基于逆向分析的高铁列控车载设备图形化分析平台设计

王颖，王梦园，陈泽华，马海峰，王泽

（1.东北大学软件学院信息安全系，沈阳110819；2.东北大学软件学院软件工程系，沈阳110819）

基于逆向分析的高铁列控车载设备图形化分析平台设计

王颖1，王梦园1，陈泽华2，马海峰2，王泽1

（1.东北大学软件学院信息安全系，沈阳110819；2.东北大学软件学院软件工程系，沈阳110819）

高铁列控车载设备数据采集系统产生的数据文件格式不一且互不兼容，原有的分析工具兼容性差同时缺乏故障统计与诊断的情况。该平台采用逆向分析的方法分析出各厂商的数据解析软件生成文件的方式，并进行重新编写，统一解析软件解析出来的文件格式。用C#与MATLAB混合编程来实现数据的图形化。该平台以故障文本信息为依据，使用基于文本挖掘的故障诊断方法。不同的车型及车载设备,统一由读取分析一体化的、可视化的新型数据平台接管。

逆向分析；数据图形化；文件格式；故障统计

1 概述

1.1 背景介绍

近些年来，我国高速铁路的建设发展迅速。从2003年至今，高速铁路已成为我国为数不多的能够整体领先世界的高端装备产业之一，更在实施“走出去”和“一带一路”构想中被寄予厚望。高端的技术离不开软硬件的相辅相成，中国列车控制系统CTCS（Chinese Train Control System）是我国为进一步适应铁路发展战略而制定的一套技术规范，以保证铁路运输安全，促进铁路运输的发展。其中，CTCS-2级系统是目前我国正在使用的一体化列车控制系统，是基于轨道电路和点式信息设备传输信息的列车运行控制系统，面向提速干线和高速线，现已被广泛应用于我国高铁的运营。车载设备作为列控系统的重要组成部分，在工作过程中会产生大量数据，这些数据的采集和处理对高速列车的安全运行有着重要意义。

目前，国内正在使用的车载设备数据分析工具主要分为文本分析工具和图形分析工具两类，前者的分析依赖于多种格式的数据文件，分析过程具有切换文件不方便以及数据展现不够直观的缺点。后者虽满足了部分数据的图形化展现，却存在图形界面不支持数据检索与仿真，分析过程无法脱离文本文件存在等缺陷。

1.2 文本分析工具

目前国内主流的车载设备文本分析工具的原理是将车载二进制文件解析为若干个Excel文件和HTML文件，如法国CSEE公司的PCSAM软件，是将运行记录生成约20个Excel文件和众多HTML文件。其中Excel文件是记录高铁运行过程实时数据的运行文件，HTML文件为可用浏览器查看的应答器报文。此类工具操作简单，但功能性也有一定的局限，具体如下[1]：

（1）数据文件种类繁多，分析工具兼容性差。由于目前国内引进的列车车型和相关技术来自不同的厂商，而这些数据采集系统产生的数据文件格式不一，需要由这些厂商设计的相应数据解析软件读取，而各个软件支持的格式不能互相兼容。

（2）车载设备所产生的数据量庞大，人工执行效率低。列车的运行产生的数据量是非常庞大的，有些文件达到几万条，目前的人工检测工作方式会给工作人员带来极大的负担。

（3）数据呈现方式不够直观

（4）缺少数据检索和仿真功能，缺少故障分类和前期预警功能。

（5）缺少数据统计功能，关键数据仍需要分析人员手工统计和计算。

（6）界面单一，未考虑到分析人员对功能的需求差异性，未设置人性化配置文件。

1.3 图形化分析工具

图形化分析工具处理数据的步骤是先将车载二进制数据解析为系统数据，程序按特定的方式进行读取，据此生成图形与表格供分析人员使用。此类工具虽使数据观测更加直观，但也有另一些不足，具体如下：

（1）不能完整展示全部数据。

（2）不支持数据检索，查询详细数据还是要依赖于文本化数据。

（3）不支持数据仿真功能，缺少故障分类和前期预警功能。

（4）缺少数据统计功能，关键数据仍需要分析人员手工统计和计算。

（5）界面单一，未考虑到分析人员对功能的需求差异性，未设置人性化配置文件[1]。

2 高铁列控车载设备数据分析平台的设计

针对数据采集系统产生的数据文件格式不一且互不兼容以及缺乏故障统计与诊断的情况，该平台不但可以统一文件的格式，而且可以对故障信息进行统计与诊断并图形化显示。

平台使用逆向分析技术，分析出各厂商的数据解析软件生成文件的方式，并进行重新编写，统一了解析软件解析出来的文件格式。格式统一的文件为数据的统计分析以及图形化显示提供了极大的便利。

平台的图形化显示使用C#与MATLAB混合编程来实现。通过将*.m文件用MATLAB编译器编译成可供C#调用的动态链接库文件（*.dll文件），然后在C#中实现混合编程[3]。

平台使用基于文本挖掘的车载设备的故障诊断方法来进行故障诊断[4]。

2.1 平台的总体设计思想

高铁列控车载设备数据分析平台的核心是通过逆向分析，统一不同数据解析软件生成的文件的格式。用户在使用此平台时，不用多次切换文件，提高了工作效率。图1为高铁列控车载设备数据分析平台的设计图，共有9个模块，分别为参数设定、数据下载、文件解析、详细文本信息、统计信息、文件读取格式选择、文件存储格式选择、故障信息提取和故障信息分析与诊断[2]。

图1 基于逆向分析的高铁列控车载设备数据分析平台总体设计图[2]

车载设备将数据下载下来，使用平台生成统一格式的文件，各个模块加载数据,实现它们对应的功能。功能模块名称与说明如下。

2.2 逆向分析技术

表1 功能模块名称与说明[2]

平台生成统一格式的文件是使用逆向分析来实现的。通过分析数据解析软件的动态链接库，分析其导出函数的参数类型、参数个数以及返回值来作为参考，重新编码实现其功能，代替只能生成特定文件格式的数据解析软件，从而使文件格式统一化。IDA Pro可以将汇编代码翻译成C++代码，通过观察汇编代码、C++代码以及函数都调用了哪些系统函数，来推断函数的功能以及函数参数。通过编写测试代码，显式调用动态链接库。通过GetProcAddress获取函数的起始地址并返回一个函数指针。调用函数指针来调用动态链接库中的函数，从而确定推断出来的函数参数的正确性。

对于调用函数较多的导出函数，使用Ollydbg对其进行动态调试。使用Ollydbg设置INT3断点，单步运行，查看导出函数被调用时都有哪些值被压栈。根据程序的调试过程可以推断出向函数传递了哪些参数。

通过静态调试和动态调试相结合的方式，逐步推断出函数的功能、参数以及返回值从而重写函数实现其功能。

2.3 数据的图形化显示[3]

C#综合了VB的可视化操作和C++的高运行效率，其强大的操作能力、支持.NET开发和便捷的面向组件编程都适合用来进行平台的开发工作。但其在统计方面存在不足，而MATLAB在计算和图形处理方面具有非常强大的能力。但MATLAB在运行效率和外部设备连接上却不尽人意。平台从简单实用的角度出发，通过将*.m文件用MATLAB编译器编译成可供C#调用的动态链接库文件（*.dll文件），然后在C#中实现混合编程。MATLAB编译器deploy命令将*.m文件转换成*.dll文件，将此*.dll文件保存到相应的目录下，*.dll即为.NET可以使用的动态链接库。使用.NET对此*.dll文件进行调用，即可完成数据的图形化显示。

2.4 故障信息的诊断

平台以故障文本信息为依据，使用基于文本挖掘的高铁列控车载设备的故障诊断方法[4]。

3 结语

大数据时代应充分运用大数据的力量。高铁列车每秒都将产生数量巨大的信息。这些信息具有价值密度低，却极其重要的特点。以系统各部件结点温度举例，由于数据量巨大，异常数据夹杂于海量信息中常常难于察觉，这就需要软件为我们完成数据的筛选和预处理。一体化数据分析平台的提出，正填补了我国高铁车载设备数据分析领域的空白。不同的车型及车载设备将统一由读取分析一体化的、功能全面、可视化的新型数据平台接管。此举将有效地打破外国厂商多年的垄断地位，使中国的高铁发展更上一个新的台阶。

[1]吴卫平,张利芝,唐俊同,杨献,刘旭君.高速铁路车载设备图形化仿真分析装置[P].湖南：CN101877023A,2010-11-03.

[2]吴卫平,杨玻雅.高速铁路车载设备记录的图形化分析平台[J].高速铁路技术,2011（03）:24-28.

[3]李凯,王劲松.Visual C#与MATLAB混合编程原理及其在数据图形化中的应用[J].数字技术与应用,2014（09）:55-56.

[4]赵阳,徐田华.基于文本挖掘的高铁信号系统车载设备故障诊断[J].铁道学报,2015（08）:53-59.

Abstract：

The formats of files generated by high-speed railway on-board equipment are diverse and incompatible with each other.The existing analy⁃sis tools can hardly fit these file formats and lack functions of fault statistics and diagnosis.The platform designed can figure out the means each data parsing software use to read data files based upon reverse analysis technology,and restructure them to a unified format.Uses C#and MATLAB programming to visualize these data.This platform can also use text mining methods to dig out potential failures according to the text messages.All different types of vehicles and on-board equipment can be managed by this read-analysis-visualization integrated platform.

Keywords：

Reverse Analysis;Data Graphical;File Format;Fault Statistics

Design of Graphic Analysis Platform for High-Speed Railway On-Board Equipment Based on Reverse Analysis

WANG Ying1，WANG Meng-yuan1，CHEN Ze-hua2，MA Hai-feng2，WANG Ze1
（1.Department of Information Security,Northeastern University,Shenyang 110819；2.Department of Software Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819）

2017-04-14

2017-06-18

1007-1423（2017）18-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.18.016

2016年国家级大学生创新创业训练计划项目（No.201610145114）

王颖（1995-），女，陕西韩城人，学生