城际列车智能运维系统车载数据通信设计与实现

城际列车智能运维系统车载数据通信设计与实现

刘博逊1,，薛庚光2，杨天奇1，莫辉强3，王晓鹏1，曲先超1，刘艳龙1

（1. 中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116052

2. 上海申浙数智轨道科技有限公司，上海 310005

3. 浙江海宁轨道交通运营管理有限公司， 浙江 海宁 314400）

摘要：本文介绍了一种城际列车智能运维系统的整体架构，提出并设计了符合项目实际的车载数据通信策略，制定了无线通信协议，完成了数据格式与内容的设计工作，实现了列车的实时数据、故障数据稳定上传至地面运维中心，并进行数据解析及展示。

关键词：车地无线；智能运维系统；以太网通信；

1 引言

随着轨道交通的高速发展，城市轨道交通智能监测和运维技术应运而生，对于列车运行安全及运营维护至关重要。传统的轨道交通无智能运维系统，只有司机能够准确了解车辆的运行状态和故障信息，出现故障后，司机自行进行操作处理，存在较大安全隐患。智能运维系统通过车载设备将运营车辆的状态数据和故障数据上传到地面服务器，地面服务器对数据进行解析显示，为运营检修人员提供专业指导；车载设备将缓存的文件数据上传到地面运维中心，进行大数据计算，诊断车辆的亚健康状态，提升运营检修效率。

2 车地通信策略设计

2.1 系统构架

智能运维系统由车载无线传输装置，通信链路，地面运维中心组成。其中车载数据采集单元负责收集列车的状态信息、列车的故障信息、各系统的状态信息、各系统的故障信息，并将收集的信息通过无线传输系统分别发送给不同的地面运维中心。通信链路可采用LTE、WLAN、4G、5G等进行通信。地面运维中心接收所有车辆的状态信息和故障信息进行分析，并将相关信息通过不同的方式展示给相关人员。本项目设计的车载端数据在无线传输至地面的时候需要数据双归属，分别采用点对点的通信形式，将车载数据分发至2个数据处理中心。

2.2通信策略

数据采集：数据采集单元与各系统采用多功能车辆总线MVB方式连接，各系统与数据采集单元通过MVB协议进行通讯，各系统按照约定的数据传输格式和周期发送自身数据到MVB总线，数据采集单元采集重要的状态数据和故障数据。

数据上传：本项目的实时数据为周期性发送数据，故障数据为触发式发送数据。数据采集单元与无线传输装置采用以太网方式连接，通过UDP协议通讯，数据传输装置按照约定的数据传输格式发送类数据到无线传输装置，无线传输装置将数据路由到地面运维中心。实时周期数据按照固定周期进行发送，实时周期数据包含车辆状态、车辆位置信息、车辆统计信息、牵引系统状态、制动系统状态、辅助系统状态、车门系统状态等，数据采集单元周期性的上传实时周期数据，用于地面运维中心实时监测车辆和系统的运行状态。触发式故障数据在故障发生或解除时，数据采集单元将故障信息上传地面运维中心，等待地面运维中心反馈，确认地面运维中心接收到故障信息后，不再发送，否则一直发送。用于地面运维中心实时监测车辆和系统的故障情况。

文件上传：数据采集单元将车载各系统的数据保存在本地，当车辆停止载客运营后，地面运维中心将发送请求上传文件消息给车载数据采集单元，车载数据采集单元确认与地面运维中心建立通信后，发送反馈消息给地面运维中心，并采用FTP通信协议，数据记录单元作为客户端，地面运维中心作为服务器，数据记录单元凭借项目约定的账号和密码登录服务器，并将文件上传，文件上传完毕后，数据记录单元发送文件校验请求消息给地面运维中心，地面运维中心对文件进行校验，并将校验结果发送给车载数据采集单元，车载数据采集单元确认地面运维中心接收到正确的文件后，文件传输结束。

3车地通信协议设计

3.1 实时数据通信协议

数据采集单元上传地面运维中心的报文，采用UDP通信协议，无需地面运维中心应答，数据采集单元启动后，周期性地上传报文，报文格式如下图所示，其中UDP数据区的报文头包含项目代号、协议版本号、时间戳、消息类型、报文长度、帧序列号等信息，UDP数据区的数据包含车号、车辆状态、车辆位置信息、车辆统计信息和各系统的状态信息。UDP数据区的校验为整个UDP数据区的校验码。

3.2 故障数据通信协议

故障触发报文：当数据采集单元接收到故障触发时，将故障报文上传给地面运维中心，并实时接收运维中心反馈，采用UDP通信协议，报文头包含项目代号、协议版本号、时间戳、消息类型、报文长度、帧序列号等信息，数据区的故障信息包含故障时间戳、故障代码、故障设备等信息。

故障反馈报文：当地面运维中心接收到车载设备发送的故障报文后，将故障反馈报文发送给车载设备，用于确认故障消息已接收，采用UDP通信协议，报文头包含项目代号、协议版本号、时间戳、消息类型、报文长度、帧序列号等信息，数据区的故障信息包含故障时间戳、故障代码、故障设备、反馈标志等信息。

3.3 文件数据通信协议

文件上传请求报文：地面运维中心发送文件上传请求报文，要求车载设备上传文件，采用UDP通信协议，报文格式与实时数据报文一致，报文头的消息类型不一致，用于区分报文用途，文件传输信息包含文件存储路径。

文件上传反馈报文：车载设备接收到地面运维中心发送文件上传请求报文后，发送反馈消息给地面运维中心，告知地面运维中心已接收到文件上传请求，采用UDP通信协议，报文格式文件上传请求报文一致，报文头的消息类型不一致，用于区分报文用途，文件传输信息包含文件存储路径和反馈标志。

    文件校验请求报文：车载设备上传文件完成后，发送文件校验请求报文，用于验证地面运维中心接收报文的正确性，采用UDP通信协议，报文格式与实时数据报文一致，报文头的消息类型不一致，用于区分报文用途，文件校验信息包含文件名称和文件大小。

文件校验反馈报文：地面运维中心接收到文件校验请求报文后，对文件名称和文件大小进行校验，发送反馈结果发送给车载设备，采用UDP通信协议，报文格式文件上传请求报文一致，报文头的消息类型不一致，用于区分报文用途，文件传输信息包含文件大小、文件名称和文件校验结果。

4设计验证

4.1 仿真验证

仿真设备与数据采集单元进行MVB通信，仿真设备模拟车辆实时状态和故障状态发送给数据采集单元，数据采集单元进行解析处理，与计算机进行以太网通信，计算机模拟智能运维系统地面服务器。

    使用计算机软件接收以太网数据，确认数据采集单元能够实现实时数据周期性的发送给两个目标IP。故障数据触发后，数据采集单元将故障信息发送给两个目标IP,通过计算机软件给数据采集单元发送故障消息反馈，数据采集单元接收到反馈消息后，停止继续发送故障信息。

使用计算机软件创建FTP服务器，并给数据采集单元发送文件上传请求，数据采集单元成功将本地文件上传到计算机指定文件夹中，并进行了文件校验功能。

4.2 实车验证

本文设计的通信策略与通信协议，经过现场的应用验证，车载数据可完成落地，数据有效并能支撑智能运维终端显示的要求。

5.结束语

本文设计并完成了城际列车智能运维系统车地数据通信策略与通信协议的设计和实施，能够充分利用车载数据内容，在地面有效准确地监视车辆运行状态、车载系统状态、车辆故障，数据双归属地的方案设计完成了重要数据的冗余备份和检测，提高了运营检修及维护的智能化程度，实现了远程指挥应急情况应急处置，降低了维护成本。

参考文献：

[1]李娜，赵豆.轨道交通车地无线传输系统原理分析和说明[J].工业仪表与自动化装置，2019，(006)：101-103.

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[3]李瑞芳，唐寿成.浅谈轨道交通车-地通信技术[J].铁道通信信号，2009(5)：56-58.