王洪儉

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，200235，上?！喂こ處煟?/p>

車載控制器診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)研究

王洪儉

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，200235，上?！喂こ處煟?/p>

城市軌道交通現(xiàn)有CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)中VOBC（車載控制器）缺乏診斷數(shù)據(jù)記錄功能，列車在運(yùn)營過程中若發(fā)生瞬態(tài)故障，往往難以準(zhǔn)確查明原因，由此產(chǎn)生安全隱患。對(duì)VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、記錄和共享的需求進(jìn)行分析，提出VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)的功能與邏輯框架，討論具有故障-安全特性的接口設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)及程序編寫。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的診斷數(shù)據(jù)采集、處理和無線共享等功能。

基于通信的列車控制；車載控制器；診斷數(shù)據(jù)

Author's addressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.Telecom&Signal Branch，200235，Shanghai，China

1 研究背景

隨著地鐵客流不斷增加，行車密度越來越高，對(duì)信號(hào)控制系統(tǒng)的要求也越來越高，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛。CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備的核心是車載控制器（VOBC），其直接決定行車安全，并極大地影響線路運(yùn)能和全路網(wǎng)的運(yùn)行平穩(wěn)。當(dāng)CTBC系統(tǒng)發(fā)生瞬態(tài)故障后，由于缺乏VOBC診斷數(shù)據(jù)的歷史記錄，只能事后在試車線進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，給準(zhǔn)確查找故障原因帶來了較大的困難，也不利于故障快速處置，且容易造成故障影響面擴(kuò)大。例如，2012年6月25日上海軌道交通8號(hào)線832次列車突發(fā)“牽引、制動(dòng)同時(shí)有效”故障，由于缺乏車載VOBC診斷數(shù)據(jù)，故障原因無法快速確認(rèn)，雖然經(jīng)過多次排故處置但仍無法動(dòng)車，最后只能清客救援。該故障對(duì)線網(wǎng)運(yùn)營造成了較大影響。

目前，國內(nèi)外涉及VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享實(shí)現(xiàn)方法的研究很少。國內(nèi)運(yùn)營中的地鐵列車基本上沒有安裝地鐵車輛運(yùn)營記錄儀，一旦地鐵車輛發(fā)生重要故障或事故，司機(jī)可執(zhí)行緊急事件按鈕，相關(guān)信息便永久性記錄到地鐵車輛的計(jì)算機(jī)控制單元內(nèi)存中。這一方式所存儲(chǔ)的信息是簡短的、部分的，僅為緊急事件按鈕按下前后幾分鐘內(nèi)的記錄，無法記錄完整的有關(guān)列車的數(shù)據(jù)，給故障（事故）的分析帶來了一定困難。因此，研究VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)可有力促進(jìn)地鐵運(yùn)營的維護(hù)保障工作。

在具體研究過程中，需首先了解現(xiàn)有VOBC的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。以上海軌道交通11號(hào)線為例，其VOBC由3塊主處理器單元（MPU）插板組成，各MPU插板均提供1個(gè)Ethernet以太網(wǎng)接口，通過專用電纜連接至以太網(wǎng)信道選擇插板（CSS），再由CSS連至機(jī)箱背板，構(gòu)成3取2型安全計(jì)算架構(gòu)（見圖1）。當(dāng)3塊MPU插板中有一塊出現(xiàn)故障時(shí)，CSS根據(jù)3取2表決邏輯仍可輸出正確結(jié)果。

圖1 3取2安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)示意圖

當(dāng)VOBC運(yùn)行診斷模式時(shí)，需要將選定的

MPU插板Ethernet電纜從CSS拔下，轉(zhuǎn)而連接至調(diào)試計(jì)算機(jī)并運(yùn)行VOBC診斷終端程序，讀取VOBC診斷數(shù)據(jù)，如圖2所示。因此，VOBC診斷狀態(tài)下，VOBC機(jī)架僅有2塊MPU插板按2取2模式執(zhí)行安全計(jì)算，若此時(shí)其中1塊MPU插板發(fā)生故障，則2塊MPU插板輸出不一致，CSS根據(jù)2取2邏輯，判為設(shè)備故障并生成EB（緊急制動(dòng)）指令，對(duì)列車實(shí)施緊急制動(dòng)。為此，運(yùn)營規(guī)范禁止MPU插板長時(shí)間脫開CSS，這導(dǎo)致無法長時(shí)間地持續(xù)獲得VOBC診斷數(shù)據(jù)，設(shè)備維護(hù)非常不便。

圖2 VOBC診斷模式下2取2安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)示意圖

2 VQBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)功能與框架

通過對(duì)VOBC系統(tǒng)架構(gòu)及診斷數(shù)據(jù)記錄共享需求的分析，提出VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

（1）通過與VOBC系統(tǒng)的通信，完整、可靠地獲取VOBC診斷數(shù)據(jù)；

（2）具備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，完整存儲(chǔ)一個(gè)運(yùn)營維護(hù)周期內(nèi)的VOBC診斷數(shù)據(jù)；

（3）具備無線通信與網(wǎng)絡(luò)共享功能，可實(shí)時(shí)獲取在線運(yùn)營列車的診斷數(shù)據(jù)；

（4）不影響VOBC現(xiàn)有功能，盡可能減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的干擾。

其系統(tǒng)框架如圖3所示，分為數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊和無線傳輸共享模塊兩部分。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊直接與VOBC相連，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)診斷數(shù)據(jù)；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)共享模塊可根據(jù)需求將指定列車的VOBC診斷數(shù)據(jù)通過無線鏈路實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。

3 VQBC診斷數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)

在VOBC的3取2安全計(jì)算架構(gòu)內(nèi)，CSS從3塊MPU插板對(duì)應(yīng)的3路Ethernet接口中選擇2路，將其數(shù)據(jù)送入E2CC（以太網(wǎng)轉(zhuǎn)2通道CAN）插板，變換為CAN總線數(shù)據(jù)并傳輸至其他遠(yuǎn)端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)VOBC和其他車載設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。為了保證VOBC數(shù)據(jù)獲取的完整可靠，同時(shí)避免采集記錄裝置對(duì)原有VOBC系統(tǒng)功能的影響，VOBC診斷數(shù)據(jù)采集接口必須滿足以下需求：

（1）不影響VOBC系統(tǒng)的正常工作；

（2）適應(yīng)VOBC診斷數(shù)據(jù)高通、大數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，可靠接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

（3）在接口故障情況下，實(shí)現(xiàn)VOBC診斷數(shù)據(jù)接口的強(qiáng)制離線，保證MPU插板和CSS的物理連接，使VOBC原有功能不受影響；

（4）適應(yīng)車載振動(dòng)和沖擊環(huán)境、較寬溫度變化范圍和劇烈電源電壓波動(dòng)，滿足城市軌道交通列車對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的要求。

基于以上需求，本文選擇基于ARM Cortex-M4核心的STM32F437芯片設(shè)計(jì)VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備，并選擇SD卡作為大容量存儲(chǔ)介質(zhì)。

3.1 診斷數(shù)據(jù)采集接口

為盡量減少采集記錄裝置對(duì)VOBC系統(tǒng)的影響，確保MPU插板與CSS的物理連接，選擇將VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)置在CSS后端，通過CSS中的備用Ethernet端口與現(xiàn)有VOBC系統(tǒng)連接；再通過修改CSS底層算法，實(shí)現(xiàn)VOBC系統(tǒng)與診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信。診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備不設(shè)置在MPU與CSS之間，可最大程度降低診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備故障時(shí)對(duì)VOBC系統(tǒng)的干擾，從物理上可靠保證設(shè)備故障情況下VOBC系統(tǒng)原有功能不

受大的影響。

圖3 VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

CSS現(xiàn)有預(yù)留接口為Ethernet端口。因此VOBC診斷數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)設(shè)備也需有Ethernet端口。本研究選用WIZnet公司的W5300芯片實(shí)現(xiàn)Ethernet接入。與大多數(shù)Ethernet接入芯片相比，W5300芯片在內(nèi)存空間和數(shù)據(jù)處理能力等方面有很大的優(yōu)勢(shì)，特別是WIZnet擁有的全硬件通信協(xié)議技術(shù)，其克服了軟件通信協(xié)議的連接不穩(wěn)定、可靠性較低、故障頻發(fā)且大量占用芯片資源的弊端，通過全硬件電路實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，極大地提高了轉(zhuǎn)換速度和效率，連接穩(wěn)定可靠。W5300芯片與MPU主控芯片、Ethernet網(wǎng)口的接口關(guān)系為：

（1）W5300芯片通過TXOP，TXON，RXIP，RXIN4個(gè)引腳與RJ45網(wǎng)口（Ethernet）連接。W5300與Ethernet的接口電路如圖4所示。

圖4 W5300與Ethernet接口電路示意圖

（2）W5300芯片與STM32F437芯片通過10位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線連接，用戶可通過BIT16EN引腳選擇使用8位或16位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。此外，主機(jī)可通過/CS、/RD、 /WR、/INT引腳向W5300芯片發(fā)送片選信號(hào)、讀（寫）使能信號(hào)和中斷請(qǐng)求。W5300與STM32F437芯片電路如圖5所示。

圖5 W5300與主機(jī)接口示意圖

Ethernet網(wǎng)絡(luò)通信模式包括用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）、傳輸控制協(xié)議（TCP）等。UDP是一種無

連接的協(xié)議，廣泛應(yīng)用于對(duì)傳輸速度有較高要求而安全性要求較低的場(chǎng)合。TCP提供可靠的、面向連接的傳輸控制協(xié)議。為保證VOBC診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)VOBC運(yùn)行異常，減少誤報(bào)和漏報(bào)，選用TCP以適合網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。通過修改VOBC底層算法，增加診斷數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求的響應(yīng)功能，即可建立診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備和VOBC之間的數(shù)據(jù)交互通道。

3.2 接口安全與動(dòng)態(tài)安全電路

由于診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備與VOBC之間的通信是雙向的信息交互，故診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備的故障可能會(huì)對(duì)VOBC產(chǎn)生不利影響，如大量發(fā)送無用信息、發(fā)送錯(cuò)誤信息等。為防止診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備的故障增大VOBC系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，危及VOBC系統(tǒng)的安全性，本文選用動(dòng)態(tài)安全繼電器電路對(duì)診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備與VOBC的通信接口進(jìn)行控制，在診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)切斷其與VOBC通信的物理鏈路。

動(dòng)態(tài)安全電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，在以太網(wǎng)連接線路TX+、TX-、RX+、RX-共4條鏈路中串入安全繼電器常閉接點(diǎn)，由繼電器線圈控制鏈路通斷。輸入W5300周期性中斷請(qǐng)求（方波）信號(hào)，驅(qū)動(dòng)晶體管V4周期性導(dǎo)通，V4集電極輸出的方波信號(hào)再驅(qū)動(dòng)V1、Q2輪流導(dǎo)通。當(dāng)V1導(dǎo)通Q2截止時(shí)，VCC 24V經(jīng)V1、R10、D4對(duì)C10充電；當(dāng)Q2導(dǎo)通V1截止時(shí)，C10經(jīng)D6、D1對(duì)繼電器J1線圈和C13放電。當(dāng)充放電頻率達(dá)到某一特定值時(shí)，電路達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在安全繼電器J1線圈兩端產(chǎn)生穩(wěn)定電壓U1，保持安全繼電器線圈兩端電壓的穩(wěn)定，以此維持診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備與VOBC系統(tǒng)的通信鏈路。動(dòng)態(tài)安全電路的輸入方波頻率可由電路中各電容值調(diào)節(jié)。當(dāng)診斷數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)生故障，通信中斷，W5300周期性中斷請(qǐng)求信號(hào)消失，此時(shí)無論輸入端處于常高電平或常低電平，安全繼電器線圈兩端電壓都會(huì)迅速削減直至歸零，切斷以太網(wǎng)口通信鏈路，同時(shí)點(diǎn)亮故障報(bào)警指示燈LED7。

圖6 動(dòng)態(tài)安全電路

為了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)安全電路的性能，筆者在Multisim環(huán)境下對(duì)該電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。輸入信號(hào)INT選用頻率1 k Hz、振幅5 V的方波，繼電器線圈輸出端電壓波形如圖7所示。U1為繼電器線圈負(fù)端電壓，繼電器線圈正端經(jīng)二極管D6接地，因此U1達(dá)到較低負(fù)電壓時(shí)，繼電器吸起。仿真結(jié)果表明，方波脈沖輸入一段時(shí)間（t1）后，U1下降，繼電器線圈電壓達(dá)到額定值并保持穩(wěn)定；當(dāng)方波脈沖輸入于t2時(shí)刻切斷后，U1上升，繼電器線圈電壓迅速下降，于t3時(shí)刻基本降為零，繼電器常開接點(diǎn)斷開，切斷采集存儲(chǔ)電路和VOBC系統(tǒng)之間的連線，電路性能達(dá)到預(yù)期要求。

圖7 輸入信號(hào)與繼電器線圈電壓波形圖

4 VQBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中車輛VOBC診斷數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享，必須通過無線通信技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享?？紤]城市軌道交通列車運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸速率要求等，VOBC診斷數(shù)據(jù)對(duì)無線傳輸和網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)的需求為：

（1）通信頻段選擇上避開CBTC所占用的2.4 GHz頻段，以防止對(duì)CBTC系統(tǒng)工作的干擾；

（2）無線通信在適應(yīng)VOBC診斷數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，選擇盡可能簡單的方式，減少對(duì)地面附屬設(shè)施的需求，以降低成本，提高可靠性；

綜合考慮上述需求，VOBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸選取基于中國移動(dòng)GPRS和中國聯(lián)通WCDMA等公共無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)較為適宜。首先，GPRS和WCDMA等方式可有效適應(yīng)軌道交通運(yùn)行環(huán)境，避開CBTC系統(tǒng)占用的頻段，避免對(duì)車輛正常運(yùn)行的干擾；其次，利用現(xiàn)有公共無線通信技術(shù)無需額外加裝地面附屬設(shè)施，可最大程度地精簡數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本。此外，VOBC診斷數(shù)據(jù)無線傳輸只根據(jù)需求擇時(shí)開啟，開啟時(shí)間不固定，而GPRS等無線通信方式根據(jù)時(shí)間計(jì)費(fèi)的特點(diǎn)正適應(yīng)這一需求，可最大程度降低成本、節(jié)約信道資源。本系統(tǒng)根據(jù)VOBC診斷數(shù)據(jù)量對(duì)傳輸速率的需求和成本，選取GRPS作為診斷數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享方式。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)功能與框架，筆者進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)及程序編寫。硬件電路主要模塊見表1。設(shè)備實(shí)物如圖8所示。設(shè)備正面設(shè)有電源、調(diào)試串口、SIM卡插口，以及用于GPRS通信的SMA天線插頭。設(shè)備背面設(shè)有RJ-45以太網(wǎng)接口，用于與VOBC系統(tǒng)通信。外殼設(shè)計(jì)綜合考慮了設(shè)備的散熱、抗振、抗干擾性能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試，設(shè)備可完整實(shí)現(xiàn)預(yù)期的診斷數(shù)據(jù)采集、處理與無線共享等功能。

6 結(jié)語

本文對(duì)VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、記錄與共享的需求進(jìn)行分析，提出了系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，進(jìn)行了相關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了初步功能。該VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享系統(tǒng)填補(bǔ)了VOBC系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄共享方面的空白，可滿足軌道交通運(yùn)營管理對(duì)于診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和共享的迫切需求，對(duì)于提高軌道交通維護(hù)保障能力、強(qiáng)化列車運(yùn)行安全有重要意義。

表1 VQBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享設(shè)備功能模塊

圖8 VOBC診斷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄共享設(shè)備硬件實(shí)物圖

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Achievement of VQBC Diagnostic Data Recording and Sharing System

Wang Hongjian

Due to the lack of real-time diagnostic data recording and sharing functions in VOBC，which is adopted in CBTCsystem of Shanghai Metro，the short-timed failures are usually hard to be detected and removed，and thus causing considerable potential risks.With an analysis of the demands for real-time recording and sharing system of VOBC diagnostic data，a framework of VOBC functions and logic is proposed，the design of the interface with failure/safety characteristics，the design of hardware and programming are discussed.The test in laboratory showsthat this new equipment could perform the expected functions.

communication based train control（CBTC）；vehicle on-board controller（VOBC）；diagnostic data

U 231.7

2014-03-23）