STP系统车载站场数据无线换装方案

王浩然，唐汇东，任宛星，冯军

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 北京华铁信息技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081）

目前，无线调车机车信号和监控系统（STP）已在全路广泛应用，对保障调车机车作业安全、防止调车事故发生、规范调车作业安全管理发挥了重要作用。随着我国铁路的快速发展，线路改造升级日益增多，站场数据的换装工作量越来越大，已逐渐成为制约STP系统发展的瓶颈。

1 现状分析

STP系统是实现调车作业安全的计算机控制系统，通过地面设备获得集中联锁车站调车作业相关的信号机、道岔、轨道电路信息，通过车载设备获得机车定位、机车工况信息。将这些信息与STP系统的站场数据进行综合处理，完成对调车作业车列前端、后端位置的连续跟踪。通过列车运行监控装置（LKJ），实现对调车机车信号显示和车列速度的监控[1]。系统车地间采用无线通信方式，其基本结构见图1。

STP系统站场数据需要与站内铁路运输基础设备的数据保持高度一致，包括站场的信号机、道岔、轨道电路、点式应答定位器、进路，以及与站场调车作业相关特殊控制点的位置、距离、限速等信息，其作为STP系统控制运算的基础，直接决定了站场图显示和系统防护功能。一旦站场相关信息发生变动，则站场数据也需同步进行更改。根据《无线调车机车信号和监控系统技术条件》（运基信号〔2004〕73号）的要求，要实现STP系统的全部功能，需要在STP系统的地面设备和车载设备分别存储站场数据。如果站场数据发生变化，则需要对地面设备和车载设备的站场数据进行同步升级。其中地面设备固定在信号机械室中，由STP系统厂家人员直接进行换装，升级方便。而车载设备安装在机车上，换装时需要电务车载人员逐车进行操作。由于机车数量众多，而且作业区域并不完全固定，现场为了方便管理，对车载站场数据一般采用段一级进行统一换装，例如成都电务段，有大约70台安装STP系统的机车，假设每年有3个站进行联锁改造，则1年需要210次车载站场数据换装作业，工作量很大。为降低车载站场数据换装压力，现场也有按照调车机车作业线路进行统一换装的，但该方法要严格控制调车机车的作业区域，对现场的机车调度管理要求较高，不好卡控，容易出现遗漏。

图1 STP系统基本结构

另一方面的问题是换装结束后缺乏有效的版本校核手段。当STP系统的地面和车载站场数据版本不一致时，系统不能立即提示司机或停用STP系统，可能导致现场出现站场图显示混乱、距离不准甚至信号升级等严重问题。

2 解决方案

为减少STP系统车载站场数据的换装工作量，加强地面、车载站场数据的版本校核管理，提出在不增加硬件的情况下，采用优化数据结构、数据压缩和安全通信协议等技术手段，利用既有STP地面设备和机务段STP出入库检测系统，通过无线通道与STP车载设备进行数据交互，对车载设备的站场数据进行自动校核、自动升级和版本卡控。交互过程中采用断点续传及MD5校验技术。通过STP系统的上位机（电务终端和车务终端）完成换装过程的实时跟踪和销记管理，实现车载站场数据安全、稳定、可靠的无线换装[2]。

2.1 技术手段

由于既有STP系统无线通道只能是数传电台或GSM-R系统，其自身9 600/19 200 b/s的通信带宽成为整个无线换装方案的速度瓶颈，而车载站场数据是以站场为单位进行划分，对于规模大的站场，需要描述的设备数量较多，文件较大，通过无线通道进行数据换装所需时间很长。因此必须考虑尽量减少通信的数据量，降低换装的通信耗时，同时保证数据传输的安全、可靠。

2.1.1 数据优化

为减少数据传输的内容，通过对车载站场数据结构进行优化，只对发生变化的数据进行传输。将站场数据按照数据内容的属性进行细粒度的分块划分，拆分为多个子区块，例如信号机区块、轨道电路区块、道岔区块、定位器区块、限速区块、表示信息区块、距离区块、进路区块等，拆分示例见图2。进行数据换装时，车载设备先将自身数据中各区块数据的校核码发给地面，地面设备将接收到的校核码和本地保存的发布版本的数据校核码进行比对，标记出发生变化的区块信息，生成1个差异区块信息列表，作为后续针对此机车进行无线换装的增量升级信息。换装时只需对这些增量信息进行上传，提高了升级效率。

图2 站场数据拆分示例

2.1.2 数据压缩

为降低车地数据传输的通信量，对传输的数据包采用压缩技术。数据压缩是为了减少数据占用的空间，将数据转换为比原始数据更加紧凑格式的过程。如果通过解压缩重建的数据与原始数据始终完全相同，对应的压缩算法为无损压缩算法。否则，就是有损压缩算法[3]。对STP系统必须选用无损压缩，考虑到STP系统车载设备作为嵌入式系统，相对而言CPU速度不高，内存偏小，最终选用miniLZO数据压缩算法。作为一种轻量级的压缩和解压缩库，其编译后的库小于5 kb，占用内存少，解压速度快。在本方案中，地面设备需要先将上传的数据进行压缩，然后发给车载设备，车载设备解压恢复完整数据后再进行更新。系统中地面设备的硬件配置比车载设备要高很多，而车载设备运行的实时性要求很高，因此应尽量减少车载解压缩计算的资源消耗。miniLZO高速的解压和很低的资源占用正好满足车载设备需求。

2.1.3 安全通信协议

由于无线通信在空中容易遭受同频信号干扰、信道监听等[4]影响，造成信息泄露和丢失，而车载站场数据的重要性要求必须保证数据传输的安全、真实、可靠。在此借鉴EN 50129标准[5]中有关防护措施与危险源应对关系（见表1）的方法，设计STP系统车地无线换装安全通信协议。针对在无线数据换装过程中可能出现的信息重复、丢失、乱序、损坏等错误进行防护[6]，本协议采用序列号、时间戳、超时、源和目的标识检查、安全码与加密等技术实现安全的信息传输功能。

安全通信协议包含如下信息：

（1）序列号：在车地通信协议中设置1个字节的序列号，标明当前通信的通信序号。每完成1次成功的运行周期则通信序号加1。

（2）时间戳：数据传输过程中的信息交互都与时间相关，若超过500 ms，则接收方将信息做失效处理。

（3）超时：系统的通信周期为500 ms，当接收方收到信息后立即给发送方发送回执信息。如果发送方发送和收到回执的时间间隔超过500 ms，则将做失效处理。

表1 防护措施与危险源应对关系

（4）信息帧：设置源地址和目的地址。源地址用于标识地面设备，1个场至多有1个地面设备，所以用地面设备所在站代号和场代号表示（4个字节）。目的地址就是机车的机车号（3个字节）。

（5）反馈信息：发送方发送的数据中带有信息标识码，接收方收到后，会将此标识码返回给发送方，发送方收到这个标识码才确认接收方接收成功，否则需重新发送。

（6）安全码：采用纠错技术以提高传输质量，在协议中采用32位CRC循环编码，目的是检测出信息中的错误，以保证信息的完整性。

（7）加密技术：系统根据自身的软硬件需求，选用合适的密匙和算法技术，可有效防止开放式传输系统内的信息泄露。

协议帧格式见表2。

2.2 站内无线换装

STP系统车载站场数据站内无线换装分为4个阶段：版本校核、准备传输、文件传输、传输完成。无线换装流程见图3，详细步骤如下：

（1）版本校核。站场改造时，STP系统厂家将地面设备中的站场数据更换为发布版本的站场数据文件。此文件将作为对车载设备进行无线换装的站场数据源。地面设备将该站场数据版本信息以广播方式发送给站内所有安装STP系统的机车。机车收到后进行版本核对，如果发现不一致，则提示司机，并退出STP系统安全防护状态，此时机车进入准备传输阶段。

表2 协议帧格式 byte

（2）准备传输。机车要根据当前站场机车情况、无线通信状况向地面设备发送请求升级信息。请求升级信息包含机车自身站场数据的各子区块信息的校验码。地面设备收到后将其与本地存储的站场数据源区块信息校验码进行比较，整理出需要进行数据升级的差异化区块信息列表并保存。待后续合适时机由地面设备发起对该机车的数据升级作业，进入文件传输阶段。

（3）文件传输。根据地面设备之前保存的针对该机车的车载站场数据差异化区块信息表，地面设备发送相应的升级数据区块大小及其偏移量给车载设备。车载设备根据这些信息，检查自身存储空间和系统状态是否正常并返给地面设备。如果返回信息不正常，地面设备记录故障码，退出本次换装；如果正常，则开始发送各差异化区块信息包。发送时地面设备需对信息包进行miniLZO压缩。车载设备收到地面设备发来的信息后，对数据进行合法性校验，并将校验结果返给地面设备。同时车载设备将收到的信息进行解压缩并缓存。地面设备根据返回的校验结果决定是否发送下一包或重发上一包。依此类推，直至所有差异化区块信息发送完毕。如果通信过程中出现异常，导致多次重发失败，地面设备自动退出本次数据换装过程。

（4）传输完成。当文件传输结束时，车载设备需对接收的整个文件进行MD5校验[7]，与地面设备发送的MD5码进行比对，确认升级后的文件和地面设备是否一致。如果不一致，则认为此次升级失败，需要后续合适时机再次进行升级；如果校验一致，则向地面设备发送传输完成应答包，完成数据换装过程。车载设备加载更新后的站场数据，恢复STP系统正常防护功能。

2.3 库内无线换装

对于在机务段的机车STP系统，由于和站场地面设备无法建立无线通信连接，可利用既有安装在机务段的STP出入库检测系统完成车载站场数据的无线换装。首先将发布版本的站场数据同步到STP出入库检测系统中。当机车准备出库，到达机车出入库线时，通过STP出入库检测系统对车载设备的站场数据进行版本校核，如果不一致则进行无线数据换装。出入库检测系统模拟STP系统地面设备，通过无线方式与车载设备进行数据交互，完成车载站场数据升级。整个过程和站内无线换装类似，完成后，通过STP出入库检测系统的版本校核功能进行确认。

图3 数据无线换装流程

2.4 过程卡控

（1）当STP系统车载设备和地面设备的站场数据版本不一致时，需要确保机车不会进入STP防护模式。

（2）当车载设备和地面设备正在进行数据换装时，需要明确提示司机“当前系统正在进行数据换装”，防止司机误认为是STP系统故障。

（3）在文件传输阶段，如果因某些原因（信号遮挡、距离过远、设备故障等）导致车地通信中断，待下次无线数据通信恢复时，为确保STP系统车地数据稳定、高效的传输，需采用断点续传技术，即通信中断时车载设备会将已收到的数据包进行本地缓存。当车载设备再次进入准备换装阶段，会将已收到数据包相关信息发送给地面设备。地面设备根据这些信息继续从断点处发送剩余数据内容。

（4）如果在传输过程中出现一些严重问题，例如通信突然中断、数据块的MD5校验错误等，导致此次无线换装失败，系统会记录此故障码，并结束本次换装工作，改为对下1台机车进行换装。采用轮询方式，直至其他机车都轮询1遍，再重新对换装失败的机车进行换装，避免因为1台机车换装失败而影响对其他机车的数据换装作业。

（5）在STP系统的上位机可查看机车当前使用的站场数据版本、是否和地面站场数据的版本一致、是否正在进行数据换装、换装所处阶段、换装预估完成时间等，方便相关人员了解当前机车的数据换装状况，尽量降低对现场机车作业的影响。同时系统能够统计每次换装耗时、累计换装次数、已完成和未完成数据换装的所有机车信息，方便电务人员查阅、统计、销号。如果换装失败也要记录失败原因、失败次数。如果多次换装不成功，则需要电务维护人员对该机车进行人工换装以完成换装销记。

3 结束语

针对现场反映强烈的STP系统车载站场数据换装作业和管理问题，提出一种低成本的车载站场数据无线换装方案，并在实验室环境下对无线换装方案全过程进行模拟测试。对于规模大的站场，单台机车的整个换装时间控制在6 min内，能够满足现场作业要求。与传统依靠人工上车进行数据换装相比，大大减少了工作量，杜绝了数据换装常见的错换、漏换问题，消除了车地数据版本不一致导致的安全隐患，为调车安全、可靠作业提供了有力保障。