轨道交通车辆车门远程监控系统的设计与实现

2014-06-21王少东

城市轨道交通研究 2014年8期

张健陈瑞王少东

（南京工程学院通信工程学院，211167，南京∥第一作者，副教授）

随着交通系统信息化建设的不断完善和发展，交通管理正在逐步向智能化的方向发展。而远程监测系统作为智能化交通管理最重要的信息平台，在交通信息化系统中起着举足轻重的作用［1］。车门是整个列车系统中安全性要求很高的部分，而列车客室车门故障率又较高，使得客室车门的可靠性成为制约列车安全、正点运营的瓶颈之一。地铁车辆车门故障经常引起列车下线、抽线、清客等运营障碍，甚至因车门关闭问题引起旅客伤亡事故。因此，随着列车设备老化以及故障频发度的变化，必然引起轨道交通中央级监控部门对车门的重视，并进一步尝试远程车门监控技术方案。

车门远程监测系统的基本用途，是对轨道交通中车门系统的状态及故障信息进行收集、存储、传输和利用，并以此为基础，对车门系统的工作和故障状态实施远程实时监测［2－3］。相关技术人员可以根据监测系统上传的信息分析故障原因，指挥现场工作人员解决问题，保证列车的可靠运行［4］。

1 车门远程监测系统

车门远程监测系统如图1所示。系统主要由3部分构成。①前端装置：位于轨道交通列车上每节车厢中的车载前端装置，完成对门系统的状态及故障信息进行实时收集、解析、存储和上传等功能；②传输信道：选用无线信道，完成数据的无线传输［5］；③ 监测中心：位于远端的监测中心，完成接收数据、存储数据，以及后台的显示和统计等功能。前端装置和后台的监测中心一起，实现车门系统的远程实时状态监测、故障数据存储和统计。

值得一提的是，前端装置完成数据的收集功能时，对车辆网络而言应当是隐形的。即，车辆网络感觉不到前端装置的存在。无线传输信道的选择应满足其带宽与数据量相匹配，且在数据传输过程中采取必要的保护措施，保证接收数据的无差错和不丢失。监测中心的后台软件需要区分用户，为不同类型的用户分配不同的权限，从而保证系统的安全性；且后台数据库具有1＋1备份，保障数据的安全。

图1 车门远程监测系统图

1.1 前端装置

车门远程监测系统的前端装置是整个监测系统的核心部分，负责完成如下功能：① 监听门控制器与车辆总线之间的交互信号；② 对上述信号进行分类处理；③ 打包准备传输。

1.1.1 前端装置的硬件设计

以南京地铁2号线为例：车厢内部通信总线为RS 485总线，且在车厢两侧各有一条RS 485总线用于连接各门控制器。为避免对车辆系统中原有系统及其功能产生影响，每个前端装置只需完成一路RS 485总线的监听。

前端装置的硬件结构按照功能可以划分为信号转换接口、核心处理单元、无线数据传输模块和装置电源等4个模块，如图2所示。

图2 前端装置的硬件结构

信号转换接口主要完成RS 485到RS 232（核心处理单元的串行数据接口）的信号转换，实现基于通信协议的故障、状态和参数采集。核心处理单元主要完成通信协议的读取和分析、上传数据的打包、本地数据的存取、装置状态的正确管理和切换等功能。无线传输模块完成打包数据的无线传输至Internet，实现Internet与远程监测中心之间的双向通信。电源模块完成车辆电源（DC110 V）到相应硬件模块电源之间的转换，同时提供基于锂电池的不间断电源，实现装置正常断电操作的信息无损（没有信息被丢掉，包括断电事件）。

1.1.2 前端装置的软件设计

前端装置的软件系统主要完成以下功能：①RS 485总线数据的组帧和解析；② 协议数据的处理策略确定和再封装；③ 实现数据的低延迟高可靠性上传；④ 根据列车电源的供给情况，进行合理的前端装置工作状态切换。

项目组在Linux系统下，采用C语言实现了上述功能。具体实现上，前端装置的软件系统主要由信息采集与处理模块以及上行通信模块2部分组成。信息采集与处理模块完成针对门系统采集到的信息的采集与处理。首先对RS 485总线传输协议进行解析，获取有用的门控信息，然后再将数据进行分类处理。数据的分类处理是指协议数据的处理策略确定和再封装。处理过程、处理策略包含实时上传、周期上传和本地存储3类。上行通信模块完成数据的低延迟高可靠性无线上传，其中包括实时上传、周期上传和应需上传的实现。具体的软件实现流程如图3所示。

图3 前端装置软件的流程图

1.2 信道的选择

为满足系统设计的要求，数据从前端装置上传至监测中心的传输信道需达到以下要求。① 带宽：需提供100 kbit／车厢；②时延：从数据的产生开始，到最终监控终端读取数据的端到端延时小于1 s；③丢包率RPL：为了保证系统最终的RPL＝0，对无线信道RPL要求＜2%。

系统设计时采用CDMA3G通信模块与监测中心网关的双向通信。CDMA通信模块以固定时间间隔向监测中心网关发送数据，实现了数据的低延迟、无差错上传。为保证数据不丢失，采用了确认－重传的方法。即：监测中心网关每收到一个数据包，需给门监测器一个确认信号；如间隔一定时间没有收到，门监测器将重传该数据包。

1.3 监测中心

监测中心包含监测网关、数据服务器、监控终端和防火墙（见图4）。监测数据服务器用于存储所有被监测的门系统数据。监测网关负责与各前端装置的双向通信。监控终端用于实现相关信息的显示。

图4 监测中心系统组成

2 试验测试结果

为了验证系统的实用性，本系统在南京康尼机电股份公司的内部试验台架和南京地铁2号线的一辆列车上进行了装车测试。测试主要包括总线兼容型测试、数据抓取与接收的正确性测试，以及本系统对列车门的影响测试。

2.1 总线兼容性测试

本测试目的在于测试本系统在列车总线环境下运行时是否对其它电气、电子设备造成影响（见表1）。

表1 总线兼容性测试结果

通过以上测试和结果说明本系统在DC110 V电源输入和RS 485总线的环境下能正常工作，能正确抓取总线中的数据。同时，本系统在正常状态和自身发生故障的状态下，均对总线上的其它设备（如门控器）的功能无影响，说明本系统和车门之间没有相互干扰。本系统对列车总线也不会产生影响。

2.2 数据抓取与接收测试

数据抓取和接收测试主要是测试本系统抓取数据的正确性，以及上传至远端监测中心的服务器上数据的正确性。测试项目和结果如表2所示。由表2可以看出，本系统能正确抓取总线上所有正常数据，并且能把数据正确、完整地上传至监测中心的数据服务器上。

表2 门监测器系统数据抓取与接收结果测试 bit／s

项目组将数据库中解析出的CDMA Time和数据到达本机的时间Create Time进行比较，如图5所示。图5中，CDMA Time表示总线上监听到数据包的时间，Create Time表示监测中心接收到数据包的时间，LastUpdate Time表示存入监测中心数据库的时间。可以看出，从总线上监听数据包到监测中心接收到数据包、存入数据库的时延均小于1 s。