标准地铁列车数据存储及无线传输系统设计

标准地铁列车数据存储及无线传输系统设计

李谢清，黄众，张杨

中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001

摘要：为减少城轨车辆研发成本及缩短研制周期，中国中车携手中国城市轨道交通协会，组织实施了系列化中国标准地铁列车研制及试验项目[[1]]。本文对标准地铁列车数据存储及无线传输系统的架构设计、数据传输路径规划及系统部件进行分析说明。本系统为车辆状态的分析和全生命周期健康管理提供车载数据支撑。车载无线传输设备（以下简称WTS，Wireless transmission system）通过部件模块化设计提高各板卡的互换性与扩展性，采用系统集成化设计将数据存储与车地传输功能集成，有效提升了网络传输的实时性。此外，提供防火墙功能实现车载网络与地面网络的防护，保障列车数据安全与数据车地传输可靠性。本设计方案及产品已在时速120km的A型标准地铁列车中进行装车验证，运用情况良好。

关键词：标准地铁列车；数据存储；车地无线传输；数据安全

1概述

根据中国标准地铁列车“零件通用化、部件模块化、系统集成化、功能配置化、关键部件自主化、整车标准化、产品系列化、产业规模化、行业规范化、安全提升、性能提升”的顶层设计原则[[2]]，设计了一种应用于城市轨道交通车辆的数据存储及无线传输系统，通过收集列车控制及监控网络和车载在线监测设备产生的各类数据，利用WTS将数据传回地面智能运维平台，用作车辆状态的分析和全生命周期健康管理。

2传统方案分析

随着轨道交通行业信息化的不断发展，列车故障数据、状态数据等信息作为正线实时运营以及列车检修维护的数据来源，对于地面进行智能化大数据分析越来越重要。城市轨道交通行业内传统的数据处理、数据存储与车地大数据传输功能实现基于以下两种方案。

1)采用数据记录单元和无线传输单元两种装置共同实现。

数据记录单元负责列车网络控制系统数据预处理与数据存储功能，通过列车网络将数据发送至无线传输单元；无线传输单元负责车地无线传输功能，将列车数据通过移动通信网络通道[[3]]或无线局域网通道（简称WLAN：Wireless Local Area Networks）[[4]]上传至地面服务器。但是，当以上两种设备间网络通讯连接不稳定时，可能导致设备间数据交互出现问题，产生数据丢包或数据延时的风险。

2)采用数据记录单元与地面乘客信息显示系统（简称PIDS：Passenger information display system）直连的方法实现。

数据记录单元连接地面PIDS的车载交换机，接入地面PIDS系统搭建的车地无线网络实现列车数据落地[[5]]。本方案缺少车地通讯安全策略，未对地面网络（外网）与车载网络（内网）进行有效防护，容易影响数据安全与网络安全，可能引发列车网络风暴。

为解决上述技术方案存在的风险和问题，系列化中国标准地铁列车研制及试验项目组织330余家主机厂和研究单位，历经20多次集中办公，召开180余次技术交流与专题会议讨论分析，邀请400多名行业专家参与行业评审[[6]]，最终形成数据存储及无线传输系统设计方案，详见下文分析说明。

3系统设计

数据存储及无线传输系统集成了数据存储与车地传输功能，并提供防火墙功能来保证车地通讯安全。本设计满足中国标准地铁数据存储及无线传输系统简统化要求，是未来轨道交通行业该系统产品的主流设计方案。

3.1系统架构设计

WTS通过MVB（Multifunction Vehicle Bus，多功能车辆总线）板接入MVB网络，采集列车各子系统故障数据、实时状态数据；通过以太网交换板接入以太网，采集列车各子系统文件数据。车载在线监测系统数据汇集到WTS的处理器板，存储至存储板。数据经过安全防火墙板的防护传输至无线通信板，以保证数据安全。无线通信板通过专用馈线与多频带天线连接，或者WTS连接至第三方设备。车地无线数据传输通道可采用2G/3G/4G/WLAN或第三方通道。

系统架构如下图1所示。

图1数据存储及无线传输系统架构

3.2数据传输路径分析

根据车载在线监测系统对采集数据实时性要求，将数据划分为实时报文类数据与离线文件类数据。

1)实时报文类数据：该类数据特点是单包数据量小但实时性要求高，常用于实时展示和故障告警提示等；

2)离线文件数据：该类数据特点是数量大，但实时性要求不高，常用于车辆回库后上传到地面智能运维平台进行数据分析和故障诊断使用。

针对上述两种数据类型，车地数据传输路径分析详见下表1。

表1车地数据传输路径分析

车载在线监测系统各类状态和故障数据，在车辆运行过程中实时通过4G/5G或PIDS等第三方车地通道，无线传输至地面。离线文件数据（例如弓网在线监测系统、障碍物检测系统、走行部在线监测系统产生的大文件、图片、视频）待列车回库后，接入车辆段内搭建好的Wi-Fi（无线网络通信技术），将数据下载到地面服务器[[7]]。

1系统部件设计

数据存储及无线传输系统配置包括WTS与多频带天线。其中多频带天线可根据各城市轨道交通车辆实际车地网络通道建设情况，作为可选配置。

3.3WTS设备

1.1.1部件模块化设计

依据部件模块化的设计原则将电气接口与机械接口统型，提升WTS设备与各板卡的互换性与扩展性，便于后期设备、板卡的维护与更换。

WTS采用标准3U×84R机箱，最大外形尺寸482.6mm×132.5mm×252.5mm（长×宽×高），产品实物图如下图2所示。

图2WTS产品实物图

1.1.2功能配置化设计

依据功能配置化的设计原则，WTS采用功能板卡配置集成，实现根据用户需求对功能进行个性化配置。各功能板卡配置及功能描述如下：

1）处理器板（CPU）：获取列车各子系统实时状态数据及故障数据，并对收集的数据进行实时数据融合、清洗和特征提取处理。

2）MVB板（MVB）：具有CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型外设部件互连标准）总线主设备通信的能力，为装置扩展一路MVB通信接口，用于接入列车MVB网络。

3）无线通信板（WAN）：支持全网通通信制式，并且能够借助其它通信系统的WLAN通道实现数据车地无线传输功能。

4）以太网交换板（ETH）：为本数据存储及无线传输系统提供以太网交换接口，供机箱内部各单板以太网数据交换，及前面板以太网扩展。

5）安全防火墙板（SA）：提供车地通讯安全策略，实现车载网络与地面网络的隔离防护，保护网络内资产安全。符合GB/T 37933-2019 《信息安全技术 工业控制系统专用防火墙技术要求》[[8]]中对专用防火墙的技术要求。

6）存储板（MEM）：集成数据存储单元，采用可拆卸固态硬盘，用于存储基于以太网数据离线文件和实时报文数据。

7）电源板（PWR）：为整个机箱供电，将输入的DC110V经隔离变换后转为DC5V、DC3.3V供机箱内部供电，本设计方案配置两块电源板，用于实现供电双冗余。

1.1.3系统集成化设计

依据系统集成化设计原则，设计了存储板与无线通信板，集成数据记录单元与车地无线传输单元，机箱内部采用CPCI+RS422（平衡电压数字接口电路的电气特性）/CAN-FD（CAN with Flexible Data rate，可变速率的CAN）+以太网总线通信方式，实现在WTS内即可完成数据交互、存储与传输。

WTS技术参数如下表2所示。

表2WTS技术参数

3.4多频带天线

多频带天线为车地数据传输提供媒介，支持多种频段通讯。支持全网通频段及BDS（BeiDou Navigation Satellite System，中国北斗卫星导航系统）/GPS(：Global Positioning System，美国全球定位系统)/Glonass（Global Navigation Satellite System，俄罗斯全球卫星导航系统）/Galileo（Galileo satellite navigation system，伽利略卫星导航系统）。

天线为双端口的组合天线，端口1为通信天线，端口2为BD/GPS天线。通信天线实现694-6000MHz频带内的射频信号收发，BD/GPS天线实现BD/GPS卫星信号的接收。

多频带天线最大外形尺寸为 146 mm×86 mm×90.1 mm（长×宽×高），产品实物图如下图3所示。

图3多频带天线产品实物图

多频带天线技术参数如下表3所示。

表3多频带天线技术参数

4结束语

本文分析了传统数据存储、车地传输方案存在的问题，设计了一种适用于城市轨道交通车辆的数据存储及无线传输系统，将原有的数据记录单元与车地无线传输单元集成为WTS，降低数据转发，网络传输的实时性也得到了有效提升。此外，WTS配置了防火墙板卡，实现车载网络与地面网络的防护，保障行车安全性与数据车地传输可靠性。

目前，本设计方案及产品已在时速120km的A型标准地铁研制样车中进行装车验证，WTS按照《GB/T 25119-2010铁路应用—铁路机车车辆电子装置》[[9]]、《IEC 61000-4-4:2012 电磁兼容第4部分:试验和测量技术第4分部分:电快速瞬变脉冲 群抗扰度试验》[[10]]等标准进行产品型式试验，完成了绝缘试验、性能试验、电磁兼容试验、振动和冲击试验等18项验证项点。列车已于2021年底下线，数据存储及无线传输系统运用情况良好。系列化标准地铁列车将在广州、深圳等多个城市率先示范落地。本设计将作为未来轨道交通行业数据存储及无线传输系统的主流设计方案逐步应用推广。

参考文献：

[[1]] 唐飞龙，赖森华，于青松.系列化中国标准地铁列车综述[J].电力机车与城轨车辆，2021(05)：1-8.

[[2]] 唐飞龙，赖森华，于青松.系列化中国标准地铁列车综述[J].电力机车与城轨车辆，2021(05)：1-8.

[[3]] 侯智雄，王昊，郝蕊.铁路轨道检测数据智能传输系统研制及应用研究[J].中国铁路，2020(11):133-138.

[[4]] 于健，姜正，陈广泰，杜海宾，曲长萍.轨道交通车载无线通信终端设计与实现[J].铁路计算机应用，2021(04):66-69.

[[5]] 矫德余，石勇，张增一.城轨车辆段车地无线传输系统设计与应用[J].都市快轨交通，2021(8):29-33.

[[6]] 唐飞龙，赖森华，于青松.系列化中国标准地铁列车综述[J].电力机车与城轨车辆，2021(05)：1-8.

[[7]] 余添明.地铁车辆在线检测系统数据平台搭建[J].电力机车与城轨车辆，2021(04)：85-87.

[[8]] GB/T 37933-2019，信息安全技术 工业控制系统专用防火墙技术要求[S].

[[9]] GB/T 25119-2010，铁路应用—铁路机车车辆电子装置[S].

[[10]]IEC 61000-4-4:2012，电磁兼容第4部分:试验和测量技术第4分部分:电快速瞬变脉冲群抗扰度试验[S].

作者简介：李谢清（1997），女，汉族，湖南株洲，本科，助理工程师，系列化中国标准地铁列车项目数据存储及无线传输系统专业组成员，研究方向：车辆智能运维系统、数据无线传输。

黄众（1986），男，汉族，湖南长沙，硕士，高级工程师，系列化中国标准地铁列车项目智能运维系统专业组组长，研究方向：车辆智能运维系统、健康管理、数据无线传输。

张杨（1984），男，汉族，湖南湘潭，硕士，高级工程师，系列化中国标准地铁列车项目列车网络控制系统专业组副组长，研究方向：列车控制与管理系统、健康管理。

单位：中车株洲电力机车有限公司

基金项目：系列化中国标准地铁列车研制及试验