高速动车组远程数据传输系统的研究与实现

黄志平,赵红卫,朱广超,张顺广,李 宇

(1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所,北京100081;2 上海铁路局 合肥车辆段徐州地区验收室,江苏徐州221000)

为满足对运行动车组动态跟踪监控、提供远程技术支持和故障应急指导,并即时组织维修的实际运用需求,需要对动车组的安全状态与故障情况进行实时动态跟踪监控,分析动车组管理检修运用需求,需要将高速动车组运行途中的重要信息进行记录,并实时发送到地面。

将传输的信息分为动态位置跟踪信息、基本状态信息和故障信息等。动态位置跟踪信息主要包括运行动车组的准确位置,如经纬度或线路公里标;基本状态信息主要有速度、牵引、制动、车门、轴温等安全相关信息,以及空调、卫生间等旅客服务设施状态信息等;故障信息主要是在车载网络上传输的、可获取的故障事件以及其相关环境参数,用于故障发生后支持车载故障的诊断、分析、排除及动车组检修。

1 系统总体设计方案

系统总体设计方案根据CRH3型动车组列车网络控制系统工作原理,主要状态与报警信息在列车WTB/MVB网络上进行传输,报警信息全部汇聚到列车司机显示屏,供司控人员使用,因此,研制车载无线传输装置,通过MVB网络获取的有关牵引、制动、供电、空调、车门等子系统状态的实时运行数据,通过从司机显示屏获取的以故障代码为索引的实时故障数据,通过GPS功能模块获取列车位置信息,通过GPRS发送实时数据;研制地面数据接收处理软件,用于数据的接收和提供用户数据的查询使用界面。系统总体设计方案如图1。

2 系统关键技术的研究与实现

2.1 机箱结构与电源设计

图1 CRH3型动车组远程数据传输系统总体设计方案

机箱一般是用金属或塑料制成的,它支撑了设备的各个部件或板卡,避免了板卡直接裸露在外,起到了对板卡的防尘与机械保护作用;设备长时间运行必然会发热,若冷却条件不好,可能会引起板卡过热而不正常工作甚至烧毁,而机箱就是设备冷却的重要部分,一个干净、内部宽敞、设计成功的机箱,有助于空气在板卡与外界之间的空气流动,能大幅度加快内部板卡散热,确保设备工作正常;另外,动车组上高频工作中的设备很多,相互之间的电磁干扰现象严重,好的机箱,是设备提高电磁兼容性能的第一道重要关卡和必要条件。

考虑到板卡研制的标准化、更换板卡的方便性以及机箱的可靠性,设计选用3U结构的铝合金机箱,其基本尺寸、导轨、板卡印刷电路板、连接器与背板按下面的3U机箱标准进行设计,重点考虑机箱的机械强度、散热性能与电磁兼容性能。

电源是设备工作的动力来源,同时还要适应苛刻的车载供电条件,如电压波动大、突然断电、负载变化大、发热大等,电源设计不合理,可能由于供电电源不稳定引起板卡不能工作或损坏板卡,还可能造成各种各样比较隐蔽、难以复现排查的故障,使用户形成系统工作不稳定的印象,因此良好的电源设计是保证设备稳定性和安全性的重要前提。

动车组直流母线供电为DC110V,特设计两级电源。第一级电源为DC110V/DC24V电源,将外界输入直流电源转换成常用直流工作电压;第二级电源为各板卡以DC24V为输入电压,使用隔离电源模块将电压转换成各元器件工作需要的电压范围,保证单个板卡的电源不正常不至于影响其他板卡的工作,有利于保护板卡和快速定位板卡故障。其中中央处理器单独使用 DC110V/DC5V板卡,并增设掉电通知和延时保护功能。

2.2 中央处理器与操作系统

中央处理器是电子设备的核心,使用传统的单片机已完全不能满足系统设计的大量数据运算处理、存储和发送的需求,考虑到技术通用性,选择工业级标准PC/104硬件架构,紧凑可靠,非常适合于空间有限的应用环境,而且PC/104接口设备较多,可扩展性好,即使系统完成设计后,仍可扩展或替换更多新的功能设备。选用PC/104工业级CPU,主频为500 MHz,板载内存为512 MB,板载存储容量为1 GB,具备2路以太网接口与4路串口,并具备GPIO接口以扩展LED灯用于系统工作状态指示。

中央处理器采用QNX嵌入式实时操作系统,符合POSIX标准的API使它成为一个开放式互联系统,便于与 UNIX/LINUX系统的移植。QNX有着不同于UNIX或LINUX的模块化设计思想,并不是UNIX或LINUX的一种演化,而是完全不同的一种全新的实时操作系统。由于其独特的体系结构,QNX广泛应用于嵌入式系统、机器人工程、工业控制、航空航天等各个领域。

系统本身运行内核很小,部署时将使用的资源按实际硬件配置优化到最少,设计几个主要的软件模块任务,必要时通过消息队列进行进程之间的通信,系统运行稳定,可以随时掉电而不会损坏系统本身。

2.3 MVB网络通信

CRH3型高速动车组使用了符合 TCN标准的WTB/MVB网络,为接收MVB网络的数据,需要设计与现有MVB网络可以兼容进行数据传输的网卡,为保证通信一致性与稳定性,规避可能的风险,特选用在CRH3型高速动车组网络控制系统中使用的西门子MVB网卡,该网卡为PC/104结构,很方便的装配在中央处理器上,实现MVB网络通信。

2.4 实时无线传输

为了保证管理运用检修部门及时掌握动车组实际运行状态、避免和防止重大安全事故,在动车组运行过程中,以GPRS方式将少量必要的监测数据发送到地面。GPRS提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。

当发生车载受监控设备工作异常或故障报警时,自动启动报警实时发送机制,将此信息通过GPRS实时发送出去。信息内容包含发生故障车次、列号、车号、故障发生时间、故障级别、故障代码、故障相关数据。当系统工作正常时,系统主机定时通过无线GPRS接口向地面发送各系统状态信息和GPS定位信息,信息内容还包括列车的车次、车厢号、车号、时间、监测项类型、监测项状态。

2.5 数据存储处理与呈现

采用Oracle数据库对实时接收和全程记录的数据进行存储、处理、查询、回放、分析等。在处理各种故障的时候通过数据库历史数据的对照,对以前的故障情况有全面的了解,更有利于对动车组运行状态和设备质量进行更深层次的跟踪和动态质量控制。

数据呈现采用B/S(Browser/Server)结构即浏览器和服务器结构,是随着Internet技术的兴起,对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下,用户工作界面是通过WWW浏览器来实现,极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,但是主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,这样就大大简化了客户端电脑载荷,减轻了系统维护与升级的成本和工作量,降低了用户的总体成本。

3 系统实现与软件功能

3.1 车载无线传输装置

CRH3型动车组车载无线传输装置采用42HP的标准3U机箱,共由5块板卡构成,从左至右分别是:WLAN板卡、CPU板卡、GPRS/GPS板卡、24 V 电源板卡和5 V电源板卡。如图2所示。

图2 车载无线传输装置

CPU板卡是整个装置的核心处理单元,该板卡扩展有MVB网卡,通过MVB网卡从列车通信网络上获取当前列车的运行状态信息,并集中管理调用GPRS、WLAN板卡的功能;GPRS和GPS功能集成在GPRS板卡,GPRS功能负责将列车运行过程中的实时信息发送到移动公网,GPS功能为系统提供列车的GPS定位、速度等信息;WLAN板卡在列车移动至无线局域网络覆盖的区域后,建立无线局域网连接,可将动车组运行过程中存储的实时和非实时数据传输至地面服务器。

装置有4个输入端口,分别为电源输入端口、MVB网络数据端口、以太网数据端口、GPS天线端口。电源输入端口为装置提供DC110V电源;MVB网络数据端口主要接收在MVB网络上传输的一些实时数据;以太网数据端口主要接收显示屏上发送的动车组故障信息;GPS天线端口为系统提供GPS天线信号。

装置有 3个输出端口,分别为GPRS天线端口、WLAN端口、USB端口。GPRS天线端口主要传输实时数据及实时故障信息;WLAN端口和USB端口主要用于下载实时数据、实时故障信息及非实时运用数据存储形成的文件,WLAN实现无线下载,USB实现移动存储介质的下载。

3.2 车地数据传输协议与内容

车载信息无线传输装置对地传输的数据满足《CRH系列动车组车载信息无线传输设备技术条件(暂行)》(运装客车[2010]295号)的相关要求,各类型数据传输时机为实时故障数据产生时立即向地面传输;实时运行数据发送时间间隔 ≤1 min;故障通报数据发送时间间隔 ≤10 min;设备自诊断数据列车上电时发送。对所传输的实时数据提供缓存管理机制,缓存队列中能够保存200条数据。

根据现场对动车组动态监控与故障检修的要求,确定主要传输内容见表1。

3.3 软件实现与功能

系统地面软件由数据接收软件、数据处理与存储软件、数据库、Web服务、Web应用程序组成。其中数据接收软件负责与车载无线传输装置通讯,通过Socket套接字方式接收车载设备发送的实时监控数据;数据处理与存储软件将接收到的数据解码经过一定的逻辑处理后存入数据库;数据库为整个系统提供数据存储和查询服务;Web服务作为Web应用程序的内容,为用户通过Web应用程序查询数据提供服务;Web应用程序是系统主要的用户接口,使得用户能通过网页对动车组的运行状况和故障进行实时监测及分析处理。地面服务器软件工作流程见图3。

表1 车地数据传输内容

图3 地面服务软件工作流程图

3.3.1 列车实时运行状态

用户可以通过网页查看到当前运行动车组的司机操作状态、运行位置、高压、牵引、制动、辅助、安全环、门、空调、照明等系统的主要参数(图4)。

3.3.2 实时与历史故障浏览

用户可以通过网页查询到未恢复/已恢复的故障、故障详细描述、处置建议等,系统提供了按时间范围、列车号、车辆号、故障代码、故障级别、子系统、是否恢复、是否维修模式等条件进行组合查询(图5)。

3.3.3 故障分布规律统计

用户可以通过网页按不同的条件查询故障情况,得到故障分布图、故障次数统计图等,进一步摸清故障规律,有针对性地制订故障处理策略(图6)。

图4 当前司机操作状态示意图

图5 网页查询示意图

3.3.4 其他功能

用户可以通过网页,查看动车组全程运行的位置及回放,还可以以直观的图形方式查看各类数据的曲线图,包括速度、网压、网流、牵引变压器、变流器、电机等主要部件温度等变化曲线(图7)。

4 系统试验与考核运用

车载无线传输装置已通过电磁兼容检测试验与绝缘、耐压、高低温、湿热、振动和冲击试验。在2009年CRH3型动车组武广线联调联试试验中,系统为试验管理部门远程掌握试验动态、动车组故障情况提供了有效的监控手段。

图6 故障分布规律统计示意图

图7 历史资料查询示意图

5 结束语

随着我国高速动车组开行对数的不断增加,动车组的结构复杂、新技术装备越来越多,对于动车组管理运用部门的故障检修带来了巨大的挑战。本文所研究的高速动车组远程数据传输系统,采用先进的网络控制技术、成熟的无线传输技术、实用的数据库技术,适用于CRH3型动车组管理运用检修部门,为提高检修效率、抓好检修质量,保证动车组的顺利开行,提供了完整的解决方案。