列車狀態遠程實時監控系統研究與設計

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

動車組列車地面功能調試是動車組生產最關鍵的步驟之一，調試過程復雜且消耗大量的人力、物力，調試數據繁多且利用率較低。為提高調試效率，減少人為因素影響，保證調試結果的可靠性，保證試驗安全高效進行，對列車狀態進行遠程實時監控十分有必要[1]。

目前，利用無線通信技術對動車組調試狀態實時監控系統還處于一個較低的水平，僅少部分試驗工具實現了遠程數據采集功能，列車功能調試仍按照功能檢驗文件進行功能驗證，觀察試驗現象，記錄試驗結果，未對調試過程中整個列車狀態進行監控。為滿足現代化智能監控管理要求、快速靈活監控動車組調試狀態，本文提出了一種基于無線通信的列車調試狀態遠程監控系統，利用多線程技術實現多列在調動車組狀態同時監控，提高了遠程狀態實時監控效率；采用數據庫管理與儲存狀態數據，為故障診斷提供數據支撐，提高了調試質量的可追溯性；監控界面設計友好、便于操作實現了集中監控、管理與維護[2-3]。

1 系統結構及原理

列車狀態遠程實時監控系統由數據采集模塊、無線通信模塊、數據管理平臺三部分組成其系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

根據動車組WTD裝置實時數據接口通信協議，系統通過車載數據采集裝置連接到動車組WTD，以UDP的通信機制實時采集調試狀態數據；采集到的數據會推送到無線通信模塊進行重新打包，利用以太網將狀態數據遠程發送到數據管理平臺的數據管理服務器；數據管理平臺對數據進行解析，將狀態信息推送到數據監控平臺進行發布；將故障信息推送到監控平臺并發出警報；同時全部數據將會存儲數據庫中，并能夠實現歷史數據的查詢、導出功能。

2 系統總體設計方案

結合動車組WTD裝置接口數據協議，對動車組功能系統按照“系統-模塊-設備-參數”四級進行分析，得到牽引控制系統、制動控制系統、等功能系統的主要動車組參數，結合動車組調試現場需求，列車狀態遠程實時監控系統應具備以下功能：實時采集多列動車組狀態數據并利用無線通信將數據發送；接收遠程發送的列車數據，并將數據儲存在數據庫中；列車狀態監控界面應實時顯示在調動車組狀態信息。同時，從工程實際應用的角度出發，系統應有較高的可靠性、實時性和可擴展性。

車載數據采集裝置任務量大，需要較好的處理器性能，同時考慮車載環境中抗震動、溫度、濕度的要求，選用飛凌嵌入式工業級 FET210核心板并采用三星公司生產的 S5PV210 芯片作為主處理器， 基于 Cortex-A8架構，處理器主頻可達 1 GHz，具有 32/32 KB 的數據/指令一級緩存，512 kB的二級緩存，配備 512 MB DDR2 內存、1 GB SLC Nand Flash，具有2000 DMIPS的高性能運算能力，完全能夠滿足車載數據采集裝置性能的需求。

無線通信模塊采用DM9000A作為網絡主控芯片集成了 10/100 MB 物理層接口，讀寫時間壓縮到 10 ns，在內部集成 16 KB SRAM 作為接收和發送的 FIFO 隊列緩存。模塊采用WiFi與4G冗余通信，優先使用WiFi通信，數據通信速率不小于2 Mbit/s，時延不大于500 ms。

數據管理平臺服務器用于處理相關業務邏輯、請求轉發，可支持不少于1000個用戶的并發訪問，具備SQL server數據庫插件，儲存空間為50 TB，滿足300列動車組3年得數據儲存量。

3 系統設計與實現

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊是利用車載數據采集裝置，通過匹配車型的WTD協議，實時監控WTD數據通信接口，獲取動車組實時狀態信息，并將狀態信息推送到無線通信模塊。

本系統利用WTD實時數據讀取接口，獲取動車組調試數據，在數據傳輸過程中，首先由數據采集模塊向WTD發送注冊幀，WTD主機回復確認幀，然后開始發送數據。WTD在發送數據確認幀后，進行周期性數據包的發送，包括實時數據包和狀態數據包。數據采集模塊收到實時數據包和狀態數據包需要回復確認幀，WTD周期性數據的發送頻率不大于1秒，若WTD/PTU等待5秒也未收到相應回應，則認為數據傳輸流程結束，停止所有數據發送，等待PTU的重新注冊。

電源向WTD通信接口監控模塊和信息處理主機供電，可跟據現場環境選擇AC220V供電或者DC00V供電，監控模塊監控、采集動車組狀態數據，并將數據傳輸至信息處理主機進行重新打包推送到無線通信模塊。

圖2 數據采集模塊結構設計

車載數據采集裝置應用時放置在動車組的總配電柜附近，用M12以太網線連接WTD，電源可根據現車環境就近取電；不同車型應用時，可通過切換數據協議配置表滿足數據采集要求。

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊是數據采集模塊和數據管理平臺之間的橋梁，主要作用是列車狀態信息發送到數據管理平臺。

為保證系統能夠同時監控多列在調列車，實現無線通信服務器“一對多”的通信模式，本系統采用基于多線程的并發型通信服務器，其中包括一個監聽線程和多個通信線程。監聽線程實時監聽是否有客戶端連接請求，當有客戶端連接請求時，監聽主線程調用Accept()函數，受理客戶端請求并且監聽線程派生一個通信線程，通信線程用于實現客戶端與服務器之間的通信，而監聽線程則繼續監聽客戶端連接請求，當監聽線程把通信任務交給通信線程之后，就不在對通信線加以控制和調度。多線程通信服務器原理如圖3所示。

圖3 多線程結構服務器設計

當地面數據接收服務器接收到列車發來的數據時，數據會被多個處理線程應用，若這些處理線程處理不當則會產生資源訪問沖突，造成系統運行錯誤。為避免處理線程處理不當造成的系統運行錯誤，本系統采用lock關鍵字來協調各個線程之間的執行次序。當線程1對數據資源進行訪問時，lock()將線程1與被訪問資源加鎖，若此時線程2也要同一資源進行訪問時，必須等線程1與被訪問資源解鎖之后才能訪問。

無線通信發送器將打包好的數據發送到地面接收器，然后推送到數據管理平臺，數據通信機制為TCP/IP協議，通過調用傳輸層套接字API建立連接。在狀態數據從列車數據采集模塊向數據管理平臺的發送過程中，采用得TCP流數據模型，無線通信模塊須將要發送得數據進行必要的編碼打包，當信息數據到達數據管理平臺進行數據解析，且對數據信息做進一步的處理[4-5]。

因調試廠房電氣環境復雜，特高壓通斷電過程中會對廠房內無線網絡產生影響，為保障狀態數據的正常傳輸，系統無線網絡采用“WiFi-4G”冗余模式，即無線通信方式包括：4G網絡和WIFI網絡兩部分，兩者相互冗余，在廠房無線局域網覆蓋范圍內優先使用WIFI網絡進行通信，當廠房內WiFi信號不佳或者其他情況利用4G網絡通信。

3.3 數據管理平臺

數據管理平臺負責解析接收到的數據，數據解析完成后分別發送到數據庫進行儲存和發送到數據監控平臺進行顯示；數據庫負責數據的儲存，在數據庫中建有多張數據庫表格主要包括故障信息表格、狀態信息表格、車輛基礎信息表格、人員信息表單和用戶登錄表單等，各個表格按照各自定義的格式儲存數據；數據監控平臺通過本身的各個功能模塊完成列車狀態信息的實時顯示、故障信息實時警報、歷史信息查詢和用戶登錄等功能[6]。

數據管理平臺解析得到得數據可以分為狀態信息、故障信息和請求信息三類，并按照各個數據管理流程進行處理。

狀態信息：首先對狀態信息中的列車序號進行判斷，若當前車輛信息顯示的列車序號與接收到列車序號一致，則數據監控平臺的列車系統狀態數據將會更新到最新的狀態；若通過判斷當前車輛信息顯示的列車序號與接收到的列車序號不同，則接收到的這條狀態信息只會存儲到數據庫而人機交互界面中的數據不會發生改變。

故障信息：在接收到故障信息時，數據管理平臺將故障信息按照故障分類標準存儲到數據庫中，并且在數據監控平臺中進行故障報警。數據管理平臺會對接收到的故障信息的故障等級進行識別，當故障等級高于中等故障時，會啟動移動檢修維護服務，實現故障信息實時通知到技術人員。

請求信息：當數據管理平臺接收到列車請求信息時，數據處理層會對列車請求連接還是請求斷開進行識別，當列車為請求連接時，通信服務器建立與該客戶端之間的通信線程，用戶列表添加該列車客戶端；當列車的請求信息為請求斷開時，通信服務器會銷毀與該客戶端之間的通信線程，并且對用戶列表進行查詢，將該列車客戶端從用戶列表中刪除。

為減少大量數據的頻繁寫入和相關數據的查詢和導出對系統資源的占用，本系統利用SQL Server數據庫來儲存列車狀態監控過程中產生的海量狀態數據，數據的儲存方式為聚簇存放[7]，它具有以下優點：

1)聚簇功能可以大大提高按聚簇碼進行查詢的效率。

2)聚簇以后，相同聚簇碼的元組聚簇在一起，節省了存儲空間。

3)聚簇功能不僅適用于單個關系，也適用于多個關系。

在數據庫結構設計過程中要充分考慮未來數據結構的變化，減少數據庫中的鏈接和遷移。針對于列車設備和故障資料累積數量多、儲存壓力大和快速提取困難，在對列車各系統和故障相關資料分析的基礎上，合理分類和處理加工，有針對性的對數據結構進行了設計和優化，在數據庫中建立了多個數據表用于儲存數據信息[8-9]。

數據監控平臺用于顯示數據采集模塊發送過來的狀態信息，包括牽引控制系統、制動控制系統、高壓供電系統、輔助供電系統、實時軸溫檢測系統、網絡狀態檢測系統、車門控制系統、空調控制系統、旅客信息系統、煙火報警系統。

為了讓界面與邏輯分離，避免在修改界面控件的內容時產生異常，本系統中列車狀態信息的接收是由通信線程完成，而在系統中的界面控件是由系統主線程生成的，所以窗體中的控件被綁定到主線程，如果想要在通信線程中調用窗體的控件，則必須使用控件的Invoke方法來將調用封送到適當的線程。

系統可以通過數據庫通信語言對數據庫進行查詢，操作人員可根據情況需要對數據庫中的信息按照一定的條件進行查詢，查詢結果會顯示到數據監控中心，并且可以將查詢結果以Excel表格的形式導出。

4 系統實驗與分析

本系統主要針對動車組調試過程中，對列車各個系統的設備和參數進行實時監測，確保地鐵列車的連續運行性能良好，在地鐵列車發生故障時能夠及時的發出警報，及在地鐵列車運行之后能夠對列車的運行數據做出一定的分析。為驗證系統功能及系統運行性能，搭建了客戶端與服務器通信平臺，進行了多個車載數據采集裝置與數據管理平臺進行通信實驗，對整個系統的功能完整性、工作穩定性、數據刷新實時性以及所有系統功能的實現等進行系統測試。

通過車載數據裝置向數據管理平臺發送列車狀態數據，在列車監控平臺上檢測數據顯示，數據顯示結果如圖4所示。

圖4 列車狀態數據顯示

由圖4得出受電弓動作狀態、受電弓位置、輔助風壓、網側電壓等列車數據顯示正常，且數據更新無卡頓現象，證明系統能夠滿足動車組狀態監控功能。

Speedtest是 Linux 下的一款專業帶寬測速軟件，車載數據采集裝置運行其客戶端軟件 speedtest_cli，speedtest_cli 首先尋找最近的運行 speedtest_server 的測速服務器，之后統計一段時間內的平均上傳及下載速度。為了測試車載終端發送列車運行信息的實時性能，在車載終端運行 speedtest 通過測試實時網速[10]。

圖5 通信性能測試

由測試可知平均上傳速率可以達到 5.15 Mbit/s，而本課題狀態信息的發送對網絡速率的要求為大于 2 Mbit/s，因此，本系統采用的無線通信方式能夠很好地滿足系統通信需求，通信實時性能良好。

5 結語

本文的在深入研究與分析動車組調試現場情況后，將系統分為數據采集模塊、無線通信模塊及數據管理平臺分別進行設計，通過動車組WTD裝置實時數據接口實時采集狀態數據；利用WiFi-4G冗余設計保證了數據遠程傳輸的可靠性；建立數據庫及數據監控平臺，實現了數據的分層儲存與管理，經驗證系統滿足動車組調試狀態的遠程監控需求。隨著計算機技術和遠程通信技術的發展和數字化工廠建設潮流的推進，動車組調試狀態遠程監控最大程度保障了動車組出廠前功能調試的準確度及調試信息的可追溯性，對未來更智能化、更信息化、更多元化的動車組全壽命信息數據系統提供了重要參考與研究基礎。