面向高速动车组静态调试的车载数据无线采集系统的研究

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中国设备
工程
Engineer ing hina C P l ant
中国设备工程 2019.02 （上）目前高速铁路得到了迅速发展，在一代又一代铁路人的努力下，我国成为运营里程最长以及商业运营速度最快的国家。

取得这样瞩目的成绩，与不断升级的动车组研发平台、数字化调试平台以及高效的维护与管理平台有着密不可分的关系。

作为高速动车组生产制造以及出厂调试的重要组成部分，数字化调试平台通过分阶段，分批次的建设，目前已取的显著的成果，工程师在数字化调试平台的辅助下可以对车型、任务、资源等信息进行统一的维护及管理，并辅助工程师进行调试任务的下载、分配、记录和信息上传等工作。

然而，由于绝大部分试验数据需要依靠专门研发的工艺装备去采集获取；试验效率在取得阶段性提升后，又受制于相关工艺装备的工作性能及稳定性，因此，研究一套可以进一步提高调试效率的系统迫在眉睫。

随着高速动车组的生产制造逐渐步入正轨，车载网络已基本实现全车主要设备工作状态数据的实时采集与监视，本文通过研究车载网络数据的采集技术，设计了车载网络数据远程无线传输系统，实现了调试任务远程制定、分配、监控、支持和分析。

1 系统概述
数字化无线调试系统主要包括四个部分，分别是具备无线传输功能的车载网络数据采集设备、数字化调试平台地面服务器、数字化调试平台以及车载数据展示平台。

车载网络数据采集装置通过车载无线传输网关（WTD）或者多功能车辆总线（MVB）采集到高速动车组整车数据后，将动车运行状态信息、安全信息等车载数据通过无线网传输至地面的服务器进行存储，服务器软件接收到应用数据后，一方面实时转发至数字化调试平台和数据展示平台，另一方面做数据的冗余备份，为后续建设列车大数据平台提供真实的数据和资源，见图1。

2 子系统的构成2.1 数据采集设备
车载网络数据采集装置接入高速动车组车载网络，通过WLAN 无线通讯模块对数据进行转发。

设备启动时无线通信模块自动连接到调试厂房内数字化调试平台的无线AP 端，
连接建立后，将车载网络数据实时发送至数字化调试平台地面服务器。

为了实现设备便携化、可移动、环境适应能力强的特点，设备硬件接口进行了防水防尘处理；采用了可靠性高、环境适应性强、可以快速连接和分离的航空插头；电源部分提供了交流220V 和110V 接口，同时还提供了可以维持设备2小时连续运行的移动电源，极大的扩展了设备的应用场景。

根据数据采集设备的功能划分，设备主要由电源模块、数据处理模块、无线模块和机箱外部接口等四个部分组成。

（1）数据处理模块主要提供ADC 采样电路，时钟电路，RJ45网络接口，双层DB9接口等外围部件，使用Zynq 系列芯片作为核心处理器，实时处理从列车总线采集到的报文信息。

为了增加可靠性，在发热量较大的芯片上方添加风扇辅助散热，并通过导热装置增加热量耗散，防止电路过热出现性能下降等问题。

（2）电源模块主要实现了电压的转换，将外接电源AC220V 或者DC110V 转换为电路板所需的12V 电压，电池电压为12V 可以直接进行供电，该模块还包含充电电路，可以在接入外接电源时为电池充电。

（3）机箱外部接口均由航空插头作为连接器，主要包括RJ45标准以太网接口、交流220V 接口、直流110V 接口
面向高速动车组静态调试的
车载数据无线采集系统的研究
赵建博1，孙晓东1，李彤2
（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111，2.北京润科通用技术有限公司，上海 200235）摘要：本文主要针对高速动车组调试作业中车载网络数据实时采集、远程地面服务器存储及转发数据进行研究，设计并生产了切实可行的满足前述功能、具备实际使用功效的服务软件及远程无线数据采集设备。

为数字化调试平台的建设提供了新的技术路线，提高了高速动车组的调试效率。

关键词：高速动车组；无线数据下载设备；远程服务
中图分类号：U292 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2019）02（上）-0147-02
图1 无线数据采集系统
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研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术
中国设备工程 2019.02 (上)
以及满足IEC61375标准的MVB 接口。

各接口外壳均与设备短接在一起，确保设备用电安全。

（4）WLAN 无线通信模块支持标准的IEEE 802.11b/g/n 协议，支持WEP64/128、WPA/WPA2 PSK 数据安全标准。

无线模块支持5G 频段和2.4G 频段的切换，但考虑到信号需要穿透车厢厢体发送至厂内AP 端，使用穿透性较好的2.4G 频段更加实用和合理，2.4G 频段最大支持11Mbps 的速率，可以满足时延100ms 的应用需求。

为了更好的适应厂内的特殊应用环境，设备配置了增益为18dBi，极化方向为水平全向的船桨扁平型天线。

2.2 服务软件
服务软件部署在数字化调试平台地面服务器中，是车载数据和数字化调试平台的交互中心。

主要提供网络通信、车载网络数据分类存储、实时数据转发、历史数据查询等功能，便于数字化调试平台随时访问获取车载网络数据。

根据功能的划分，数据服务软件由通讯协议管理模块、通讯模块、数据解析模块、数据管理模块四个部分组成。

其中，通信协议管理模块用于管理系统中传输的数据通讯协议模型，模型中定义了不同协议的信号名称、长度、计算方法等信息，用户使用协议配置工具生成配置文件，软件启动时本模块自动读取配置文件，生成用于通讯的结构化数据，为软件提供通信数据解析依据。

通信模块的主要任务是提供通信服务，通信模块与采集设备和数字调试平台建立TCP/IP 连接。

连接建立后，一方面实时转发由采集设备发送的车载数据，另一方面响应数字调试平台的查询请求，返回查询结果。

数据解析模块对接收到的数据按照协议文件的定义进行拆分、计算和转化，形成方便查询和分类存储的数据结构。

数据管理模块用于管理接收的数据源码和解析后的结构化数据，原始数据存储周期为48小时，超过48小时的数据按照先入先出的原则进行抽样存储，成为历史数据。

服务软件的业务流程如图2所示。

2.3 数据展示
高速动车组按照功能子系统划分，主要包括了列车基本信息、牵引系统、制动系统、客服系统等。

为了充分利用采集存储的车载网络数据，在数据管理系统之外设计了数据展示平台，通过数据列表、饼状图、波形图、柱状图等丰富的形式展示列车当前时间、车次、列车速度、牵引制动级位、高压回路部件状态、温度、空调系统状态、实时轴温、故障信息等内容。

为了实现丰富的展示界面，同时具有较好的可扩展性和便携性，数据展示软件采用B/S 架构，以网页的形式展示列车网络数据。

软件主要包括以下功能。

（1）与服务端建立连接，接收解析后的数据结构对象。

（2）使用HTML5构建列车外观界面，以展示各部件在列车的位置，并响应点击事件，切换对应的数据进行实时显示。

（3）根据部件选择的结果，展示对应的数据，并进行更新，展示的形式包括表格、曲线、控件等。

数据展示软件主要由以下四个模块组成，分别是通信协议管理模块、列车模型展示模块、数据展示模块、通信模块。

通信协议管理模块主要实现数据协议模板文件的导入，并根据该模板形成模型树，用于数据的组织、分发和展示。

列车模型展示模块用于管理图形化的列车
组件，展示软件的主体由图形化的列车部件组成，列车部件图形可以随着数据的变化而产生颜色和状态的变化，使得数据的展示更加形象和直观。

此外，列车部件图形也可以响应用户的操作，切换数据展示区域的内容。

数据展示模块主要管理数据展示区的表格和图形控件，显示被选中部件的详细数据。

通讯模块主要负责和服务器进行通讯，以HTTP 的方式直接传递经过解析的结构化数据，既可以更快的处理数据的传输，也可以保证数据传输协议的可伸缩性。

3 结语
高速动车组远程无线数据采集系统作为数字化调试平台的一部分，丰富和扩展了数字化调试平台的应用场景，扩大了车载设备工作状态数据采集范围的可行性，减少了关联工艺装备的使用需求，提高了高速动车组生产制造的工作效率，提升了生产调试的信息化水平。

通过车载网络数据与实际试验操作的对比分析，避免了外接试验工装性能不稳定导致的测试数据不准确；避免调试工艺装备中途故障停机，造成调试试验中断、不能持续进行的问题。

使用该系统，工程师可以在多场景下了解车辆实时状态信息，多人协作完成车辆调试任务的制定、分配、监控、支持和分析,为高速动车组的安全生产调试提供了新的技术支撑。

参考文献：
[1]崔转玲.动车组运行状态远程监控系统无线通信技术的研究[D]. 兰州交通大学,2014.
[2]杜庆,单晟,唐国平,阳玲华.CRH2型高速动车组无线数据传输装置研制[J].机车电传动.2012，(04).
[3]Mo Z. Grey Prediction of Urban Rail Transit Machine-Electric Equipment Fault Based on Data Mining[C]// International Conference on Intelligent Computation Technology and
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图2 服务软件业务流程。