城市轨道交通车辆无线传输装置设计研究

刘玲娜，庞明潇，王甜甜

（1.青岛地铁集团有限公司工程建设分公司，山东青岛 266000；2.青岛地铁集团有限公司运营分公司，山东青岛 266000；3.青岛市运输事业发展中心，山东青岛 266000）

0 引言

无线传输装置（WTD）是列车控制及监控系统的重要组成部分，负责将车辆MVB 总线上的状态数据、故障数据、部分健康管理数据及车载PIS 视频摄像机至少一路视频流数据实时上传到地面智能运维系统，并负责解码、统计、分析展示等，实现对列车运行状态全面监控，提高列车运营的可靠性及安全性[1-2]。

1 系统架构

国内某地铁列车控制及监控系统在头尾车各安装一台无线传输装置，车载系统主要包括车辆状态监控系统及其他车载子系统监测系统组成。无线传输装置依靠以太网获取列车上各个监测子系统的实时数据和非实时数据，通过地面PIS（Passenger Information System，乘客信息系统）的无线传输通道上传车辆数据。系统架构如图1 所示。

图1 系统架构

2 数据传输内容

无线传输装置通过MVB 接口接入到MVB 总线，实时获取车辆运行状态数据和故障数据；通过一路以太网接口接入到车载PIDS 系统的交换机，实时获取车辆摄像头的视频流数据；通过一路以太网接口接入到以太网维护网，实时获取子系统的健康管理数据；通过一路以太网接口接入到地面PIS 系统车载交换机，通过地面PIS 系统的无线传输通道上传车辆数据。

车辆段智能运维系统通过地面PIS 系统接收无线传输装置的状态数据、故障数据、部分健康管理数据及车载PIS 视频摄像机至少一路视频流数据（具体视通信带宽多少而定，一般一路720 p 视频流占用2 Mbps），并负责统计、分析、展示等。

3 无线传输装置功能模块

无线传输装置的功能模块如图2 所示。

图2 无线传输装置功能模块

3.1 电源模块

采用110 V 高可靠车载隔离电源模块，外部电源输入范围为-30%～+25%，要求具有极高的转换效率与良好的热设计，电源连接器选用三芯航空插头。

3.2 储能模块

配置板载储能模块，当外部输入电源断电时，能短暂维持整机工作。当整机功耗低于40 W 时，输入电源断电后整机供电能维持时间至少5 s。

3.3 视频采集处理模块

视频采集处理模块主要用于列车音视频信息采集、处理和传输。将车辆基本状态信息叠加到音视频信息上，传输到地面监控平台，方便地面工作人员对车辆的实时监控，提高列车的运营安全性。

3.4 MVB 通信功能

支持至少500 个MVB通信端口数据监听采集；MVB通信一致性测试满足：GB/28029.2—2011/IEC61375 -2《2007 牵引电气设备列车总线第2 部分：列车通信网络一致性测试》标准检验。

3.5 安全网关模块

车载系统在车地数据传输过程中，设计以下安全通信机制，保证数据通信可靠性。车载设备在数据传输软件层面对数据发送进行校验及加密处理，地面数据解析需要对数据包会进行多层校验，以验证数据包有效性，无效消息不予理会，直接丢弃处理。车地通信方式为单向主动通信方式，不支持地面远程端主动发起数据请求，只做远程单向传输监控，不做远程控制。可根据实际需求，选择配置无线通信安全板卡模块作为车地通信网关单元，具有安全防护功能，提供相应的安全机制，实现车地之间的隔离，保护车辆的网络安全。至少包含以下功能：

（1）设备接入控制。DHCP 白名单：只对指定MAC 地址的客户端设备分配IP；设置静态路由表：指定目的地的报文将按照指定路径转发；端口映射功能：使Wi-Fi 连接外网设备可以访问指定的内网设备端口；ARP 防护配置静态ARP 表：绑定IP 地址和MAC 地址的映射关系。

（2）IP 包过滤。支持访问安全板卡的IP 包的进出站过滤；支持经过安全板卡转发的IP 包的出站过滤；支持IP 包的进出站默认策略，包括禁止和允许；支持针对IP 包的源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议类型进行包过滤。

（3）攻击防护。流量统计：统计进过安全板卡转发的上下行流量，形成分析报告，支持导出。支持设置单IP 的最大并发会话数，防止大量非法连接产生时影响网络的性能。防DoS 攻击：包括防icmp flood 攻击、udp flood 攻击、tcp syn flood 攻击和icmp 洪水。支持自动检测和记录TCP、UDP 端口扫描，自动阻止恶意扫描的IP 访问本机服务。

3.6 大容量存储模块

在具有以太网信息采集的功能需求时，设备可支持至少0.5 TB 大容量数据存储，用于存储包括以太网离线数据文件在内的文件存储。

3.7 CPU 模块

CPU 芯片选用高性能处理器，主频至少1.8 GHz，运行内存2 GB；CPU 板上需具有三路以太网接口，拥有一路千兆以太网口，可完成接入到以太网维护网络实现基于以太网的数据采集记录存储、功能维护使用；支持2 路USB 接口；板卡构成整机功能具备：通过MVB接口和以太网接口，从MVB 总线和以太网总线上获取列车各子系统实时状态数据及故障数据，并对收集各子系统状态及故障数据进行实时数据融合、清洗预处理后，完成数据同步存储同时，借助PIS传输通道，实现数据远程无线上传。采集频率可达100 ms 级，可满足基于通信总线全量数据端口采集上传功能；采用基于TCP 的车内以太网采集及车地通信数据传输协议，支持断网重拨、断网重连、丢包重传机制，保证以太网数据采集、信息车地传输可靠性。

4 智能运维传输带宽

4.1 TCMS 系统MVB 总线数据

TCMS 系统车辆数据主要是列车MVB 总线上各子系统状态和故障信息，如牵引系统、制动系统、辅助系统、车门系统、空调系统、PIS 系统以及报警状态、旁路状态、紧急制动状态等信息。需要下传的基于列车MVB 通信总线数据量约为2 kB，以500 ms 数据传输频率上传数据。考虑到无线传输链路可能存在不稳定性，系统支持丢包数据重发策略。综合以上所需建议传输带宽至少为256 kbps。

4.2 各子系统以太网数据

（1）车门系统。一列车挂载6 个设备，且相互独立，每个设备需要的带宽是500 kbps，6 个设备需要的总带宽3 Mbps。车门系统传输数据清单见表1。

表1 车门系统传输数据清单

（2）空调系统。一列车挂载6 个设备，且相互独立，每个设备需要的带宽是5 kbps，6 个设备需要的总带宽是30 kbps。空调系统传输数据清单见表2。

表2 空调系统传输数据清单

（3）PIS 系统。一列车挂载2 个设备，相互冗余，每个设备需要的带宽是1 kbps，2 个设备需要的总带宽是2 kbps。PIS系统传输数据清单见表3。

表3 PIS 系统传输数据清单

（4）制动系统。一列车挂载4 个设备，相互冗余，每个设备需要的带宽是40 kbps，4个设备需要的总带宽是160 kbps。制动系统传输数据清单见表4。

表4 制动系统传输数据清单

综合上述，各个子系统实时数据流传输所需的最大总带宽峰值为3.448 Mbps。考虑后期数据获取量增多的可能，建议单台设备数据传输整体带宽需求至少满足4 Mbps。

5 结束语

通过研究分析，确定了城市轨道交通车辆无线传输装置无线传输装置系统架构、数据传输内容、功能模块和传输带宽，并成功应用，对后续系统设计及老旧线路系统改造具有一定的指导意义。