列车车地传输系统数据采集问题的研究

胡崇尔，邓乙平，杨松林，冯鑫，谭宇文

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266114）

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，支撑安全运营的生产业务不断增加，迫切需要将列车运行状态、故障等信息可靠地传输到地面，方便地面运营维护人员及时了解车辆运行状态，从而为列车运行提供远程专家技术支持和远程诊断。车地无线传输系统基于此种应用场景出发，通过实时采集列车运行数据并发送至地面数据平台解析处理的方法实现对列车的远程监控[1]。车地无线传输系统经过一段时间的推广与使用，已深入列车运营维护的各种场景，成为车辆运维不可或缺的基础系统之一。通常新建车辆段都会把车地无线传输系统作为必选项进行建设[2]，但现有的运营线路之中，仍有大量未配备传输系统的老式列车存在，故这部分列车有急迫的车地无线传输系统加装改造需求。

车地无线传输的系统改造的核心难点是如何完成车辆运行数据的采集。常规的采集方案需要通信双方约定通信协议实现交流。但老式列车改造会出现诸如：列车过保修期对接成本高、系统供应商退出中国市场、存档技术文件因程序迭代失效等问题，无法完成数据采集。此时需要从破解的角度出发，对数据进行抓取和分析，推理出对应的接口参数和通信协议，实现数据采集的目标。

本文将介绍一种基于破解的列车网络控制系统的数据采集方法与数据解析逻辑，为后续类似的列车各系统接口适配及网络控制系统升级提供参考。

1 采集接入点选择

数据采集接入点的选择，需结合列车网络控制系统拓扑分析。由于待改造的列车通常上线运营时间早，列车网络控制系统规范尚不统一，所以系统采用的拓扑结构相对多样，每种拓扑结构都需要针对性处理。网络控制系统拓扑结构可大致分为三大类：网状总线型、两级总线型、树状结构型。

针对网状总线型网络，其数据接入点选取简单。因其数据均存在于统一总线上，故数据采集点可选取于总线上任意一点，即可获取到全车所有数据满足系统所需。

对于两级型总线，因为车辆级总线通信速率高于列车级总线，且多组车辆级总线数据需汇总至一个列车级总线，所以仅有少量车辆总线数据被上传至列车总线中。如只采集列车总线，则数据量难以满足需要，故数采点选择一般遵循分别采集车辆级总线的原则。

对于树状总线，无法从总线上获取列车全量数据。只能选取数据量尽量完整的子系统，以达到对列车数据监控的效果。所以采集人机接口单元（显示屏）数据通常为最佳采集点选取方案。

2 通信协议解析

通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了通信设备间的信息单元格式、信息单元应该包含的信息与含义、连接方式、信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。协议的约定按照约定内容的不同，大致可分为物理层、数据链路层和应用层协议，需逐步破解。

其中应用层协议的破解工作量最大，且具有一定盲目性[3]，需结合适当的逻辑推理减少测试工作量。本文将以一种树状结构的人机接口单元与网络主机的通信线为例，说明通信协议的破解对接思路。

2.1 物理层

物理层需要确认通信线的联系方式与波特率。通过对电路图的分析找到通信线位置，测量波形。经过多次抽样测试，高低电平持续时间均为8.6μs的倍数。可初步确认通信波特率为1000000μs/8.6μs=115200Bps。同时根据测量及电气原理图，可得接口物理层参数如下：

表1 接口物理层参数

2.2 数据链路层

数据链路层需要确认数据的校验的形式和帧的始末、数据区。通过示波器对抓取的信号进行分析，可发现其起始位具有周期性，截取两个周期的信号如下：

图1 通信位展开图

将8.6μs作为基准宽度，分析可得RS422的通信参数为：起始位0、停止位1、数据长度8bit、偶校验。

使用核实的通信参数配置入网关中采集数据，可发现报文中有STX（正文开始标识符）与ETX（正文结束标识符），经整理，可发现其出现周期为200ms左右，由此可确定，网络主机-人机接口单元的报文，开始/结束标志位STX/ETX，其间为数据区。

至此数据链路层信息参数全部确认完毕。

2.3 应用层

应用层需要确认通信线上每一位数据的含义。应用层协议破解的常规方式为对通信数据与车辆状态进行双向确认，反推数据代表的实际含义。此种方法具有一定盲目性，工作量较大[4]。故此次破解根据数据帧的一般构成形式采用具有流程逻辑的破解方法，寻找数据中的内在规律，能有效减少工作量、提高破解效率。破解流程主要分为帧格式分析与数据位分析两步。

帧格式分析需确认每帧内数据的组成形式，需要确认实际意义对应的大致数据区域，为后续的破解进行数据分类，提高数据筛查效率。仍以上文通信线为例，对数据进行分析，可发现每帧有三个数据链路转义字符（DLE），故可将报文整理为三个区间。通过测试确定这3个数据区代表的含义，确定解析的大致位置。

数据位分析则需遵循“先易后难”的原则，先分析定位具有区域性、周期重复性的数据，再定位零散数据。同时根据简单数据总结的规律来辅助分析困难数据。仍以上文的人机接口通信线为例：具有重复周期的数据，容易定位解析。此时因操作对应状态并定位区域，易得各工况状态的数据意义。根据先定位再定状态的方法可在较短的测试时间内，完成通信线上大部分的数据协议解析。同时在区域性数据的解析过程中，还确认到了关于数值形式、显示排列等规律。对于列车中的零散数据，即数据全车仅有一组且占位少的数据，如电网电压、司机室激活端等信息，则可借助上述规律相对高效地完成数据破解[5-6]。

3 协议验证

完成车辆接口对接后，需对协议进行转换，变化为符合主流列车通信标准的协议，即地面监控平台所支持的通信协议。才可实现对列车状态的实时监控。经过逻辑处理后，同时对通信帧频率进行降低，在满足车地无线传输监控的需求下尽可能节省无线通信带宽和流量消耗[7]。

最后对转换好的数据帧进行封装，封包为TCP协议数据，实现列车运行状态数据的上传。核对列车与平台显示的状态，即可验证数据采集处理无误。

4 结语

针对车地无线传输系统采集接口主动适配问题，进行了深入的方案研究。充分考虑了改造车辆所面对的特殊情况，提出了一套针对列车网络协议资料缺失情况下的列车数据采集方法，并验证了该方法的可行性。对后续车地无线系统的改造推广、对列车网络控制管理系统的升级改造工作都具有一定参考意义。

但是，数据主动对接是资料缺失的情况下的特殊解决办法，对接本身只是复现了初始设计过程，却占据着整个改造工作的大部分工作量。所以数据协议的规范化和统一化显得尤为重要，标准与统一才是根本解决设备通信壁垒的最佳方案。应持续推动协议标准的制定与运用，为升级改造留有空间，更可以降低系统间的配合难度，提高电气设备的一体性。在协议标准化的基础之上更应推动标准地铁的发展，进一步统型车辆装备，为地铁的使用和维护带来便利。