車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流優(yōu)化方法研究與實(shí)現(xiàn)

劉昭翼

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

根據(jù)速度等級(jí)、長(zhǎng)短編組、運(yùn)營(yíng)環(huán)境的不同，CRH2型動(dòng)車(chē)組可劃分為31種車(chē)型，共計(jì)1 100余列動(dòng)車(chē)，占全國(guó)動(dòng)車(chē)總數(shù)的30%左右，是當(dāng)前高鐵客運(yùn)的主力車(chē)型。其核心車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信控制回路由車(chē)輛總線、電流環(huán)以及信息記錄設(shè)備組成，通信過(guò)程中，車(chē)輛中央控制裝置負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)輛總線采集的列車(chē)信息進(jìn)行合并處理，通過(guò)電流環(huán)將處理后的列車(chē)信息發(fā)送至車(chē)地通信裝置保存，用于后期數(shù)據(jù)分析和故障定位。目前的數(shù)據(jù)傳輸長(zhǎng)度受限，且部分觸發(fā)型數(shù)據(jù)更新周期長(zhǎng)達(dá)30秒，存在數(shù)據(jù)記錄協(xié)議不能擴(kuò)充、刷新響應(yīng)緩慢、觸發(fā)時(shí)間較短的故障無(wú)記錄等問(wèn)題，已無(wú)法滿足現(xiàn)有CRH2型高速動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)記錄和故障診斷的要求，因此研究一種新型CRH2高速動(dòng)車(chē)組過(guò)程數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)處理方法具有十分重要的意義。

1 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理現(xiàn)狀

如圖1所示，CRH2動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用二級(jí)拓?fù)洹Ａ熊?chē)級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用光纖環(huán)網(wǎng)通信，由中央控制裝置、終端控制裝置和ARCNET總線組成，是連接各個(gè)車(chē)廂控制單元的主干道。車(chē)輛級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，由控制裝置、第三方設(shè)備和電流環(huán)組成，是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)信息交換的通道。電流環(huán)是串行通信中常用的接口電路，零電平信號(hào)采用0～2 mA電流表示，滿量程采用17～23 mA電流表示，在發(fā)送端將TTL電平轉(zhuǎn)換為環(huán)路電流信號(hào)，在接收端又將環(huán)路電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平，實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備的通信。

圖1 CRH2型動(dòng)車(chē)組典型拓?fù)?/p>

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖2所示，中央控制裝置從光纖環(huán)網(wǎng)獲取全車(chē)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選拼接后，組成長(zhǎng)度為252字節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，通過(guò)電流環(huán)通道發(fā)送給車(chē)地通信裝置。由于受數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體總長(zhǎng)度的限制，部分?jǐn)?shù)據(jù)需要犧牲一定的實(shí)時(shí)性來(lái)完成分時(shí)發(fā)送，各車(chē)型的車(chē)地通信協(xié)議難以統(tǒng)型，沒(méi)有可供擴(kuò)展利用的空間。

圖2 數(shù)據(jù)流架構(gòu)

通信時(shí)序如圖3所示，SDR為每個(gè)通信周期必然發(fā)送一次的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（牽引、制動(dòng)、第三方設(shè)備狀態(tài)等），LDR為根據(jù)觸發(fā)條件發(fā)送的數(shù)據(jù)（故障、累計(jì)數(shù)據(jù)等），SD和LD為車(chē)地通信裝置根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)類(lèi)型應(yīng)答的數(shù)據(jù)。在沒(méi)有LDR發(fā)送進(jìn)程時(shí)，以200 ms為周期嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；在有LDR發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)等待SDR收發(fā)完成后再啟動(dòng)LDR的發(fā)送進(jìn)程，此時(shí)SDR+SD+LDR+LD的通信時(shí)長(zhǎng)將超過(guò)200 ms，導(dǎo)致下一幀SDR數(shù)據(jù)延遲發(fā)送或覆蓋，當(dāng)LDR請(qǐng)求頻繁異常觸發(fā)時(shí)，存在車(chē)地通信數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)由于LDR進(jìn)程的更新間隔為30 s，其所包含的故障或狀態(tài)信息持續(xù)時(shí)間小于30 s時(shí)，將不會(huì)被記錄，當(dāng)列車(chē)出現(xiàn)故障需借助LDR數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)非預(yù)期的分析結(jié)果。

圖3 數(shù)據(jù)通信時(shí)序結(jié)構(gòu)流程處理方式

2 數(shù)據(jù)處理方式優(yōu)化

針對(duì)CRH2型動(dòng)車(chē)組數(shù)據(jù)處理及傳輸過(guò)程中存在的不足，本文提出一種數(shù)據(jù)處理優(yōu)化方法，通過(guò)ARCNET光纖環(huán)網(wǎng)將高速列車(chē)各車(chē)廂反饋的關(guān)鍵控制指令信息、牽引制動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、輸入輸出信息、第三方設(shè)備信息予以收集和深度重組，將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)拆分到2個(gè)電流環(huán)通道中同步傳輸至車(chē)地通信裝置，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后數(shù)據(jù)流架構(gòu)

其中，終端裝置負(fù)責(zé)收集牽引制動(dòng)數(shù)據(jù)和第三方設(shè)備數(shù)據(jù)，牽引制動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)HDLC協(xié)議傳輸至終端處理單元，空調(diào)、軸溫等第三方設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)電流環(huán)協(xié)議傳輸至終端處理單元。中央裝置負(fù)責(zé)收集輸入輸出、控制指令和顯示狀態(tài)信息，分別通過(guò)硬線、背板總線PBUS和485協(xié)議傳輸。

如果是8編組動(dòng)車(chē)，圖中的=8，環(huán)網(wǎng)由8個(gè)終端和2個(gè)中央組成，每隔120 ms輪詢(xún)一次各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；如果是16編組動(dòng)車(chē)，圖中的=16，環(huán)網(wǎng)由16個(gè)終端和2個(gè)中央組成，每隔200 ms輪詢(xún)一次各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；以上形成環(huán)網(wǎng)中循環(huán)滾動(dòng)的數(shù)據(jù)流，頭尾車(chē)的中央處理單元從環(huán)網(wǎng)中獲取全網(wǎng)數(shù)據(jù)，將需地面分析的數(shù)據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)后分為2組，同時(shí)將觸發(fā)式記錄的數(shù)據(jù)插入第一組的固定區(qū)域，最終在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送單元中分別通過(guò)2個(gè)20 mA電流環(huán)通道發(fā)送至車(chē)地通信裝置并根據(jù)SYN標(biāo)志位進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼包處理。

2.1 全車(chē)數(shù)據(jù)重組

中央處理單元從光纖環(huán)網(wǎng)、硬線IO板卡和RS485接口獲取全車(chē)的數(shù)據(jù)，并對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)重組關(guān)聯(lián)關(guān)系

全車(chē)數(shù)據(jù)收集完畢后，通過(guò)協(xié)議字段偏移識(shí)別，按照控制信息、觸發(fā)類(lèi)信息和實(shí)時(shí)傳輸信息三種信息的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)整理和發(fā)送：

（1）判斷控制指令位為有效時(shí)，將主控端（司機(jī)室鑰匙占有端）發(fā)送的級(jí)位、恒速指令等控制信息透?jìng)髦恋谝话l(fā)送模塊。

（2）固定100字節(jié)空間用于當(dāng)前故障、故障記錄、累計(jì)數(shù)據(jù)的發(fā)送：當(dāng)前故障是指正在發(fā)生的故障，包含故障名、故障碼、故障車(chē)廂、發(fā)生時(shí)刻、速度等信息，每200 ms更新一次；故障記錄是指已經(jīng)發(fā)生過(guò)記錄在Flash存儲(chǔ)器中的故障履歷，僅包含故障名、故障碼和故障發(fā)生時(shí)間；累計(jì)數(shù)據(jù)是指累計(jì)運(yùn)行里程、牽引電力、再生電力等信息，這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)包通過(guò)司乘人員點(diǎn)擊發(fā)送按鈕或列車(chē)到站時(shí)進(jìn)行一次完整發(fā)送。經(jīng)過(guò)優(yōu)先級(jí)判斷處理后，送往第一發(fā)送模塊。

（3）對(duì)其余的狀態(tài)信息和故障信息則進(jìn)行拆分再組合處理：各車(chē)廂的接觸器、受電弓、設(shè)備隔離等硬線輸入輸出信息和空轉(zhuǎn)、滑行等牽引制動(dòng)信息按車(chē)廂號(hào)依次提取，提取后的數(shù)字量數(shù)據(jù)通過(guò)位偏移對(duì)應(yīng)+1車(chē)的方法重新排列整合（對(duì)應(yīng)0～7），組成180字節(jié)長(zhǎng)度的輸入輸出和牽引制動(dòng)數(shù)據(jù)段，送往第一發(fā)送模塊；各車(chē)廂的空調(diào)控制溫度、運(yùn)行模式、軸溫傳感器信息以及其他數(shù)據(jù)按車(chē)廂號(hào)提取，提取后的模擬量數(shù)據(jù)通過(guò)字節(jié)偏移對(duì)應(yīng)-+1車(chē)的方法重新排列整合（代表當(dāng)前查閱的1車(chē)模擬量對(duì)應(yīng)的字節(jié)偏移，對(duì)應(yīng)當(dāng)前查閱的模擬量字節(jié)偏移），組成280字節(jié)長(zhǎng)度的空調(diào)信息、軸溫信息和其他信息數(shù)據(jù)段，送往第二發(fā)送模塊。

各數(shù)據(jù)塊發(fā)送參數(shù)如表1所示，車(chē)型為8編組時(shí)，全車(chē)的部分?jǐn)?shù)據(jù)按（3）處理后同時(shí)發(fā)往1車(chē)和8車(chē)車(chē)地通信裝置；車(chē)型為16編組時(shí)，1～8車(chē)的部分?jǐn)?shù)據(jù)按（3）處理后發(fā)往1車(chē)車(chē)地通信裝置，9～16車(chē)的部分?jǐn)?shù)據(jù)按（3）處理后發(fā)往16車(chē)車(chē)地通信裝置，16車(chē)車(chē)地通信裝置截獲數(shù)據(jù)后按車(chē)廂號(hào)加8處理，發(fā)送數(shù)據(jù)保持協(xié)議映射關(guān)系，與8編組車(chē)型通信協(xié)議格式一致。

表1 各數(shù)據(jù)塊發(fā)送參數(shù)

通過(guò)數(shù)據(jù)重組和雙通道傳輸，擴(kuò)容數(shù)據(jù)量為原來(lái)的2.3倍并平均分配至兩個(gè)電流環(huán)通道，狀態(tài)數(shù)據(jù)排序符合標(biāo)準(zhǔn)的批處理邏輯，便于故障點(diǎn)的解析和診斷。

2.2 觸發(fā)型數(shù)據(jù)優(yōu)化

本文提出一種觸發(fā)型數(shù)據(jù)優(yōu)化方法，取消原SDR數(shù)據(jù)后追加發(fā)送的LDR數(shù)據(jù)，改為在固定區(qū)域段根據(jù)觸發(fā)條件發(fā)送故障記錄和累計(jì)數(shù)據(jù)，空閑時(shí)間發(fā)送當(dāng)前故障（以200 ms為周期）。優(yōu)化后的數(shù)據(jù)通信時(shí)序如圖6所示，數(shù)據(jù)幀由02H（16進(jìn)制，下同）開(kāi)頭，正文標(biāo)識(shí)固定為22H，03H結(jié)尾，最后接2字節(jié)的BCC校驗(yàn)碼。傳輸數(shù)據(jù)實(shí)際內(nèi)容由LDR和SDR組成，LD表示車(chē)地通信裝置發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的觸發(fā)數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

圖6 優(yōu)化后觸發(fā)型數(shù)據(jù)通信時(shí)序

觸發(fā)型數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序存在兩種處理進(jìn)程，分別為當(dāng)前故障請(qǐng)求和司乘按鍵觸發(fā)：

（1）不存在故障記錄或累計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)程，且LD送達(dá)的數(shù)據(jù)類(lèi)別標(biāo)識(shí)為31H時(shí)，LDR數(shù)據(jù)塊固定填入當(dāng)前正在發(fā)生的故障信息，每3個(gè)字節(jié)表示1個(gè)故障，前2個(gè)字節(jié)代表故障BCD碼，第3個(gè)字節(jié)代表故障發(fā)生車(chē)廂；在觸發(fā)類(lèi)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，如果發(fā)送間隔大于400 ms，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)處理模塊將利用空閑時(shí)間發(fā)送當(dāng)前故障。

（2）中央處理單元接收到司乘按鈕或列車(chē)到達(dá)終點(diǎn)站的觸發(fā)條件后，立即對(duì)整車(chē)的故障記錄和累計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分處理，以數(shù)據(jù)塊為單位進(jìn)行傳輸，并將此類(lèi)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)提升至最高。按照每個(gè)傳輸塊100字節(jié)進(jìn)行劃分，通過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)別標(biāo)識(shí)每個(gè)傳輸塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中01H～14H代表1車(chē)～16車(chē)各中央或終端設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，41H代表累計(jì)數(shù)據(jù)，41H類(lèi)別數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢，即表示當(dāng)前請(qǐng)求的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，繼續(xù)根據(jù)LD觸發(fā)31H請(qǐng)求當(dāng)前故障發(fā)送時(shí)序。

對(duì)觸發(fā)型數(shù)據(jù)的發(fā)送方法和發(fā)送優(yōu)先級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，將原來(lái)較長(zhǎng)周期的消息故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)更新的當(dāng)前故障過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)別編號(hào)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包的實(shí)際內(nèi)容，保證當(dāng)前故障傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和完整性，同時(shí)故障記錄和累計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)LDR固定區(qū)域優(yōu)先級(jí)處理，不再占用額外的通信時(shí)間，確保了通信時(shí)序嚴(yán)格按照200 ms的周期執(zhí)行，減少了數(shù)據(jù)幀丟失的風(fēng)險(xiǎn)，提升了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性。

2.3 當(dāng)前故障合并排序

如圖7所示，為了保證快速、準(zhǔn)確地解析當(dāng)前故障表內(nèi)容，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行合并排序處理。中央控制裝置通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)輪詢(xún)動(dòng)車(chē)組上各個(gè)局的故障數(shù)據(jù)，獲取各局故障對(duì)應(yīng)字節(jié)偏移信息，從包含有1 000條故障的總列表中篩選出觸發(fā)上升沿的故障。當(dāng)某個(gè)故障已經(jīng)被觸發(fā)且持續(xù)有效時(shí)，將該故障對(duì)應(yīng)的車(chē)廂號(hào)寫(xiě)入故障發(fā)生車(chē)廂數(shù)組變量，同時(shí)將故障發(fā)生優(yōu)先級(jí)也同步寫(xiě)入優(yōu)先級(jí)數(shù)組變量。最后通過(guò)合并排序算法，以最少的系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)完成故障優(yōu)先級(jí)從大到小的排序整理。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于增加故障發(fā)生車(chē)廂數(shù)組變量，綁定對(duì)應(yīng)發(fā)生車(chē)廂比特位，減少數(shù)據(jù)重復(fù)解析負(fù)荷。增加優(yōu)先級(jí)數(shù)組變量，使得每一個(gè)故障有其唯一對(duì)應(yīng)的故障優(yōu)先級(jí)代碼，基于后進(jìn)置頂?shù)脑瓌t，采用合并排序的方法填充當(dāng)前故障表，通過(guò)第一發(fā)送模塊的LDR數(shù)據(jù)區(qū)域發(fā)送至車(chē)地通信裝置記錄，最終根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)間戳下載對(duì)應(yīng)的當(dāng)前故障表數(shù)據(jù)，即可查閱任意時(shí)刻的故障信息，便于地面運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)對(duì)影響列車(chē)正常運(yùn)行的故障進(jìn)行及時(shí)的邏輯分析和應(yīng)急處理，保障列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

圖7 當(dāng)前故障數(shù)據(jù)處理

3 應(yīng)用效果測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理優(yōu)化后的發(fā)送接收時(shí)序，利用示波器抓取鏈路層的數(shù)據(jù)收發(fā)電平波形：圖8為現(xiàn)有車(chē)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序，只有SDR數(shù)據(jù)發(fā)送和應(yīng)答時(shí)，通信周期為200 ms；如果本幀數(shù)據(jù)觸發(fā)了LDR發(fā)送邏輯，在SDR數(shù)據(jù)應(yīng)答結(jié)束后，將增加額外的LDR發(fā)送和應(yīng)答時(shí)間，導(dǎo)致本輪的通信周期延長(zhǎng)為235 ms（光標(biāo)差值ΔX），不再遵循標(biāo)準(zhǔn)的電流環(huán)通信時(shí)序，影響后續(xù)幀數(shù)據(jù)的收發(fā)，造成頻繁丟包。圖9為優(yōu)化后的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)序，將LDR融入SDR數(shù)據(jù)中，整體收發(fā)周期嚴(yán)格控制在200 ms內(nèi)，確保了通信時(shí)序的穩(wěn)定和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的按時(shí)送達(dá)，驗(yàn)證了本優(yōu)化方法的有效性。

圖8 現(xiàn)有車(chē)地通信時(shí)序波形

圖9 優(yōu)化后通信時(shí)序波形

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析CRH2型動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，設(shè)計(jì)了一種軌道車(chē)輛的通信數(shù)據(jù)處理方法，有效擴(kuò)充了列車(chē)信息的傳輸量，優(yōu)化了傳輸信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，規(guī)范了觸發(fā)型數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則，消除原通信方式在發(fā)送時(shí)序和發(fā)送長(zhǎng)度上的不確定性，有效保障了列車(chē)狀態(tài)分析所需信息的完整性，彌補(bǔ)了CRH2型動(dòng)車(chē)組故障分析的短板。