城市軌道交通車輛無線傳輸裝置設計研究

劉玲娜，龐明瀟，王甜甜

（1.青島地鐵集團有限公司工程建設分公司，山東青島 266000；2.青島地鐵集團有限公司運營分公司，山東青島 266000；3.青島市運輸事業(yè)發(fā)展中心，山東青島 266000）

0 引言

無線傳輸裝置（WTD）是列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，負責將車輛MVB 總線上的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車載PIS 視頻攝像機至少一路視頻流數(shù)據(jù)實時上傳到地面智能運維系統(tǒng)，并負責解碼、統(tǒng)計、分析展示等，實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)全面監(jiān)控，提高列車運營的可靠性及安全性[1-2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

國內(nèi)某地鐵列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)在頭尾車各安裝一臺無線傳輸裝置，車載系統(tǒng)主要包括車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其他車載子系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)組成。無線傳輸裝置依靠以太網(wǎng)獲取列車上各個監(jiān)測子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)，通過地面PIS（Passenger Information System，乘客信息系統(tǒng)）的無線傳輸通道上傳車輛數(shù)據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

無線傳輸裝置通過MVB 接口接入到MVB 總線，實時獲取車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到車載PIDS 系統(tǒng)的交換機，實時獲取車輛攝像頭的視頻流數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到以太網(wǎng)維護網(wǎng)，實時獲取子系統(tǒng)的健康管理數(shù)據(jù)；通過一路以太網(wǎng)接口接入到地面PIS 系統(tǒng)車載交換機，通過地面PIS 系統(tǒng)的無線傳輸通道上傳車輛數(shù)據(jù)。

車輛段智能運維系統(tǒng)通過地面PIS 系統(tǒng)接收無線傳輸裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、部分健康管理數(shù)據(jù)及車載PIS 視頻攝像機至少一路視頻流數(shù)據(jù)（具體視通信帶寬多少而定，一般一路720 p 視頻流占用2 Mbps），并負責統(tǒng)計、分析、展示等。

3 無線傳輸裝置功能模塊

無線傳輸裝置的功能模塊如圖2 所示。

圖2 無線傳輸裝置功能模塊

3.1 電源模塊

采用110 V 高可靠車載隔離電源模塊，外部電源輸入范圍為-30%～+25%，要求具有極高的轉(zhuǎn)換效率與良好的熱設計，電源連接器選用三芯航空插頭。

3.2 儲能模塊

配置板載儲能模塊，當外部輸入電源斷電時，能短暫維持整機工作。當整機功耗低于40 W 時，輸入電源斷電后整機供電能維持時間至少5 s。

3.3 視頻采集處理模塊

視頻采集處理模塊主要用于列車音視頻信息采集、處理和傳輸。將車輛基本狀態(tài)信息疊加到音視頻信息上，傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控平臺，方便地面工作人員對車輛的實時監(jiān)控，提高列車的運營安全性。

3.4 MVB 通信功能

支持至少500 個MVB通信端口數(shù)據(jù)監(jiān)聽采集；MVB通信一致性測試滿足：GB/28029.2—2011/IEC61375 -2《2007 牽引電氣設備列車總線第2 部分：列車通信網(wǎng)絡一致性測試》標準檢驗。

3.5 安全網(wǎng)關(guān)模塊

車載系統(tǒng)在車地數(shù)據(jù)傳輸過程中，設計以下安全通信機制，保證數(shù)據(jù)通信可靠性。車載設備在數(shù)據(jù)傳輸軟件層面對數(shù)據(jù)發(fā)送進行校驗及加密處理，地面數(shù)據(jù)解析需要對數(shù)據(jù)包會進行多層校驗，以驗證數(shù)據(jù)包有效性，無效消息不予理會，直接丟棄處理。車地通信方式為單向主動通信方式，不支持地面遠程端主動發(fā)起數(shù)據(jù)請求，只做遠程單向傳輸監(jiān)控，不做遠程控制。可根據(jù)實際需求，選擇配置無線通信安全板卡模塊作為車地通信網(wǎng)關(guān)單元，具有安全防護功能，提供相應的安全機制，實現(xiàn)車地之間的隔離，保護車輛的網(wǎng)絡安全。至少包含以下功能：

（1）設備接入控制。DHCP 白名單：只對指定MAC 地址的客戶端設備分配IP；設置靜態(tài)路由表：指定目的地的報文將按照指定路徑轉(zhuǎn)發(fā)；端口映射功能：使Wi-Fi 連接外網(wǎng)設備可以訪問指定的內(nèi)網(wǎng)設備端口；ARP 防護配置靜態(tài)ARP 表：綁定IP 地址和MAC 地址的映射關(guān)系。

（2）IP 包過濾。支持訪問安全板卡的IP 包的進出站過濾；支持經(jīng)過安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的IP 包的出站過濾；支持IP 包的進出站默認策略，包括禁止和允許；支持針對IP 包的源地址、目的地址、源端口、目的端口和協(xié)議類型進行包過濾。

（3）攻擊防護。流量統(tǒng)計：統(tǒng)計進過安全板卡轉(zhuǎn)發(fā)的上下行流量，形成分析報告，支持導出。支持設置單IP 的最大并發(fā)會話數(shù)，防止大量非法連接產(chǎn)生時影響網(wǎng)絡的性能。防DoS 攻擊：包括防icmp flood 攻擊、udp flood 攻擊、tcp syn flood 攻擊和icmp 洪水。支持自動檢測和記錄TCP、UDP 端口掃描，自動阻止惡意掃描的IP 訪問本機服務。

3.6 大容量存儲模塊

在具有以太網(wǎng)信息采集的功能需求時，設備可支持至少0.5 TB 大容量數(shù)據(jù)存儲，用于存儲包括以太網(wǎng)離線數(shù)據(jù)文件在內(nèi)的文件存儲。

3.7 CPU 模塊

CPU 芯片選用高性能處理器，主頻至少1.8 GHz，運行內(nèi)存2 GB；CPU 板上需具有三路以太網(wǎng)接口，擁有一路千兆以太網(wǎng)口，可完成接入到以太網(wǎng)維護網(wǎng)絡實現(xiàn)基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集記錄存儲、功能維護使用；支持2 路USB 接口；板卡構(gòu)成整機功能具備：通過MVB接口和以太網(wǎng)接口，從MVB 總線和以太網(wǎng)總線上獲取列車各子系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)，并對收集各子系統(tǒng)狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)融合、清洗預處理后，完成數(shù)據(jù)同步存儲同時，借助PIS傳輸通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程無線上傳。采集頻率可達100 ms 級，可滿足基于通信總線全量數(shù)據(jù)端口采集上傳功能；采用基于TCP 的車內(nèi)以太網(wǎng)采集及車地通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，支持斷網(wǎng)重撥、斷網(wǎng)重連、丟包重傳機制，保證以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息車地傳輸可靠性。

4 智能運維傳輸帶寬

4.1 TCMS 系統(tǒng)MVB 總線數(shù)據(jù)

TCMS 系統(tǒng)車輛數(shù)據(jù)主要是列車MVB 總線上各子系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息，如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、PIS 系統(tǒng)以及報警狀態(tài)、旁路狀態(tài)、緊急制動狀態(tài)等信息。需要下傳的基于列車MVB 通信總線數(shù)據(jù)量約為2 kB，以500 ms 數(shù)據(jù)傳輸頻率上傳數(shù)據(jù)。考慮到無線傳輸鏈路可能存在不穩(wěn)定性，系統(tǒng)支持丟包數(shù)據(jù)重發(fā)策略。綜合以上所需建議傳輸帶寬至少為256 kbps。

4.2 各子系統(tǒng)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

（1）車門系統(tǒng)。一列車掛載6 個設備，且相互獨立，每個設備需要的帶寬是500 kbps，6 個設備需要的總帶寬3 Mbps。車門系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表1。

表1 車門系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（2）空調(diào)系統(tǒng)。一列車掛載6 個設備，且相互獨立，每個設備需要的帶寬是5 kbps，6 個設備需要的總帶寬是30 kbps?？照{(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表2。

表2 空調(diào)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（3）PIS 系統(tǒng)。一列車掛載2 個設備，相互冗余，每個設備需要的帶寬是1 kbps，2 個設備需要的總帶寬是2 kbps。PIS系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表3。

表3 PIS 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

（4）制動系統(tǒng)。一列車掛載4 個設備，相互冗余，每個設備需要的帶寬是40 kbps，4個設備需要的總帶寬是160 kbps。制動系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單見表4。

表4 制動系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)清單

綜合上述，各個子系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)流傳輸所需的最大總帶寬峰值為3.448 Mbps?？紤]后期數(shù)據(jù)獲取量增多的可能，建議單臺設備數(shù)據(jù)傳輸整體帶寬需求至少滿足4 Mbps。

5 結(jié)束語

通過研究分析，確定了城市軌道交通車輛無線傳輸裝置無線傳輸裝置系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容、功能模塊和傳輸帶寬，并成功應用，對后續(xù)系統(tǒng)設計及老舊線路系統(tǒng)改造具有一定的指導意義。