和谐型机车6A系统视频数据无线高速转储系统研究

韩乔铭

(中国铁路上海局集团有限公司 杭州机务段技术科， 杭州 310002)

6A系统已成为和谐型机车安全系统的一项标准配置。6A系统监测机车运行过程中危及安全的重要事项、重点部件和部位，对事故预防、事故分析以及乘务员按标准作业都起到了重大促进作用[1]。对于机车运行存储的数据，目前机务段主要依赖于人工通过USB接口转储，对于大容量的视频数据则更青睐于插拔硬盘的方式。这种数据转储方式大大制约了数据转储效率和分析实时性，而且高频率的插拔，往往会给IDE接口和移动硬盘等硬件造成损坏，影响设备使用寿命，同时调取程序的繁杂也会影响管理人员分析的积极性。为了能更高效地维护和管理机车车载设备，实现数据的无线下载与集中管理，迫切需要研制一套机车视频数据无线下载与集中管理系统。

1 方案设计

1.1 无线数据传输技术

视频数据是一种大容量数据，每台机车上装有7～8个摄像头，经调研，仅单路摄像头一个交路的数据量即可产生超4G数据量。因此选择数据无线数据传输方式时，必须满足机车库内场区无线信号覆盖，还应具有高速带宽，使数据转储时间控制在一个适当时间内。

综合比较各种无线传输技术，我们发现一种新型的WIFI无线传输技术，该技术采用了MIMO-MESH和IEEE 802.11ac传输协议，具有传输速度快，可靠性高，在信号较弱或有干扰情况下带宽可调，且组网成本低的优点。其室外无线传播范围单天线可达300 m，并可通过多天线级联传输实现场区信号延伸覆盖。

IEEE 802.11ac是一个802.11无线局域网(WLAN)通信标准[2]，它通过5 GHz频段进行通信，理论单一连接传输带宽可达433 Mb/s，且在小区域无干扰遮挡状态下更具信号传输优势，且具有多空间流的MIMO。相较应用广泛的2.4 GHz频段而言，其抗干扰和冲突程度大大加强。因此采用IEEE 802.11ac协议的WIFI技术，能够实现并满足现场对机车数据无线和高速转储两个目的需求。

1.2 硬件设计

机车数据传送至地面服务器，应具有数据采集、数据无线传输、地面下载管理功能。其实现的基本过程为：数据采集→转储→无线传输→服务器存储→后期应用分析。功能实现应分为车上设备和地面设备两大部分。具体为在机车上安装车载主机设备，实现对机车车载数据进行自动存储及转发。同时在轨道旁部署地面多个电台。一旦机车进入地面电台接收范围后，通过一体化平台即可进行数据传输，实现对数据的下载、传输和分析。基本原理图如图1。

图1 数据无线传输基本原理图

1.2.1车载主机

车载主机除适应机车车载110 V供电等基本条件外，还应能实现对车载数据的自动存储、校验和编码，以及数据的自动同步和传输功能。车载主机硬件结构设计图如图2。

图2 车载主机硬件结构设计图

车载主机系统硬件由基于嵌入式处理器S3C2440A设计的基础通信平台及外围硬件组成，硬件电路包括处理器S3C2440A、存储器、接口电路、指示电路、复位电路、电源电路及USB存储和控制电路。

为尽可能获取更多类别数据，车载主机数据源应尽可能通过6A系统的内部信息端口统一采集。目前由于权限与功能受限，视频数据可以考虑的是利用外部USB接口通过licence授权文件获取。机车运行期间系统自动获取视频数据并及时存储在车载主机配置的存储介质上，以利于入库进网后的无线传输。另外还应考虑以下两个问题：

(1)由于机车入库整备后处于断电状态，不能满足无线传输时的用电需求，因此设计了蓄电池直供电设备和蓄电池电压监视防护措施。图3为我们设计的车载主机，其整机功耗<10 W，工作电流100 mA。当蓄电池电压低于90 V值，自动切除主机供电，高于94 V时，允许开机，确保机车蓄电池电压可控，防止因亏电造成无法升弓。

图3 车载无线主机

(2)6A系统设计有外挂存储功能，而当USB被车载主机占用后，如需进行外挂存储将不再实现。因此我们对主机采用USB切换控制技术实现软硬件切换功能，作业者进行外挂存储时可通过主机上按钮暂时屏蔽和恢复主机USB功能实现。

1.2.2车载天线

车载天线应能各平面都传输信号，减少信号损耗，建立稳定的链路连接。圆极化天线相较线极化天线而言，其不受天线摆向束缚，且具有抗多径干扰性。

图4 圆极化波

天线的极化平面呈现为螺旋化的形状，在一个波长的距离内正好旋转完整的一圈，圆极化波的电波能量散落在包括水平和垂直的各个平面。遇障碍物时，反射波变成能反旋向，大大避免了对传输信号的干扰。图5为设计的车载天线实例。

1.3 车—地无线传输通道

车—地无线传输部分可采用工业级AP无线访问节点，从而确保设备的可靠、稳定。基于缓存机制的切换算法可以使移动车载设备跳过探测阶段，直接进入鉴权和关联阶段。一旦机车进入到地面AP的信号覆盖范围，车载AP和地面AP迅速建立数据通讯链路，车载主机设备在接收到地面工作人员的数据下载指令后会将机车上的全部数据自动传输到地面服务器中，见图6。

图5 车载天线实物图

无线传输技术采用了MIMO-MESH技术[3]，首先，利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率，这使得车地之间的传输速度在信号覆盖良好的情况下超过了100 Mb/s。而MESH技术有自动发现，自动配置，链路自调节和自愈等优点，其网络部署维护简单有效，稳定性高，每辆列车一旦驶入信号覆盖范围就可以很快的加入该MESH网络，立刻开始数据传输，且不需要人为的配置，可以节省很多站场布线成本。该系统可以保证在列车运行速度不高于60 km/h时，车-地通信传输质量满足：

(1)带宽：≧100 Mb/s;

(2)丢包率 ≦ 1%；

(3)漫游切换时间 ≦100 ms;

(4)信息传输延迟 ≦500 ms；

图6 车—地无线传输网络传输过程示意图

1.4 车载数据无线下载维护终端

主要目的提供车载数据无线下载人机交互界面，实现车载数据的下载、共享、集中管理、调度、传输、分析等功能，见图7。人机界面应能显示机车车次号，工作状态，与服务器的连接状态，转储进度，无线下载进度，带宽等。可进行数据类型、转储时段按需选择，并实现远程控制车载主机与磁盘数据清理功能。维护终端是基于数据集中管理与维护一体化平台进行开发的一个应用插件。 依托一体化平台可轻松实现数据的传输，集中管理，集中存储，调度共享等能力。一体化平台是将网络和信息，硬件和软件，管理和维护的融合。概括来说，一体化平台是以计算机网络为依托，借助多种通信方式，采用纵向贯通，横向集成的思路，整合内部的信息，资源及应用孤岛，借助数据中心，进行有效的数据分析、挖掘，并使用门户软件提供多渠道的内容展示及提供集约化的管理维护协作平台。一体化平台采用基于面向服务(SOA)的技术架构，利用TCP/IP，COM/DCOM组件技术，整合已有资源，打通应用阻碍,实现信息共享、业务协同的能力。

图7 车载数据无线下载维护终端界面

2 实车验证

经过方案研究确定，在1台HXD1D型机车上安装了车载设备，并在附近运用楼三楼安装了地面电台，对长度约250 m，宽度约50 m的整备场进行了实测。

2.1 地面测试

通过自带蓄电池供电的发射天线分别对整备场15个点位进行了2.4 G频段与5.8 G频段地面测试。经比较，5.8 G频段带宽最高速率达500 Mb/s，平均达到258.8 Mb/s,较2.4 G频段时提升约223.5%，如图8所示。

图8 整备场点位测试速率情况

2.2 车地传输验证

通过数据集中管理与维护一体化平台对装有无线转储主机的机车进行实车无线下载测试，1 G视频容量下载时长为90 s，平均下载速率接近100 Mb/s。

3 结 论

利用车—地WIFI无线技术，采用圆极化天线及5.8 G 频段，能获得较2.4 G频段高的多的无线传输速率及稳定性，采用地面电台级联和MESH多跳技术能进一步实现大面积区域覆盖。通过现场实践，有效构建了和谐型机车6A系统视频数据的无线转储方案，其覆盖范围及下载速率能满足现场应用需求。后期可通过数据采集方式、采用SATA端口克服USB限速瓶颈，能进一步提高数据的转储效率、扩展无线下载数据的范围。