城轨车辆段车地无线传输系统设计与应用
2021-09-23矫德余张增一
矫德余，石 勇，张增一
（中车大连电力牵引研发中心有限公司，大连 116000）
车地无线传输系统将轨道交通车辆的运行状态信息和故障信息通过无线的方式传递到运营监控中心，并对信息进行分析处理，实现对车辆运行状况的跟踪及故障报警预警等[1]。通过数据的积累，逐步建立起完整的车辆运营、检修、故障履历数据中心，通过统计分析和数据挖掘，提供车辆维修与快捷服务的决策支持，有效实现车辆维护信息化、现代化[2]。
通常新建车辆段都会把车地无线传输系统作为必选项进行建设，但是对于已运营较长时间的老旧车辆段，车地传输系统的增改建难度较大。以某城轨车辆段为例进行车地无线传输系统的需求分析、方案设计、施工建设、系统测试和实践应用评估，综合解决老旧车辆段增建车地无线传输系统的问题，具有现实的指导意义。
1 需求分析
1.1 城轨车辆网络控制系统
城轨车辆网络控制系统负责对车辆牵引、制动、辅助供电、车门、空调等系统的控制、监视、诊断以及运行数据的记录，是城轨车辆的“大脑和神经”[3]，五节编组城轨车辆网络控制系统拓扑如图1所示。
图1 城轨车辆网络拓扑 Figure 1 System topology of urban rail vehicle
该城轨车辆网络控制系统采用多功能车辆总线(简称MVB总线)，中央控制单元(CCU)通过MVB总线对牵引控制单元(TCU)、制动控制单元(BCU)、人机接口(HMI)等进行控制和管理。同时，接入MVB网络的还有数据记录单元(DRU)和乘客计数系统(PCS)。数据记录单元负责对车辆运行数据、故障数据、累计数据进行实时判断和记录存储[4]；乘客计数系统负责统计上下乘客数量以及计算总载客量并记录[5]。数据记录单元和乘客计数系统分别连接无线通信模块，具备无线通信能力。
1.2 城轨车辆段布局
所选城轨车辆段是一个运用多年的老段，车辆段布局如图2所示。B1是一座二层维修车间兼办公楼，楼内有两条维修线位于A1区域，楼内二楼有一间机房R1。B2是一座二层小水房。A2区域是并排5车道室外停车场，可同时停靠10辆城轨车辆。A3区域是一座半封闭式车站。
图2 城轨车辆段布局 Figure 2 Layout of an urban rail depot
1.3 车地无线传输系统需求
在机房R1内布置服务器，用于与车辆数据记录单元和乘客计数系统进行通信、接收数据及数据存储。
地面布置无线基站至少覆盖A1、A2和A3区域，保证服务器通过基站可与车辆建立稳定连接。车辆在A1和A2区域停车时能够将车辆数据记录单元和乘客计数系统内数据全部传输至地面服务器，车辆经过区域A3时能将故障数据传输至服务器。
在无线基站覆盖区域内的工作人员可通过笔记本电脑或者手机连接访问服务器数据。
2 方案设计
2.1 无线基站安装位置的选择
根据以上用户需求，选择3个无线基站安装位置，如图3所示。
图3 无线基站位置 Figure 3 Position of wireless module
P1点位于维修车间楼顶，由于位置较高区域开阔，可覆盖较大的室外区域；P2点位于水房楼顶，可覆盖车站和室外停车场区域；P3布置于维修车间内立柱上方，用于覆盖维修车间内部区域。通过现场分析，建设3个无线基站将覆盖整个车辆段区域并保证稳定连接，基本覆盖情况如图3所示。
2.2 拓扑结构
根据无线点位的选择，设计车地无线传输系统拓扑结构如图4所示。
图4 车地无线传输系统拓扑图 Figure 4 Topology of train-ground wireless transmission system
服务器、交换机和光电转换器等安装于机房之内，通过机房内配电箱进行供电。P1点位于维修车间楼顶，跟机房距离较近，通过网线与机房内交换机S1相连，并从机房配电箱供电；P2点位于水房楼顶，由于距离机房较远，在地下管廊布置光纤与机房内交换机S1通过光电转换器连接，遵照就近原则从水房配电箱给无线模块供电；P3布置于维修车间内部，安装于车间立柱上，并经车间顶部线架布置光纤与机房内交换机S1通过光电转换器连接，从车间内部配电箱给无线模块供电。
2.3 设备选型
设备选型要满足当地自然条件要求，包括温湿度、海拔、车辆段市电供应等。同时无线传输模块要求支持IEE802.11a/b/g协议和HTTP、HTTPS、UDP等通信协议，可以实现车地无线传输系统与车载数据记录单元和乘客计数系统的正常通信。
2.4 参数设计
根据车地无线传输系统需求和拓扑结构，进行车地无线传输系统参数设计。车载无线模块设置为客户端路由模式，20列车的车载设备DRU地址设置为 192.168.1.5经路由转换为 111.222.333.1～111.222.333.20，设备PCS地址设置为192.168.1.9经路由转换为111.222.333.101～111.222.333.120；地面无线模块设置为无线访问接入点模式(即AP模式)，IP地址分别设置为111.222.333.241～111.222.333.243，信道选择1、6、11，实现重叠覆盖互不干涉；服务器IP设置为111.222.333.240，通过交换机与地面无线模块连接；无线访问终端通过无线网络访问时设置为IP自动获取模式，系统将自动为访问者分配IP地址，可同时支持20个终端访问，地址111.222.333.201～111.222.333.220；所有无线设备的服务集标识SSID和访问密码统一。详细参数配置如图5所示。
图5 参数配置图 Figure 5 Parameters of the system
3 设备安装及测试
3.1 设备安装
现场施工完成设备安装及布线，3个点位如图6所示。
图6 无线模块天线 Figure 6 Antenna of wireless module
3.2 信号强度测试
为测试信号覆盖强度，选择关键位置测试点进行信号强度测试，如图7所示。在维修车间内部最远处选择T1和T2点以测试车间内部信号强度，在室外停车场最边缘选择T3、T4和T5点以测试室外信号强度，在车站选择T6点以测试车辆信号强度。所选择的测试点位为最极端位置，能够充分反映信号覆盖情况。
图7 测试点选取 Figure 7 Selection of test points
根据以上测试点位选择，进行信号强度测试，测试结果显示，所有点位信号强度均能够满足数据传输需要，图8、图9和图10分别显示了T2、T3、T4点位测试曲线。
图8 信号强度测试结果(T2点)Figure 8 Reports of signal intensity test (Point T2)
图9 信号强度测试结果(T3点)Figure 9 Reports of signal intensity test (Point T3)
图10 信号强度测试结果(T4点)Figure 10 Reports of signal intensity test (Point T4)
3.3 终端访问测试
分别通过笔记本电脑和智能手机连接无线网络，并进行访问测试，系统能够进行正常的数据传输和图形显示，完全能够满足应用需要，笔记本电脑端和手机端显示画面如图11、12所示。
图11 电脑端访问页面 Figure 11 Data shown through computer
3.4 应用
通过需求分析、方案设计、现场设备安装及调试后，所设计的车地无线传输系统正式投入使用。车辆入库或经过无线模块覆盖区域时，车辆能够与服务器自动建立连接，并进行数据传输。经过统计，某城轨车辆由始发站运行至终点站的记录数据为50 MB左右，车辆经过附近站台的停车时间为30～40 s，车辆停靠站台时即可将运行数据全部传输至地面服务器，途径附近站台而不停靠的车辆入库时可实现数据传输，从而完全替代了人工下载数据的方式，效益明显。
图12 手机端访问页面 Figure 12 Data shown through telephone
4 结论
对已运营多年的某快轨车辆段增设车地无线传输系统的需求进行了深入分析，充分考虑车辆段现状的基础上详细设计了适合该车辆段应用的车地无线传输系统方案，对设备安装和布线施工后，进行了信号强度和数据通信测试。测试结果表明所设计的车地无线传输系统能够满足用户的数据传输需求。该车地无线传输系统已成功应用于车辆的日常车辆数据下载、运行维护及车辆故障诊断等，该项目的实施对于老旧车辆段车地无线传输系统增改建具有重要的指导意义。
