城軌車輛段車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

矯德余，石 勇，張?jiān)鲆?

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，大連 116000）

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將軌道交通車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息通過無線的方式傳遞到運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心，并對(duì)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行狀況的跟蹤及故障報(bào)警預(yù)警等[1]。通過數(shù)據(jù)的積累，逐步建立起完整的車輛運(yùn)營(yíng)、檢修、故障履歷數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)挖掘，提供車輛維修與快捷服務(wù)的決策支持，有效實(shí)現(xiàn)車輛維護(hù)信息化、現(xiàn)代化[2]。

通常新建車輛段都會(huì)把車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)作為必選項(xiàng)進(jìn)行建設(shè)，但是對(duì)于已運(yùn)營(yíng)較長(zhǎng)時(shí)間的老舊車輛段，車地傳輸系統(tǒng)的增改建難度較大。以某城軌車輛段為例進(jìn)行車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的需求分析、方案設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)踐應(yīng)用評(píng)估，綜合解決老舊車輛段增建車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的問題，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

1 需求分析

1.1 城軌車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

城軌車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)車輛牽引、制動(dòng)、輔助供電、車門、空調(diào)等系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、診斷以及運(yùn)行數(shù)據(jù)的記錄，是城軌車輛的“大腦和神經(jīng)”[3]，五節(jié)編組城軌車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 城軌車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Figure 1 System topology of urban rail vehicle

該城軌車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用多功能車輛總線(簡(jiǎn)稱MVB總線)，中央控制單元(CCU)通過MVB總線對(duì)牽引控制單元(TCU)、制動(dòng)控制單元(BCU)、人機(jī)接口(HMI)等進(jìn)行控制和管理。同時(shí)，接入MVB網(wǎng)絡(luò)的還有數(shù)據(jù)記錄單元(DRU)和乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)(PCS)。數(shù)據(jù)記錄單元負(fù)責(zé)對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷和記錄存儲(chǔ)[4]；乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)上下乘客數(shù)量以及計(jì)算總載客量并記錄[5]。數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)分別連接無線通信模塊，具備無線通信能力。

1.2 城軌車輛段布局

所選城軌車輛段是一個(gè)運(yùn)用多年的老段，車輛段布局如圖2所示。B1是一座二層維修車間兼辦公樓，樓內(nèi)有兩條維修線位于A1區(qū)域，樓內(nèi)二樓有一間機(jī)房R1。B2是一座二層小水房。A2區(qū)域是并排5車道室外停車場(chǎng)，可同時(shí)停靠10輛城軌車輛。A3區(qū)域是一座半封閉式車站。

圖2 城軌車輛段布局 Figure 2 Layout of an urban rail depot

1.3 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)需求

在機(jī)房R1內(nèi)布置服務(wù)器，用于與車輛數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行通信、接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

地面布置無線基站至少覆蓋A1、A2和A3區(qū)域，保證服務(wù)器通過基站可與車輛建立穩(wěn)定連接。車輛在A1和A2區(qū)域停車時(shí)能夠?qū)④囕v數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)全部傳輸至地面服務(wù)器，車輛經(jīng)過區(qū)域A3時(shí)能將故障數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。

在無線基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的工作人員可通過筆記本電腦或者手機(jī)連接訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 無線基站安裝位置的選擇

根據(jù)以上用戶需求，選擇3個(gè)無線基站安裝位置，如圖3所示。

圖3 無線基站位置 Figure 3 Position of wireless module

P1點(diǎn)位于維修車間樓頂，由于位置較高區(qū)域開闊，可覆蓋較大的室外區(qū)域；P2點(diǎn)位于水房樓頂，可覆蓋車站和室外停車場(chǎng)區(qū)域；P3布置于維修車間內(nèi)立柱上方，用于覆蓋維修車間內(nèi)部區(qū)域。通過現(xiàn)場(chǎng)分析，建設(shè)3個(gè)無線基站將覆蓋整個(gè)車輛段區(qū)域并保證穩(wěn)定連接，基本覆蓋情況如圖3所示。

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)無線點(diǎn)位的選擇，設(shè)計(jì)車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)拓?fù)鋱D Figure 4 Topology of train-ground wireless transmission system

服務(wù)器、交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器等安裝于機(jī)房之內(nèi)，通過機(jī)房?jī)?nèi)配電箱進(jìn)行供電。P1點(diǎn)位于維修車間樓頂，跟機(jī)房距離較近，通過網(wǎng)線與機(jī)房?jī)?nèi)交換機(jī)S1相連，并從機(jī)房配電箱供電；P2點(diǎn)位于水房樓頂，由于距離機(jī)房較遠(yuǎn)，在地下管廊布置光纖與機(jī)房?jī)?nèi)交換機(jī)S1通過光電轉(zhuǎn)換器連接，遵照就近原則從水房配電箱給無線模塊供電；P3布置于維修車間內(nèi)部，安裝于車間立柱上，并經(jīng)車間頂部線架布置光纖與機(jī)房?jī)?nèi)交換機(jī)S1通過光電轉(zhuǎn)換器連接，從車間內(nèi)部配電箱給無線模塊供電。

2.3 設(shè)備選型

設(shè)備選型要滿足當(dāng)?shù)刈匀粭l件要求，包括溫濕度、海拔、車輛段市電供應(yīng)等。同時(shí)無線傳輸模塊要求支持IEE802.11a/b/g協(xié)議和HTTP、HTTPS、UDP等通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)與車載數(shù)據(jù)記錄單元和乘客計(jì)數(shù)系統(tǒng)的正常通信。

2.4 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)需求和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。車載無線模塊設(shè)置為客戶端路由模式，20列車的車載設(shè)備DRU地址設(shè)置為 192.168.1.5經(jīng)路由轉(zhuǎn)換為 111.222.333.1～111.222.333.20，設(shè)備PCS地址設(shè)置為192.168.1.9經(jīng)路由轉(zhuǎn)換為111.222.333.101～111.222.333.120；地面無線模塊設(shè)置為無線訪問接入點(diǎn)模式(即AP模式)，IP地址分別設(shè)置為111.222.333.241～111.222.333.243，信道選擇1、6、11，實(shí)現(xiàn)重疊覆蓋互不干涉；服務(wù)器IP設(shè)置為111.222.333.240，通過交換機(jī)與地面無線模塊連接；無線訪問終端通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問時(shí)設(shè)置為IP自動(dòng)獲取模式，系統(tǒng)將自動(dòng)為訪問者分配IP地址，可同時(shí)支持20個(gè)終端訪問，地址111.222.333.201～111.222.333.220；所有無線設(shè)備的服務(wù)集標(biāo)識(shí)SSID和訪問密碼統(tǒng)一。詳細(xì)參數(shù)配置如圖5所示。

圖5 參數(shù)配置圖 Figure 5 Parameters of the system

3 設(shè)備安裝及測(cè)試

3.1 設(shè)備安裝

現(xiàn)場(chǎng)施工完成設(shè)備安裝及布線，3個(gè)點(diǎn)位如圖6所示。

圖6 無線模塊天線 Figure 6 Antenna of wireless module

3.2 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試

為測(cè)試信號(hào)覆蓋強(qiáng)度，選擇關(guān)鍵位置測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試，如圖7所示。在維修車間內(nèi)部最遠(yuǎn)處選擇T1和T2點(diǎn)以測(cè)試車間內(nèi)部信號(hào)強(qiáng)度，在室外停車場(chǎng)最邊緣選擇T3、T4和T5點(diǎn)以測(cè)試室外信號(hào)強(qiáng)度，在車站選擇T6點(diǎn)以測(cè)試車輛信號(hào)強(qiáng)度。所選擇的測(cè)試點(diǎn)位為最極端位置，能夠充分反映信號(hào)覆蓋情況。

圖7 測(cè)試點(diǎn)選取 Figure 7 Selection of test points

根據(jù)以上測(cè)試點(diǎn)位選擇，進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，所有點(diǎn)位信號(hào)強(qiáng)度均能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸需要，圖8、圖9和圖10分別顯示了T2、T3、T4點(diǎn)位測(cè)試曲線。

圖8 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(T2點(diǎn))Figure 8 Reports of signal intensity test (Point T2)

圖9 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(T3點(diǎn))Figure 9 Reports of signal intensity test (Point T3)

圖10 信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果(T4點(diǎn))Figure 10 Reports of signal intensity test (Point T4)

3.3 終端訪問測(cè)試

分別通過筆記本電腦和智能手機(jī)連接無線網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行訪問測(cè)試，系統(tǒng)能夠進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸和圖形顯示，完全能夠滿足應(yīng)用需要，筆記本電腦端和手機(jī)端顯示畫面如圖11、12所示。

圖11 電腦端訪問頁面 Figure 11 Data shown through computer

3.4 應(yīng)用

通過需求分析、方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝及調(diào)試后，所設(shè)計(jì)的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)正式投入使用。車輛入庫或經(jīng)過無線模塊覆蓋區(qū)域時(shí)，車輛能夠與服務(wù)器自動(dòng)建立連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，某城軌車輛由始發(fā)站運(yùn)行至終點(diǎn)站的記錄數(shù)據(jù)為50 MB左右，車輛經(jīng)過附近站臺(tái)的停車時(shí)間為30～40 s，車輛停靠站臺(tái)時(shí)即可將運(yùn)行數(shù)據(jù)全部傳輸至地面服務(wù)器，途徑附近站臺(tái)而不停靠的車輛入庫時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而完全替代了人工下載數(shù)據(jù)的方式，效益明顯。

圖12 手機(jī)端訪問頁面 Figure 12 Data shown through telephone

4 結(jié)論

對(duì)已運(yùn)營(yíng)多年的某快軌車輛段增設(shè)車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的需求進(jìn)行了深入分析，充分考慮車輛段現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上詳細(xì)設(shè)計(jì)了適合該車輛段應(yīng)用的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)方案，對(duì)設(shè)備安裝和布線施工后，進(jìn)行了信號(hào)強(qiáng)度和數(shù)據(jù)通信測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)能夠滿足用戶的數(shù)據(jù)傳輸需求。該車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)已成功應(yīng)用于車輛的日常車輛數(shù)據(jù)下載、運(yùn)行維護(hù)及車輛故障診斷等，該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)于老舊車輛段車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)增改建具有重要的指導(dǎo)意義。