面向高速動車組靜態調試的車載數據無線采集系統的研究

趙建博，孫曉東，李彤

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111，2.北京潤科通用技術有限公司，上海 200235）

目前高速鐵路得到了迅速發展，在一代又一代鐵路人的努力下，我國成為運營里程最長以及商業運營速度最快的國家。取得這樣矚目的成績，與不斷升級的動車組研發平臺、數字化調試平臺以及高效的維護與管理平臺有著密不可分的關系。作為高速動車組生產制造以及出廠調試的重要組成部分，數字化調試平臺通過分階段，分批次的建設，目前已取的顯著的成果，工程師在數字化調試平臺的輔助下可以對車型、任務、資源等信息進行統一的維護及管理，并輔助工程師進行調試任務的下載、分配、記錄和信息上傳等工作。

然而，由于絕大部分試驗數據需要依靠專門研發的工藝裝備去采集獲取；試驗效率在取得階段性提升后，又受制于相關工藝裝備的工作性能及穩定性，因此，研究一套可以進一步提高調試效率的系統迫在眉睫。隨著高速動車組的生產制造逐漸步入正軌，車載網絡已基本實現全車主要設備工作狀態數據的實時采集與監視，本文通過研究車載網絡數據的采集技術，設計了車載網絡數據遠程無線傳輸系統，實現了調試任務遠程制定、分配、監控、支持和分析。

1 系統概述

數字化無線調試系統主要包括四個部分，分別是具備無線傳輸功能的車載網絡數據采集設備、數字化調試平臺地面服務器、數字化調試平臺以及車載數據展示平臺。車載網絡數據采集裝置通過車載無線傳輸網關（WTD）或者多功能車輛總線（MVB）采集到高速動車組整車數據后，將動車運行狀態信息、安全信息等車載數據通過無線網傳輸至地面的服務器進行存儲，服務器軟件接收到應用數據后，一方面實時轉發至數字化調試平臺和數據展示平臺，另一方面做數據的冗余備份，為后續建設列車大數據平臺提供真實的數據和資源，見圖1。

2 子系統的構成

2.1 數據采集設備

圖1 無線數據采集系統

車載網絡數據采集裝置接入高速動車組車載網絡，通過WLAN無線通訊模塊對數據進行轉發。設備啟動時無線通信模塊自動連接到調試廠房內數字化調試平臺的無線AP端，連接建立后，將車載網絡數據實時發送至數字化調試平臺地面服務器。為了實現設備便攜化、可移動、環境適應能力強的特點，設備硬件接口進行了防水防塵處理；采用了可靠性高、環境適應性強、可以快速連接和分離的航空插頭；電源部分提供了交流220V和110V接口，同時還提供了可以維持設備2小時連續運行的移動電源，極大的擴展了設備的應用場景。

根據數據采集設備的功能劃分，設備主要由電源模塊、數據處理模塊、無線模塊和機箱外部接口等四個部分組成。

（1）數據處理模塊主要提供ADC采樣電路，時鐘電路，RJ45網絡接口，雙層DB9接口等外圍部件，使用Zynq系列芯片作為核心處理器，實時處理從列車總線采集到的報文信息。為了增加可靠性，在發熱量較大的芯片上方添加風扇輔助散熱，并通過導熱裝置增加熱量耗散，防止電路過熱出現性能下降等問題。

（2）電源模塊主要實現了電壓的轉換，將外接電源AC220V或者DC110V轉換為電路板所需的12V電壓，電池電壓為12V可以直接進行供電，該模塊還包含充電電路，可以在接入外接電源時為電池充電。

（3）機箱外部接口均由航空插頭作為連接器，主要包括RJ45標準以太網接口、交流220V接口、直流110V接口以及滿足IEC61375標準的MVB接口。各接口外殼均與設備短接在一起，確保設備用電安全。

（4）WLAN無線通信模塊支持標準的IEEE 802.11b/g/n協議，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK數據安全標準。無線模塊支持5G頻段和2.4G頻段的切換，但考慮到信號需要穿透車廂廂體發送至廠內AP端，使用穿透性較好的2.4G頻段更加實用和合理，2.4G頻段最大支持11Mbps的速率，可以滿足時延100ms的應用需求。為了更好的適應廠內的特殊應用環境，設備配置了增益為18dBi，極化方向為水平全向的船槳扁平型天線。

2.2 服務軟件

服務軟件部署在數字化調試平臺地面服務器中，是車載數據和數字化調試平臺的交互中心。主要提供網絡通信、車載網絡數據分類存儲、實時數據轉發、歷史數據查詢等功能，便于數字化調試平臺隨時訪問獲取車載網絡數據。根據功能的劃分，數據服務軟件由通訊協議管理模塊、通訊模塊、數據解析模塊、數據管理模塊四個部分組成。

其中，通信協議管理模塊用于管理系統中傳輸的數據通訊協議模型，模型中定義了不同協議的信號名稱、長度、計算方法等信息，用戶使用協議配置工具生成配置文件，軟件啟動時本模塊自動讀取配置文件，生成用于通訊的結構化數據，為軟件提供通信數據解析依據。通信模塊的主要任務是提供通信服務，通信模塊與采集設備和數字調試平臺建立TCP/IP連接。連接建立后，一方面實時轉發由采集設備發送的車載數據，另一方面響應數字調試平臺的查詢請求，返回查詢結果。數據解析模塊對接收到的數據按照協議文件的定義進行拆分、計算和轉化，形成方便查詢和分類存儲的數據結構。數據管理模塊用于管理接收的數據源碼和解析后的結構化數據，原始數據存儲周期為48小時，超過48小時的數據按照先入先出的原則進行抽樣存儲，成為歷史數據。服務軟件的業務流程如圖2所示。

2.3 數據展示

高速動車組按照功能子系統劃分，主要包括了列車基本信息、牽引系統、制動系統、客服系統等。為了充分利用采集存儲的車載網絡數據，在數據管理系統之外設計了數據展示平臺，通過數據列表、餅狀圖、波形圖、柱狀圖等豐富的形式展示列車當前時間、車次、列車速度、牽引制動級位、高壓回路部件狀態、溫度、空調系統狀態、實時軸溫、故障信息等內容。

為了實現豐富的展示界面，同時具有較好的可擴展性和便攜性，數據展示軟件采用B/S架構，以網頁的形式展示列車網絡數據。軟件主要包括以下功能。

（1）與服務端建立連接，接收解析后的數據結構對象。

（2）使用HTML5構建列車外觀界面，以展示各部件在列車的位置，并響應點擊事件，切換對應的數據進行實時顯示。

（3）根據部件選擇的結果，展示對應的數據，并進行更新，展示的形式包括表格、曲線、控件等。

圖2 服務軟件業務流程

數據展示軟件主要由以下四個模塊組成，分別是通信協議管理模塊、列車模型展示模塊、數據展示模塊、通信模塊。通信協議管理模塊主要實現數據協議模板文件的導入，并根據該模板形成模型樹，用于數據的組織、分發和展示。列車模型展示模塊用于管理圖形化的列車組件，展示軟件的主體由圖形化的列車部件組成，列車部件圖形可以隨著數據的變化而產生顏色和狀態的變化，使得數據的展示更加形象和直觀。此外，列車部件圖形也可以響應用戶的操作，切換數據展示區域的內容。數據展示模塊主要管理數據展示區的表格和圖形控件，顯示被選中部件的詳細數據。通訊模塊主要負責和服務器進行通訊，以HTTP的方式直接傳遞經過解析的結構化數據，既可以更快的處理數據的傳輸，也可以保證數據傳輸協議的可伸縮性。

3 結語

高速動車組遠程無線數據采集系統作為數字化調試平臺的一部分，豐富和擴展了數字化調試平臺的應用場景，擴大了車載設備工作狀態數據采集范圍的可行性，減少了關聯工藝裝備的使用需求，提高了高速動車組生產制造的工作效率，提升了生產調試的信息化水平。通過車載網絡數據與實際試驗操作的對比分析，避免了外接試驗工裝性能不穩定導致的測試數據不準確；避免調試工藝裝備中途故障停機，造成調試試驗中斷、不能持續進行的問題。使用該系統，工程師可以在多場景下了解車輛實時狀態信息，多人協作完成車輛調試任務的制定、分配、監控、支持和分析,為高速動車組的安全生產調試提供了新的技術支撐。