列車車地傳輸系統數據采集問題的研究

胡崇爾，鄧乙平，楊松林，馮鑫，譚宇文

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，支撐安全運營的生產業務不斷增加，迫切需要將列車運行狀態、故障等信息可靠地傳輸到地面，方便地面運營維護人員及時了解車輛運行狀態，從而為列車運行提供遠程專家技術支持和遠程診斷。車地無線傳輸系統基于此種應用場景出發，通過實時采集列車運行數據并發送至地面數據平臺解析處理的方法實現對列車的遠程監控[1]。車地無線傳輸系統經過一段時間的推廣與使用，已深入列車運營維護的各種場景，成為車輛運維不可或缺的基礎系統之一。通常新建車輛段都會把車地無線傳輸系統作為必選項進行建設[2]，但現有的運營線路之中，仍有大量未配備傳輸系統的老式列車存在，故這部分列車有急迫的車地無線傳輸系統加裝改造需求。

車地無線傳輸的系統改造的核心難點是如何完成車輛運行數據的采集。常規的采集方案需要通信雙方約定通信協議實現交流。但老式列車改造會出現諸如：列車過保修期對接成本高、系統供應商退出中國市場、存檔技術文件因程序迭代失效等問題，無法完成數據采集。此時需要從破解的角度出發，對數據進行抓取和分析，推理出對應的接口參數和通信協議，實現數據采集的目標。

本文將介紹一種基于破解的列車網絡控制系統的數據采集方法與數據解析邏輯，為后續類似的列車各系統接口適配及網絡控制系統升級提供參考。

1 采集接入點選擇

數據采集接入點的選擇，需結合列車網絡控制系統拓撲分析。由于待改造的列車通常上線運營時間早，列車網絡控制系統規范尚不統一，所以系統采用的拓撲結構相對多樣，每種拓撲結構都需要針對性處理。網絡控制系統拓撲結構可大致分為三大類：網狀總線型、兩級總線型、樹狀結構型。

針對網狀總線型網絡，其數據接入點選取簡單。因其數據均存在于統一總線上，故數據采集點可選取于總線上任意一點，即可獲取到全車所有數據滿足系統所需。

對于兩級型總線，因為車輛級總線通信速率高于列車級總線，且多組車輛級總線數據需匯總至一個列車級總線，所以僅有少量車輛總線數據被上傳至列車總線中。如只采集列車總線，則數據量難以滿足需要，故數采點選擇一般遵循分別采集車輛級總線的原則。

對于樹狀總線，無法從總線上獲取列車全量數據。只能選取數據量盡量完整的子系統，以達到對列車數據監控的效果。所以采集人機接口單元（顯示屏）數據通常為最佳采集點選取方案。

2 通信協議解析

通信協議是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。協議定義了通信設備間的信息單元格式、信息單元應該包含的信息與含義、連接方式、信息發送和接收的時序，從而確保網絡中數據順利地傳送到確定的地方。協議的約定按照約定內容的不同，大致可分為物理層、數據鏈路層和應用層協議，需逐步破解。

其中應用層協議的破解工作量最大，且具有一定盲目性[3]，需結合適當的邏輯推理減少測試工作量。本文將以一種樹狀結構的人機接口單元與網絡主機的通信線為例，說明通信協議的破解對接思路。

2.1 物理層

物理層需要確認通信線的聯系方式與波特率。通過對電路圖的分析找到通信線位置，測量波形。經過多次抽樣測試，高低電平持續時間均為8.6μs的倍數?？沙醪酱_認通信波特率為1000000μs/8.6μs=115200Bps。同時根據測量及電氣原理圖，可得接口物理層參數如下：

表1 接口物理層參數

2.2 數據鏈路層

數據鏈路層需要確認數據的校驗的形式和幀的始末、數據區。通過示波器對抓取的信號進行分析，可發現其起始位具有周期性，截取兩個周期的信號如下：

圖1 通信位展開圖

將8.6μs作為基準寬度，分析可得RS422的通信參數為：起始位0、停止位1、數據長度8bit、偶校驗。

使用核實的通信參數配置入網關中采集數據，可發現報文中有STX（正文開始標識符）與ETX（正文結束標識符），經整理，可發現其出現周期為200ms左右，由此可確定，網絡主機-人機接口單元的報文，開始/結束標志位STX/ETX，其間為數據區。

至此數據鏈路層信息參數全部確認完畢。

2.3 應用層

應用層需要確認通信線上每一位數據的含義。應用層協議破解的常規方式為對通信數據與車輛狀態進行雙向確認，反推數據代表的實際含義。此種方法具有一定盲目性，工作量較大[4]。故此次破解根據數據幀的一般構成形式采用具有流程邏輯的破解方法，尋找數據中的內在規律，能有效減少工作量、提高破解效率。破解流程主要分為幀格式分析與數據位分析兩步。

幀格式分析需確認每幀內數據的組成形式，需要確認實際意義對應的大致數據區域，為后續的破解進行數據分類，提高數據篩查效率。仍以上文通信線為例，對數據進行分析，可發現每幀有三個數據鏈路轉義字符（DLE），故可將報文整理為三個區間。通過測試確定這3個數據區代表的含義，確定解析的大致位置。

數據位分析則需遵循“先易后難”的原則，先分析定位具有區域性、周期重復性的數據，再定位零散數據。同時根據簡單數據總結的規律來輔助分析困難數據。仍以上文的人機接口通信線為例：具有重復周期的數據，容易定位解析。此時因操作對應狀態并定位區域，易得各工況狀態的數據意義。根據先定位再定狀態的方法可在較短的測試時間內，完成通信線上大部分的數據協議解析。同時在區域性數據的解析過程中，還確認到了關于數值形式、顯示排列等規律。對于列車中的零散數據，即數據全車僅有一組且占位少的數據，如電網電壓、司機室激活端等信息，則可借助上述規律相對高效地完成數據破解[5-6]。

3 協議驗證

完成車輛接口對接后，需對協議進行轉換，變化為符合主流列車通信標準的協議，即地面監控平臺所支持的通信協議。才可實現對列車狀態的實時監控。經過邏輯處理后，同時對通信幀頻率進行降低，在滿足車地無線傳輸監控的需求下盡可能節省無線通信帶寬和流量消耗[7]。

最后對轉換好的數據幀進行封裝，封包為TCP協議數據，實現列車運行狀態數據的上傳。核對列車與平臺顯示的狀態，即可驗證數據采集處理無誤。

4 結語

針對車地無線傳輸系統采集接口主動適配問題，進行了深入的方案研究。充分考慮了改造車輛所面對的特殊情況，提出了一套針對列車網絡協議資料缺失情況下的列車數據采集方法，并驗證了該方法的可行性。對后續車地無線系統的改造推廣、對列車網絡控制管理系統的升級改造工作都具有一定參考意義。

但是，數據主動對接是資料缺失的情況下的特殊解決辦法，對接本身只是復現了初始設計過程，卻占據著整個改造工作的大部分工作量。所以數據協議的規范化和統一化顯得尤為重要，標準與統一才是根本解決設備通信壁壘的最佳方案。應持續推動協議標準的制定與運用，為升級改造留有空間，更可以降低系統間的配合難度，提高電氣設備的一體性。在協議標準化的基礎之上更應推動標準地鐵的發展，進一步統型車輛裝備，為地鐵的使用和維護帶來便利。