即地面監(jiān)控平臺所支持的通信協(xié)議。才可實(shí)現(xiàn)對列車狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過邏輯處理后，同時(shí)對通信幀頻率進(jìn)行降低，在滿足車地?zé)o線傳輸監(jiān)控的需求下盡可能節(jié)省無線通信帶寬和流量消耗[7]。

最后對轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行封裝，封包為TCP協(xié)議數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳。核對列車與平臺顯示的狀態(tài)，即可驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集處理無誤。

4 結(jié)語

針對車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)采集接口主動適配問題，進(jìn)行了深入的方案研究。充分考慮了改造車輛所面對的特殊情況，提出了一套針對列車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議資料缺失情況下的列車數(shù)據(jù)采集方法，并驗(yàn)證了該方法的可行性。對后續(xù)車地?zé)o線系統(tǒng)的改造推廣、對列車網(wǎng)絡(luò)控制管理系統(tǒng)的升級改造工作都具有一定參考意義。

但是，數(shù)據(jù)主動對接是資料缺失的情況下的特殊解決辦法，對接本身只是復(fù)現(xiàn)了初始設(shè)計(jì)過程，卻占據(jù)著整個(gè)改造工作的大部分工作量。所以數(shù)據(jù)協(xié)議的規(guī)范化和統(tǒng)一化顯得尤為重要，標(biāo)準(zhǔn)與統(tǒng)一才是根本解決設(shè)備通信壁壘的最佳方案。應(yīng)持續(xù)推動協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的制定與運(yùn)用，為升級改造留有空間，更可以降低系統(tǒng)間的配合難度，提高電氣設(shè)備的一體性。在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)之上更應(yīng)推動標(biāo)準(zhǔn)地鐵的發(fā)展，進(jìn)一步統(tǒng)型車輛裝備，為地鐵的使用和維護(hù)帶來便利。