蒙內(nèi)鐵路車載無線傳輸設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 孫文靜 劉艷龍 楊天奇

蒙內(nèi)鐵路車載無線傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)了將機(jī)車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和故障等信息通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi/4G）等鏈路發(fā)送到地面服務(wù)器。同時(shí)無線傳輸設(shè)備可以向車載主控管理設(shè)備、地面服務(wù)器發(fā)送GPS信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、日志信息等，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸設(shè)備與車載主控管理設(shè)備、地面服務(wù)器的信息交互。本文介紹了蒙內(nèi)鐵路車地通信系統(tǒng)無線傳輸設(shè)備軟件設(shè)計(jì)和主要實(shí)現(xiàn)功能。

蒙內(nèi)鐵路車地通信系統(tǒng)配屬的無線傳輸設(shè)備，主要功能是接收機(jī)車主控管理設(shè)備發(fā)來的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi/4G等）將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面服務(wù)器。同時(shí)地面服務(wù)器可以向無線傳輸設(shè)備以及通過無線傳輸設(shè)備向車載主控管理設(shè)備發(fā)送相關(guān)請求指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)車、無線傳輸設(shè)備、地面服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)通信。無線傳輸設(shè)備與車載主控管理設(shè)備實(shí)時(shí)通信，主要包括主控管理設(shè)備和無線傳輸設(shè)備互發(fā)生命信號，無線傳輸設(shè)備向主控管理設(shè)備發(fā)送GPS信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，主控管理設(shè)備向無線傳輸設(shè)備發(fā)送改變設(shè)備名稱、改變Wi-Fi用戶名密碼等信息。無線傳輸設(shè)備具備數(shù)據(jù)記錄與自診斷功能，記錄接收到的主控管理設(shè)備數(shù)據(jù)以及發(fā)送至地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備自診斷，并將自診斷結(jié)果記錄到日志中。當(dāng)?shù)孛娣?wù)器向無線傳輸設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)下載請求時(shí)，無線傳輸設(shè)備會(huì)以文件的方式向地面服務(wù)器發(fā)送。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

蒙內(nèi)鐵路車地通信系統(tǒng)無線傳輸設(shè)備架構(gòu)如圖1所示。無線傳輸設(shè)備與車載主控管理設(shè)備、地面服務(wù)器采用以太網(wǎng)UDP通信。主控管理設(shè)備將地面服務(wù)器所需數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳輸設(shè)備，無線傳輸設(shè)備再通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi/4G等）發(fā)送至地面服務(wù)器，同時(shí)無線傳輸設(shè)備發(fā)送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)給主控管理設(shè)備。Windows電腦也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)與無線傳輸設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對無線傳輸設(shè)備的遠(yuǎn)程程序更新與參數(shù)設(shè)置等操作。

圖1 車地通信系統(tǒng)無線傳輸設(shè)備架構(gòu)

2 無線通信線路切換

數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備發(fā)送至地面服務(wù)器的通信線路選擇優(yōu)先級為：Wi-Fi線路＞4G線路。

當(dāng)Wi-Fi信號和4G信號同時(shí)存在時(shí)，優(yōu)先選擇Wi-Fi線路進(jìn)行通信；當(dāng)檢測不到Wi-Fi信號或Wi-Fi信號強(qiáng)度弱、有4G信號時(shí)，優(yōu)先選擇4G線路進(jìn)行通信；當(dāng)4G線路進(jìn)行通信時(shí)檢測到Wi-Fi信號強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，則切換到Wi-Fi線路進(jìn)行通信。

3 主要實(shí)現(xiàn)功能

3.1 生命信號連接

無線傳輸設(shè)備與車載主控管理設(shè)備生命信號連接的過程為：當(dāng)主控管理設(shè)備上電啟動(dòng)后，首先向無線傳輸設(shè)備發(fā)送生命信號。無線傳輸設(shè)備若在3 min內(nèi)收到主控管理設(shè)備發(fā)來的生命信號，則認(rèn)為通信正常，同時(shí)無線傳輸設(shè)備向主控管理設(shè)備發(fā)送生命信號。如果3 min內(nèi)未收到主控管理設(shè)備發(fā)來的生命信號，則無線傳輸設(shè)備停止生命信號發(fā)送。直到主控管理設(shè)備重新向無線傳輸設(shè)備發(fā)送生命信號，重復(fù)上述過程，直到通信建立。

3.2 改變設(shè)備名稱

生命信號連接建立后，無線傳輸設(shè)備接收車載主控管理設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。車載主控管理設(shè)備根據(jù)當(dāng)前機(jī)車設(shè)置的車型、車號，向無線傳輸設(shè)備發(fā)送改變設(shè)備名稱指令，無線傳輸設(shè)備對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)無誤后，根據(jù)當(dāng)前車型、車號對設(shè)備名稱進(jìn)行更改。在無線傳輸設(shè)備的名稱完成更新后，無線傳輸設(shè)備的名稱為機(jī)車車型-機(jī)車車號，便于地面服務(wù)器進(jìn)行管理。

3.3 改變Wi-Fi信息

在地面服務(wù)器與無線傳輸設(shè)備建立起4G連接后，地面服務(wù)器向無線傳輸設(shè)備發(fā)送消息，無線傳輸設(shè)備每次收到一條消息，都會(huì)向地面服務(wù)器回應(yīng)一條消息，地面服務(wù)器端可以由此判斷無線用戶名和密碼更新是否成功。無線傳輸設(shè)備每次更新用戶名和密碼采用全部覆蓋的方式，所有消息都采用ASCII字符，最多支持100個(gè)Wi-Fi用戶名，Wi-Fi密碼至少8個(gè)字符最多50個(gè)字符。無線傳輸設(shè)備Wi-Fi用戶名密碼更新后，無線傳輸設(shè)備將連接到地面服務(wù)器指定無線局域網(wǎng)。

3.4 校時(shí)功能

生命信號連接建立后，車載主控管理設(shè)備根據(jù)當(dāng)前機(jī)車設(shè)置時(shí)區(qū)、日期和時(shí)間，向無線傳輸設(shè)備發(fā)送校時(shí)指令，無線傳輸設(shè)備對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)無誤后，進(jìn)行校時(shí)，便于國內(nèi)服務(wù)器對國外機(jī)車時(shí)間上的同步。

3.5 狀態(tài)信息發(fā)送

生命信號連接建立后，無線傳輸設(shè)備以1sec周期向主控管理設(shè)備發(fā)送狀態(tài)信息。包括Wi-Fi可用性、4G可用性、Wi-Fi信號強(qiáng)度、4G信號強(qiáng)度等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，經(jīng)度、維度、海拔、速度等GPS信息。

3.6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)成功建立網(wǎng)絡(luò)連接后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳輸設(shè)備接收主控管理設(shè)備發(fā)來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi/4G等）發(fā)送至地面服務(wù)器。數(shù)據(jù)無線傳輸如圖2所示。

3.7 數(shù)據(jù)記錄

（1）無線傳輸設(shè)備具備數(shù)據(jù)記錄功能。當(dāng)主控管理設(shè)備通過無線傳輸設(shè)備向地面服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無線傳輸設(shè)備會(huì)將收到的主控管理設(shè)備數(shù)據(jù)以文件的方式進(jìn)行記錄。當(dāng)無線傳輸設(shè)備向地面服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，無線傳輸設(shè)備也會(huì)將發(fā)送的數(shù)據(jù)以文件的方式進(jìn)行記錄。

圖2 數(shù)據(jù)無線傳輸

（2）無線傳輸設(shè)備具備自診斷功能。系統(tǒng)開機(jī)后，每2 min對Wi-Fi設(shè)備進(jìn)行一次自診斷，并把自診斷結(jié)果寫到日志里。每2 min對4G設(shè)備進(jìn)行一次自診斷，并把自診斷結(jié)果寫到日志里。每2 min對GPS設(shè)備進(jìn)行自診斷，并把自診斷結(jié)果寫到日志里。每2 min對有線網(wǎng)絡(luò)（及交換芯片）進(jìn)行自診斷，并把自診斷結(jié)果寫到日志里。每2 min檢測一次連接外網(wǎng)情況，并把檢測結(jié)果寫到日志里。

3.8 端口映射

車載主控管理設(shè)備與無線傳輸設(shè)備通過以太網(wǎng)口連接，如果需要通過無線傳輸設(shè)備來訪問主控管理設(shè)備,對主控管理設(shè)備程序和文件進(jìn)行上傳和下載，通過無線傳輸設(shè)備添加端口映射功能實(shí)現(xiàn)。

3.9 文件日志下載

地面服務(wù)器根據(jù)各個(gè)機(jī)車的設(shè)備名稱監(jiān)測機(jī)車入庫之后，將根據(jù)機(jī)車停放位置、Wi-Fi信號強(qiáng)度情況等因素對無線傳輸設(shè)備文件日志下載可行性進(jìn)行判斷，并向無線傳輸設(shè)備發(fā)送文件日志下載請求。如果下載請求符合要求，則開始下載文件給地面服務(wù)器，并基于FTP協(xié)議，無線傳輸設(shè)備作為客戶端向地面服務(wù)器端發(fā)送文件日志，直到發(fā)送完成后，反饋下載完成。

3.10 遠(yuǎn)程更新程序

地面服務(wù)器根據(jù)各個(gè)機(jī)車的設(shè)備名稱監(jiān)測機(jī)車入庫之后，將根據(jù)機(jī)車停放位置、Wi-Fi信號強(qiáng)度情況等因素對遠(yuǎn)程運(yùn)維可行性進(jìn)行判斷，并向無線傳輸設(shè)備發(fā)起程序更新請求。

（1）地面服務(wù)器向無線傳輸設(shè)備發(fā)送軟件下載請求消息幀。（2）無線傳輸設(shè)備收到軟件更新請求后，自動(dòng)向地面服務(wù)器發(fā)送軟件更新反饋消息幀。（3）地面服務(wù)器收到軟件更新反饋后，系統(tǒng)等待ftp軟件傳輸。（4）地面服務(wù)器在確認(rèn)通過ftp傳輸完需要更新的軟件后，向無線傳輸設(shè)備發(fā)送更新完成確認(rèn)消息幀。無線傳輸設(shè)備在5 min內(nèi)等待接收更新完成確認(rèn)消息幀，如超過5 min未收到退出遠(yuǎn)程更新程序流程，并將該異常狀態(tài)記錄并上報(bào)地面服務(wù)器。（5）無線傳輸設(shè)備在收到地面服務(wù)器發(fā)送的更新完成確認(rèn)數(shù)據(jù)后，對相應(yīng)類型的文件名進(jìn)行搜索，并對該文件進(jìn)行循環(huán)完整性確認(rèn)。完整性確認(rèn)方式采用md5校驗(yàn)碼對比方式。如確認(rèn)完整，則對軟件進(jìn)行更新，同時(shí)向地面服務(wù)器發(fā)送更新內(nèi)容成功消息幀。如完整性驗(yàn)證均不通過，則退出軟件更新流程，返回等待新的軟件更新請求，記錄該異常狀況發(fā)生的時(shí)刻及內(nèi)容，并向地面服務(wù)器反饋更新異常狀況。（6）地面服務(wù)器在收到無線傳輸設(shè)備發(fā)送的更新成功消息幀后，可進(jìn)行其他類型軟件更新流程。如無需進(jìn)行其他類型文件的更新，可根據(jù)需要選擇是否對無線傳輸設(shè)備進(jìn)行重啟操作。（7）發(fā)送無線傳輸設(shè)備重啟請求消息幀，無線傳輸設(shè)備在固定時(shí)間內(nèi)收到重啟請求消息幀后，對系統(tǒng)進(jìn)行重啟。如超過固定時(shí)間，則向地面服務(wù)器反饋該異常狀態(tài)并進(jìn)行記錄，退出軟件更新流程。

結(jié)束語：截至目前，車載無線傳輸設(shè)備已配屬肯尼亞蒙內(nèi)鐵路48列內(nèi)燃機(jī)車車地通信系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了地面服務(wù)器與車載設(shè)備的實(shí)時(shí)穩(wěn)定通信。

通過對蒙內(nèi)鐵路車載無線傳輸設(shè)備不斷的完善與改進(jìn)，為進(jìn)一步研究車地?zé)o線通信系統(tǒng)提供了大量穩(wěn)定、可靠的無線通信數(shù)據(jù)積累。對日后提高機(jī)車無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、高效性、以及無線傳輸設(shè)備自診斷等起到了關(guān)鍵作用。