中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）无线转储的WLAN技术应用

曹红义，陈雷亮，郭衍建

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 武汉征原电气有限公司，湖北 武汉 430012）

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）无线转储的WLAN技术应用

曹红义1，陈雷亮2，郭衍建2

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 武汉征原电气有限公司，湖北 武汉 430012）

按照中国机车远程监控与诊断系统（CMD系统）规划，机车入段整备、检修时应能够接入站场WLAN无线局域网，以完成行车过程数据的自动下载，且相关数据能够进入站段服务器长期保留，作为铁路信息化大数据应用的基础。从传统机务段实际需求出发，以西安机务段WLAN无线转储建设为例，介绍CMD系统无线转储的WLAN技术应用。

机车；远程监控；诊断；CMD系统；WLAN；无线转储

0 引言

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）包括车载子系统、数据传输子系统和地面综合应用子系统，是机务信息化中机车动静态信息的采集、处理、存储、传输、地面诊断分析平台，为机务信息化应用功能提供信息支撑。通过对机车运行状态的监测，实时掌握全路机车可用状态的分布，提前预告机车质量状态，掌握机车故障，指导机车故障应急处理，快速定位故障，确定修程，缩短机车整备检修时间，提高运输效率和运输服务质量[1-3]。

机车整备一直是机务段工作的重中之重[4-5]，特别是各设备文件的转储、分析都需要人工大量参与，效率低下，费时费力。且各设备之间相互独立，需要专门人员对数据进行拷贝、上传、分析，造成人力物力的极大浪费[6]。WLAN无线转储系统正是为了解决这一问题应运而生。

WLAN无线转储系统就是在机务段整备场构建IEEE802.11a/b/g/n标准的无线通信网络，机车通过地面WLAN与地面转储服务器间高速传输数据，实现车载记录文件无线转储及CMD系统地面综合应用子系统、机务段整备系统、6A平台分析系统、6A走行部分析系统之间进行数据交换。

1 无线转储系统构成及关键技术

1.1 系统构成

无线转储系统由部署在机务段的WLAN网络、整备场机房内的WLAN无线转储系统和机务段机房内的数据交换中心构成（见图1）。

1.1.1 机务段WLAN网络

机务段WLAN网络安全可靠，实现网络内机车车载WLAN终端设备的无线接入；通过WLAN网络实现车载WLAN终端与地面服务器间的数据高速通信。

整备场一般为长方区域，部署几个覆盖基站和一个中心数据汇聚基站。WLAN网络部署要充分考虑现场复杂电气环境，考虑各种金属物体对信号的屏蔽、反射、散射及恶劣自然条件等因素的影响。同时钢轨正上方7 m处高压网的电压为AC 2.5 kV，机车升降弓时可能会产生电弧，安装在附近的WLAN网络设备应具备一定的防护能力。车载WLAN终端天线距离钢轨高度一般为4.1 m，AP天线高度和角度需根据该要求进行设计。

WLAN网络用于实现在计划覆盖区域内的无缝覆盖，机车在该区域内处于低速运行或静止状态时，地面AP应能与车载WLAN终端建立安全可靠的无线连接并实现高速数据通信。AP之间宜采用MESH结构，减少工程布线难度，所有根AP宜部署在机房附近。WLAN网络结构采用瘦AP+AC的方式，SSID应对外广播，不能阻塞广播包。

以西安机务段为例，西安机务段共4组基站AP，每组分2个，1个2.4G，1个5.8G。AP1位置在整备场东桥洞附近扳道房顶，AP2和AP3在整备车间2楼楼顶，AP4在整备场西侧匣楼顶，各基站选用120°定向天线，信号覆盖距离5 km。西安机务段AP基站及测试点分布见图2。

各测试点信号强度及FTP上传下载速度测试见表1。现场实际车载设备下载速度为200～1 000 kb/s。

1.1.2 整备场机房WLAN无线转储系统

整备场机房WLAN无线转储系统主要由转储服务器和无线控制器组成，实现对文件转储的控制和WLAN无线网络的管理。管理车载终端与WLAN转储服务器连接、注册及数据传输过程，汇集和存储数据，以及通过铁路综合IT网实现转储数据的转发；具备机车记录文件无线转储功能和机车整备试验文件下载功能。无线控制器用来集中化控制无线AP，是一个无线网络的核心，负责管理无线网络中的所有无线AP，包括下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理、接入安全控制等管理。转储服务器用来实现与进段机车的报文数据交互，下载车载设备文件，并将下载文件分发给数据交换中心。

图2 西安机务段AP基站及测试点分布

表1 AP基站信号强度测试表

西安机务段部署在整备场机房的WLAN无线转储系统结构见图3，主要由服务器机柜、网络机柜、WLAN转储服务器、无线控制器、交换机、硬件防火墙、KVM设备组成。其中在WLAN转储服务器上布置1套无线转储管理软件。

图3 整备场机房WLAN无线转储系统

1.1.3 数据交换中心

数据交换中心部署在机务段机房内，主要由具备FTP功能的转储服务器构成，完成本地与铁路综合IT网之间的数据交互。具备将车载设备文件分发给各解析子系统和设备升级程序上传功能。

1.2 无线转储系统关键技术

1.2.1 网络传输断线重连技术

无线网络传输中，网络连接完全断开及无线网络不稳定所引起的通信异常情况都会造成网络传输中断。

WLAN无线转储系统引入断线重连机制，采用通信双方的心跳报文机制，车载程序实现对网络状况及无线信号强度的监测，保证网络连接断开或不稳定情况下机车重连在线。

1.2.2 基于FTP的断点续传技术

基于FTP的断点续传技术解决了机车传输较大文件时遇到网络不稳定情况而传输中断需要重新开始传输的问题。断点续传能够在机务段WLAN网络下实现较大的数据量传输，传输可靠、速度快。

断点续传实质是在上传（或下载）时，在某一时间点任务中断，客户端记录此时中断位置（即断点）；待到网络正常后，之前未完成的上传（或下载）任务再次开始时就会从所记录的断点处继续传送。

1.2.3 AP快速切换技术

整备场多AP全覆盖，整个网络中的SSID和密码都一致。同一个AC下AP之间，保证车载综合信息监测装置（LDP）终端在一个子网内部，从一个AP覆盖范围移动到另一个AP覆盖范围时，通信不中断，无需重新登录和认证。

机车无线终端第一次接入AP后采用正常的802.1x认证过程，认证通过后将使用的PMK信息保存在缓存中。相邻AP1和AP2提供的蜂窝都使用同一个SSID，机车能够在AP1和AP2之间漫游。AP1和AP2连接同一个AC，AP1向AP2切换时AC只需更新其表便可使用连接到AP2的LWAPP隧道寻找无线终端（机车），切换AP后不必再进行繁琐的802.1x认证和密匙交换，在AC内将旧关联缓存数据移交到新关联，直接使用缓存中的PMK信息，加快了切换速度。

1.2.4 多频段传输技术

现阶段机务段WLAN无线转储系统WLAN网络采用多标准对终端设备进行多频段支持。其中IEEE 802.11b/g标准工作在2.4G频段，IEEE802.11n标准工作在5.8G频段，二者对比见表2。

表2 WLAN网络2.4G和5.8G性能对比

2.4 G频段使用ISM频段，干扰较多。5.8G频段共划分为5个信道，每个信道宽度为20 MHz，每个信道与相邻信道都不发生重叠，因而干扰较小。5.8G频率较高，在空间传输时衰减较为严重，如果距离稍远，性能会严重降低[7]。

因此，考虑机务段的复杂环境，搭建WLAN无线转储系统采用多标准，实现2.4G和5.8G多频段覆盖，保证WLAN无线传输的高效、稳定。

1.2.5 服务集标识符技术

通过对多个无线接入点AP设置相同的SSID，无线工作站出示正确的SSID才能访问AP。机务段可以对SSID和密码进行修改，并提交给中国铁路总公司（简称总公司），机车通过自检信息获取SSID名称，收到SSID信号时，机车向总公司服务器申请对应的SSID密码，连接成功后才能进行信息报文数据交互。

2 无线转储系统数据传输策略

无线转储系统通过校验数据包和利用应用层数据传输应答机制保障数据内容的完整性，通过无线通信模块的监控机制保障良好的数据发送环境，制定安全连接策略保障WLAN网络安全。文件上传（或下载）时，通过信号检测机制提高数据发送效率和成功率，通过数据分类发送提升重要数据发送的实时性，通过数据压缩减少数据发送总量，通过数据断点续传提升数据重传效率。

2.1 安全连接策略

为了保证无线网络的安全及确保机车进入整备场时能够连接到无线网络，当整备场无线网络需要接入CMD系统通过车载LDP转储数据或整备场注册信息发生改变时，机务段使用人员需要在地面转储系统中填写或修改注册信息，否则机车进入整备场时不能连接整备场无线网络下载数据。注册信息列表通过3G网络和整备场无线网络进行更新。确保总公司级CMD系统地面子系统存储全路所有整备场无线网络的SSID、密码。

在途运用机车通过3G网络更新注册信息列表。车载子系统发送的自检信息包括机务段注册信息版本标识，地面子系统检测到自检信息的版本标识与服务器版本标识不一致时向机车发送全路所有整备场的无线网络SSID，机车在整备场匹配到所需要连接的SSID后，向地面系统请求所匹配SSID对应密码，进行WLAN网络连接，密码错误时重新进行请求。WLAN连接流程见图4。

图4 WLAN连接流程

机务段通信服务器（文件转储服务器）接入机务段WLAN网络，采用UDP方式广播报文，LDP收到广播信息后，向机务段通信服务器发起建立连接命令报文，地面反馈连接应答报文，连接命令重发间隔为3 s。

2.2 心跳机制

心跳是在TCP长连接中客户端和服务器之间定期发送的一种特殊数据包，通知对方自己还在线，以确保TCP连接的有效性。

因为网络的不可靠性，有可能在TCP保持长连接过程中，由于某些突发情况会造成服务器和客户端的连接中断。在这些突发情况下，如果恰好服务器和客户端之间没有交互，就不能在短时间内发现对方已经掉线。为了解决这个问题，引入心跳机制。

心跳机制工作原理：在服务器和客户端之间一定时间内没有数据交互时，客户端或服务器会发送一个特殊数据包给对方，当接收方收到这个数据报文后，也立即发送一个特殊数据报文回应发送方。当某一端收到心跳消息后，判断对方在线，确保TCP连接的有效性。

WLAN无线转储系统在应用层上实现自定义的心跳机制。LDP与地面建立连接后，每隔1 s向机务段通信服务器发送心跳，机务段通信服务器的广播信息作为转储服务器心跳。机务段通信服务器在转储前，应对LDP心跳进行判断，如果心跳正常，则可开始转储操作。

2.3 车地文件传输策略

2.3.1 文件下载

机车在线时，6A、AT1（走行部）、LDP、LKJ及TCMS各设备自身记录文件存储在各自设备上；机车入库后，机务段通信服务器发送转储命令到LDP，转储命令包括文件开始日期、天数、设备类型等；LDP收到转储命令后，向各设备请求文件；各设备按规则对需要的文件进行压缩打包；各设备把打包好的文件发送到LDP；LDP把压缩文件转储到机务段通信服务器（文件转储服务器），转储过程显示文件转储进度，LDP转储完成后，备份已转储的文件。无线转储系统文件下载示意见图5。

2.3.2 文件上传

在心跳正常情况下，机务段通信服务器向LDP发送文件上传命令；LDP收到文件上传命令后，向机务段通信服务器发送文件上传应答报文；LDP开始进行FTP操作，从机务段通信服务器下载文件，并向机务段通信服务器发送“上传中”状态；FTP操作完成后，LDP发送转储完成报文到机务段通信服务器。无线转储系统文件上传示意见图6。

2.4 数据存储与分发

图5 文件下载示意图

图6 文件上传示意图

WLAN无线转储软件将TCMS、LKJ、6A、AT1（走行部）、LDP等设备数据从机车下载到地面转储服务器对应的文件目录中，通过数据交换中心将各设备文件分发到对应解析服务器，对文件数据进行解析。

其中6A服务器、走行文件存储服务器等作为FTP客户端，数据交换平台作为FTP服务器端，各解析服务器每隔几秒刷新一次FTP服务器列表，有文件就执行取走操作，各解析服务器取文件完毕并解压成功后，通知数据交换平台服务器操作完成，数据交换平台更改文件名并移动至FTP目录外备份。

3 无线转储系统应用特点

WLAN无线转储系统建立了机车各设备到各设备分析软件的通道，采用安全连接机制、心跳机制、断线重连及断点续传技术，实现机车到站各设备文件自动下载、统一平台，保证文件高效及时转储，自动、手动多模式文件转储管理，提高工作效率，缩短机车整备时间，降低人工成本。

3.1 文件转储高效及时

入段机车接入WLAN网络后便可根据用户设定进行设备文件自动转储。西安机务段实际运用过程中，机车入段时在接入WLAN网络到整备场过程中，设备文件便可转储完成，文件转储高效及时。

在WLAN无线转储客户端软件中可以查看设备文件的历史转储记录，如西安机务段HXD3D-0042机车，在2016年11月16日入段后对AT1（走行部）设备文件进行自动下载，该文件大小27.337 M，平均下载速率297.8 kb/s。

3.2 设备文件转储安全可靠

通过报文协议对机车设备文件数据操作，包括文件上传（或下载）过程中的数据MD5校验，保证文件数据的可靠性、完整性。

WLAN无线转储系统实现了车、段、信息中心联控，加强对WLAN网络安全、无线转储服务器安全管理，智能连接，动态更新，保障数据安全。

3.3 自动、手动多模式管理

WLAN无线转储客户端软件实现了对机车文件数据的自动/手动下载，在自动下载没有成功的情况下，用户选择下载时间段、设备文件类型、机车型号等条件进行手动下载；在下载配置模块中，可对本段机车是否自动下载进行配置。

4 结论与展望

目前西安机务段、上海机务段、株洲机务段、兰州机务段都已具备WLAN无线转储环境，完成了LDP运行记录文件、AT记录文件等的下载功能验证，以及设备升级程序上传功能验证。其中西安机务段WLAN无线转储系统处于试运用阶段，无线转储使用已初见成效，减轻了日常整备工作量。

同时，现阶段WLAN无线转储也存在网络不稳定、文件需要多次请求、部分车型设备之间无接口支持的问题。因此，WLAN无线转储系统还需进一步优化WLAN网络布局，提高WLAN网络设备、车载设备等硬件的兼容性，提高网络稳定性和传输效率；加强WLAN网络安全建设、WLAN无线转储系统管理，保证数据安全；完善各车型LDP与其他设备之间数据接口，增加WLAN无线转储文件种类，充分发挥WLAN无线网络效用。

随着WLAN无线转储的深入研究和在各机务段、整备场的推广，WLAN无线转储系统的功能和性能也将不断完善和提高，为整个CMD系统的建设提供强有力的数据支撑。

[1] 中国铁路总公司．中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）总体暂行技术规范[S]．北京，2014．

[2] 崔明朗，钱雪军．机车运行状态远程监控系统的研究[J]．铁路计算机应用，2013，22(8)：8-10．

[3] 单晟，刘黎明，陈建校，等．机车状态实时监测与智能诊断及维护支持系统[J]．机车电传动，2009(5)：40-43．

[4] 申瑞源．构建大功率机车整备体系的研究与思考[J].中国铁路，2012(6)：7-10．

[5] 张大勇．提升我国机车技术水平的路径探讨[J]．中国铁路，2015(6)：1-4．

[6] 童建军．推行铁路机车整备专业化地勤管理的思考[J].铁道机车车辆，2011，31(3)：66-67．

[7] 魏瑞新．再谈轨道交通2.4G和5.8G频段与Wi-Fi干扰问题[J]．电子世界，2014(9)：97-98．

责任编辑 高红义

Application of WLAN Technology for Wireless Dumping of China Locomotive Remote Monitoring and Diagnosis System (CMD System)

CAO Hongyi1，CHEN Leiliang2，GUO Yanjian2
(1. Transportation Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2. Wuhan Z&Y Electric Co Ltd，Wuhan Hubei 430012)

According to the planning of China Locomotive Remote Monitoring and Diagnosis System (CMD system), the locomotive shall be able to get access to the WLAN of the station yard and automatically upload the data during operation when entering the depot for servicing and maintenance, and the data shall be able to be stored for a long term on the servers of the station and depot to serve as the basis of the application of railway big data. This paper bases itself on the particular needs of traditional locomotive depots, takes the construction of WLAN wireless dumping system Xi'an Locomotive Depot as an example and introduces the application of WLAN technology in wireless dumping of the CMD system.

locomotive；remote control；diagnosis；CMD system；WLAN；wireless dumping

U26；TP277

A

1001-683X（2017）04-0015-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.04.015

2016-12-16

曹红义（1963—），男，高级工程师。

陈雷亮（1991—），男，嵌入式软件工程师，硕士。E-mail：cleiliang@163.com