面向高速動車組靜態(tài)調(diào)試的車載數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)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(shù)有限公司，上海 200235）

目前高速鐵路得到了迅速發(fā)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(yè)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(fā)平臺、數(shù)字化調(diào)試平臺以及高效的維護與管理平臺有著密不可分的關(guān)系。作為高速動車組生產(chǎn)制造以及出廠調(diào)試的重要組成部分，數(shù)字化調(diào)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(shù)字化調(diào)試平臺的輔助下可以對車型、任務、資源等信息進行統(tǒng)一的維護及管理，并輔助工程師進行調(diào)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(shù)據(jù)需要依靠專門研發(fā)的工藝裝備去采集獲?。辉囼炐试谌〉秒A段性提升后，又受制于相關(guān)工藝裝備的工作性能及穩(wěn)定性，因此，研究一套可以進一步提高調(diào)試效率的系統(tǒng)迫在眉睫。隨著高速動車組的生產(chǎn)制造逐漸步入正軌，車載網(wǎng)絡已基本實現(xiàn)全車主要設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集與監(jiān)視，本文通過研究車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的采集技術(shù)，設計了車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)遠程無線傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了調(diào)試任務遠程制定、分配、監(jiān)控、支持和分析。

1 系統(tǒng)概述

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

2 子系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 數(shù)據(jù)采集設備

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集裝置接入高速動車組車載網(wǎng)絡，通過WLAN無線通訊模塊對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。設備啟動時無線通信模塊自動連接到調(diào)試廠房內(nèi)數(shù)字化調(diào)試平臺的無線AP端，連接建立后，將車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)字化調(diào)試平臺地面服務器。為了實現(xiàn)設備便攜化、可移動、環(huán)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(huán)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(xù)運行的移動電源，極大的擴展了設備的應用場景。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集設備的功能劃分，設備主要由電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線模塊和機箱外部接口等四個部分組成。

（1）數(shù)據(jù)處理模塊主要提供ADC采樣電路，時鐘電路，RJ45網(wǎng)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(fā)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(xiàn)性能下降等問題。

（2）電源模塊主要實現(xiàn)了電壓的轉(zhuǎn)換，將外接電源AC220V或者DC110V轉(zhuǎn)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(wǎng)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(xié)議，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK數(shù)據(jù)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(fā)送至廠內(nèi)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(nèi)的特殊應用環(huán)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(shù)字化調(diào)試平臺地面服務器中，是車載數(shù)據(jù)和數(shù)字化調(diào)試平臺的交互中心。主要提供網(wǎng)絡通信、車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分類存儲、實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，便于數(shù)字化調(diào)試平臺隨時訪問獲取車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。根據(jù)功能的劃分，數(shù)據(jù)服務軟件由通訊協(xié)議管理模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊四個部分組成。

其中，通信協(xié)議管理模塊用于管理系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通訊協(xié)議模型，模型中定義了不同協(xié)議的信號名稱、長度、計算方法等信息，用戶使用協(xié)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(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為軟件提供通信數(shù)據(jù)解析依據(jù)。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(shù)字調(diào)試平臺建立TCP/IP連接。連接建立后，一方面實時轉(zhuǎn)發(fā)由采集設備發(fā)送的車載數(shù)據(jù)，另一方面響應數(shù)字調(diào)試平臺的查詢請求，返回查詢結(jié)果。數(shù)據(jù)解析模塊對接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議文件的定義進行拆分、計算和轉(zhuǎn)化，形成方便查詢和分類存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)管理模塊用于管理接收的數(shù)據(jù)源碼和解析后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)存儲周期為48小時，超過48小時的數(shù)據(jù)按照先入先出的原則進行抽樣存儲，成為歷史數(shù)據(jù)。服務軟件的業(yè)務流程如圖2所示。

2.3 數(shù)據(jù)展示

高速動車組按照功能子系統(tǒng)劃分，主要包括了列車基本信息、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等。為了充分利用采集存儲的車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)之外設計了數(shù)據(jù)展示平臺，通過數(shù)據(jù)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(tài)、溫度、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)、實時軸溫、故障信息等內(nèi)容。

為了實現(xiàn)豐富的展示界面，同時具有較好的可擴展性和便攜性，數(shù)據(jù)展示軟件采用B/S架構(gòu)，以網(wǎng)頁的形式展示列車網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象。

（2）使用HTML5構(gòu)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(shù)據(jù)進行實時顯示。

（3）根據(jù)部件選擇的結(jié)果，展示對應的數(shù)據(jù)，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(yè)務流程

數(shù)據(jù)展示軟件主要由以下四個模塊組成，分別是通信協(xié)議管理模塊、列車模型展示模塊、數(shù)據(jù)展示模塊、通信模塊。通信協(xié)議管理模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議模板文件的導入，并根據(jù)該模板形成模型樹，用于數(shù)據(jù)的組織、分發(fā)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(shù)據(jù)的變化而產(chǎn)生顏色和狀態(tài)的變化，使得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)展示區(qū)域的內(nèi)容。數(shù)據(jù)展示模塊主要管理數(shù)據(jù)展示區(qū)的表格和圖形控件，顯示被選中部件的詳細數(shù)據(jù)。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(jīng)過解析的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，既可以更快的處理數(shù)據(jù)的傳輸，也可以保證數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的可伸縮性。

3 結(jié)語

高速動車組遠程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)字化調(diào)試平臺的一部分，豐富和擴展了數(shù)字化調(diào)試平臺的應用場景，擴大了車載設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集范圍的可行性，減少了關(guān)聯(lián)工藝裝備的使用需求，提高了高速動車組生產(chǎn)制造的工作效率，提升了生產(chǎn)調(diào)試的信息化水平。通過車載網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(wěn)定導致的測試數(shù)據(jù)不準確；避免調(diào)試工藝裝備中途故障停機，造成調(diào)試試驗中斷、不能持續(xù)進行的問題。使用該系統(tǒng)，工程師可以在多場景下了解車輛實時狀態(tài)信息，多人協(xié)作完成車輛調(diào)試任務的制定、分配、監(jiān)控、支持和分析,為高速動車組的安全生產(chǎn)調(diào)試提供了新的技術(shù)支撐。