基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺研究

◆苗欣 李言民 劉紀(jì)龍

基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺研究

◆苗欣 李言民 劉紀(jì)龍

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 266111）

列車作為我國交通網(wǎng)絡(luò)體系的重要組成部分，利用以太網(wǎng)技術(shù)強(qiáng)化列車控制系統(tǒng)，能夠達(dá)到列車維護(hù)效率提升、維護(hù)成本降低和列車智能化、數(shù)字化程度加深等諸多效果。因此，本文在探究基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺系統(tǒng)構(gòu)成以及軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討了基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)車載無線數(shù)傳主機(jī)設(shè)計以及地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在為基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺研究水平的快速提升帶來更多參考和啟迪。

以太網(wǎng)技術(shù)；列車控制系統(tǒng)；調(diào)試監(jiān)測平臺

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提升，在現(xiàn)代社會快節(jié)奏工作和旅游需求不斷強(qiáng)化的日常生活過程中，人們對交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的速度有了更高需求，列車作為現(xiàn)代高科技交通工具，有著行駛速度快、發(fā)出噪聲小、平穩(wěn)舒適性高、節(jié)能環(huán)保和安全可靠等諸多優(yōu)勢，應(yīng)用前景非常廣闊。列車控制系統(tǒng)作為列車系統(tǒng)的一個核心組成部分，對整個列車的研制起著至關(guān)重要的作用，因此，如何提高控制系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試效率顯得非常重要。在此背景下，本文針對列車研發(fā)生產(chǎn)過程中調(diào)試環(huán)境復(fù)雜、調(diào)試接口多、調(diào)試難度大、調(diào)試周期長等特點進(jìn)行定制化開發(fā)，將各車輛CAN總線轉(zhuǎn)換接入以太網(wǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和集中調(diào)試，便于工程師及調(diào)試人員集中調(diào)試使用，提高調(diào)試效率，并將列車控制系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息等關(guān)鍵信息實時傳輸?shù)降孛娣?wù)器進(jìn)行統(tǒng)計分析，便于開發(fā)人員在地面實時監(jiān)測列車各控制器的運行狀態(tài)、安全可靠調(diào)試，提升調(diào)試技能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺由CAN總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)組網(wǎng)、基于以太網(wǎng)的調(diào)試平臺、無線數(shù)傳主機(jī)、地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺等四部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試監(jiān)測平臺車載以太網(wǎng)總線采用雙網(wǎng)冗余方式，無線傳輸部分采用無線雙網(wǎng)數(shù)據(jù)加密傳輸，確保整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺采用安全防火墻接入、磁盤數(shù)據(jù)冗余備份、服務(wù)器系統(tǒng)軟件，確保7x24小時穩(wěn)定運行，保證基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)。同時，列車控制系統(tǒng)通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊接入以太網(wǎng)總線，用戶使用調(diào)試電腦可在任何一個車廂的調(diào)試接口接入以太網(wǎng)總線，可對列車控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)查詢及參數(shù)設(shè)置。車載無線數(shù)傳主機(jī)可實現(xiàn)對無線外網(wǎng)和車載內(nèi)網(wǎng)的安全隔離，以防網(wǎng)絡(luò)入侵確保車載內(nèi)網(wǎng)的安全性。無線數(shù)傳通信從軟件協(xié)議和硬件線路單向隔離兩方面可確保任何網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都無法發(fā)到車載以太網(wǎng)和控制器，確保只能數(shù)據(jù)下車，禁止遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)往控制器。

圖1 基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺架構(gòu)圖

2 軟件架構(gòu)

基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為三大部分：基于列車以太網(wǎng)總線列車控制系統(tǒng)在線調(diào)試平臺軟件、車載數(shù)傳主控軟件及地面實時監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)軟件。由于列車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信量大，并且對通信的順序性和實時性要求較高，整個控制系統(tǒng)包含了很多模塊，不同模塊需要不同的調(diào)試人員。根據(jù)設(shè)備使用場景，列車控制系統(tǒng)調(diào)試平臺在軟件架構(gòu)上采用C/S+B/S混合架構(gòu)，能有效保證基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺功能的順利實現(xiàn)。車載以太網(wǎng)總線在線調(diào)試軟件運行平臺為Windows系統(tǒng)，安裝于專用調(diào)試筆記本電腦。在軟件架構(gòu)過程中，由于基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺調(diào)試工況較為復(fù)雜，提供的設(shè)備終端較多，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試監(jiān)測平臺軟件在采集運行數(shù)據(jù)時對實時性有較高的要求，因此，本系統(tǒng)核心算法主導(dǎo)開發(fā)語言采用C/C++語言編寫，結(jié)合其他相關(guān)組件和軟件開發(fā)工具，共同完成調(diào)試工作及數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)調(diào)試監(jiān)測平臺軟件通過以太網(wǎng)總線采集到列車控制系統(tǒng)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，可直接通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送到地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺，存入數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，這樣可以有效存儲大量的數(shù)據(jù)，其新增、修改、刪除、查看均有良好的性能支持，為基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺功能實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)。系統(tǒng)同時可以根據(jù)用戶需要，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于用戶調(diào)取使用，也可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)分析。此外，基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺軟件運行后，可自動生成配置文件和記錄數(shù)據(jù)文件，記錄數(shù)據(jù)文件按照不同的控制器和變量進(jìn)行分類存放，方便用戶查看，能獲得較高的實時性和良好的人機(jī)交互，既獲得高性能，也同時獲得高可操作性，其軟件框架如圖2所示。

圖2 基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測軟件架構(gòu)圖

3 車載無線數(shù)傳主機(jī)設(shè)計

車載無線數(shù)傳主機(jī)是基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺的重要組成部分，該部分主要負(fù)責(zé)車到地的數(shù)據(jù)安全可靠傳輸，管理網(wǎng)絡(luò)通信安全鏈接，實現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)單向數(shù)據(jù)傳輸，保證列車控制器安全運行。在此目標(biāo)實現(xiàn)過程中，車載無線數(shù)傳主機(jī)通過控制車核心交換機(jī)接入車載以太網(wǎng)總線，實時接收列車控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息和故障信息，再通過無線4G/5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺。此時車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計通信速率100Mbps，實際列車控制系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)信息傳輸速率不大于600KB/s，車上供電為AC220V，要求2路4G/5G對外傳輸數(shù)據(jù)，預(yù)留設(shè)備調(diào)試接口，內(nèi)外部通信物理隔離，數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件加密傳輸，設(shè)備的環(huán)境與電磁兼容滿足鐵路電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。車載無線數(shù)傳主機(jī)設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱設(shè)計，寬度52HP（265mm），預(yù)留后期擴(kuò)展空槽位。內(nèi)部板卡均采用兼容性設(shè)計，處理器板1與處理器板2采用相同設(shè)計，焊接不同模塊電路，燒寫不同程序，實現(xiàn)不同功能，4G/5G板卡后期可根據(jù)實際需求配置，可采取配置雙4G、雙5G或1個4G、1個5G的形式，電源為AC220V交流電源輸入，24V電源輸出，配置兩塊電源進(jìn)行冗余設(shè)計，CAN總線接口預(yù)留，232接口為維護(hù)接口，虛線口為封閉不使用接口，預(yù)留3個4HP的空槽位，可進(jìn)行擴(kuò)展，主機(jī)接口如圖3所示。

圖3 基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺車載無線數(shù)傳主機(jī)接口圖

4 地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺設(shè)計

地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺是基于以太網(wǎng)的列車控制系統(tǒng)調(diào)試監(jiān)測平臺功能實現(xiàn)的又一重要內(nèi)容。其中，地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺硬件采用標(biāo)準(zhǔn)式服務(wù)器機(jī)柜，使用機(jī)架式高性能安全服務(wù)器，前端架設(shè)安全防火墻及智能交換機(jī)；服務(wù)器軟件系統(tǒng)采用C/S和B/S混合架構(gòu)，運行平臺為Windows服務(wù)器系統(tǒng)，開發(fā)語言采用C++和java，數(shù)據(jù)庫選用MySql數(shù)據(jù)庫，為地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺數(shù)據(jù)傳輸和智能交換功能實現(xiàn)奠定了扎實基礎(chǔ)（圖4）。

圖4 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

總之，基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的調(diào)試監(jiān)控平臺，通過CAN總線以太網(wǎng)組網(wǎng)、基于以太網(wǎng)技術(shù)調(diào)試平臺、無線數(shù)傳主機(jī)和地面實時監(jiān)控服務(wù)平臺四大模塊組成，有效完成了列車維護(hù)效率提升、維護(hù)成本降低、智能化程度提升的目標(biāo)，通過以太網(wǎng)技術(shù)搭建的智能控制體系，為列車運行過程中通信數(shù)據(jù)傳輸速率提高、傳輸數(shù)據(jù)更新周期頻率縮短和網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量擴(kuò)大以及信息滯后性降低等做出了重要貢獻(xiàn)，是未來列車控制的重要發(fā)展方向。

[1]熊艷，黃赫，李思源，等.基于以太網(wǎng)的高速列車控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)車電動化，2019（4）：41-44.

[2]裘成追.客運專線鐵路信號系統(tǒng)調(diào)試[J].技術(shù)創(chuàng)新，2011（2）：22-23.