基于以太网的列车控制系统调试监测平台研究

◆苗欣 李言民 刘纪龙

基于以太网的列车控制系统调试监测平台研究

◆苗欣 李言民 刘纪龙

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 266111）

列车作为我国交通网络体系的重要组成部分，利用以太网技术强化列车控制系统，能够达到列车维护效率提升、维护成本降低和列车智能化、数字化程度加深等诸多效果。因此，本文在探究基于以太网的列车控制系统调试监测平台系统构成以及软件架构的基础上，探讨了基于以太网的列车控制系统车载无线数传主机设计以及地面实时监控服务平台结构设计，旨在为基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台研究水平的快速提升带来更多参考和启迪。

以太网技术；列车控制系统；调试监测平台

随着我国经济社会的快速发展和人们物质生活水平的不断提升，在现代社会快节奏工作和旅游需求不断强化的日常生活过程中，人们对交通网络系统的速度有了更高需求，列车作为现代高科技交通工具，有着行驶速度快、发出噪声小、平稳舒适性高、节能环保和安全可靠等诸多优势，应用前景非常广阔。列车控制系统作为列车系统的一个核心组成部分，对整个列车的研制起着至关重要的作用，因此，如何提高控制系统的开发调试效率显得非常重要。在此背景下，本文针对列车研发生产过程中调试环境复杂、调试接口多、调试难度大、调试周期长等特点进行定制化开发，将各车辆CAN总线转换接入以太网总线进行数据传输和集中调试，便于工程师及调试人员集中调试使用，提高调试效率，并将列车控制系统状态信息和故障信息等关键信息实时传输到地面服务器进行统计分析，便于开发人员在地面实时监测列车各控制器的运行状态、安全可靠调试，提升调试技能。

1 系统构成

基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台由CAN总线转以太网组网、基于以太网的调试平台、无线数传主机、地面实时监控服务平台等四部分构成，其结构组成如图1所示。其中，网络调试监测平台车载以太网总线采用双网冗余方式，无线传输部分采用无线双网数据加密传输，确保整个系统数据传输安全可靠。地面实时监控服务平台采用安全防火墙接入、磁盘数据冗余备份、服务器系统软件，确保7x24小时稳定运行，保证基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台系统网络拓扑结构符合标准。同时，列车控制系统通过CAN转以太网模块接入以太网总线，用户使用调试电脑可在任何一个车厢的调试接口接入以太网总线，可对列车控制系统进行数据采集、状态查询及参数设置。车载无线数传主机可实现对无线外网和车载内网的安全隔离，以防网络入侵确保车载内网的安全性。无线数传通信从软件协议和硬件线路单向隔离两方面可确保任何网络数据都无法发到车载以太网和控制器，确保只能数据下车，禁止远程网络数据发往控制器。

图1 基于以太网的列车控制系统调试监测平台架构图

2 软件架构

基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台软件结构设计主要分为三大部分：基于列车以太网总线列车控制系统在线调试平台软件、车载数传主控软件及地面实时监控服务系统软件。由于列车控制系统数据通信量大，并且对通信的顺序性和实时性要求较高，整个控制系统包含了很多模块，不同模块需要不同的调试人员。根据设备使用场景，列车控制系统调试平台在软件架构上采用C/S+B/S混合架构，能有效保证基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台功能的顺利实现。车载以太网总线在线调试软件运行平台为Windows系统，安装于专用调试笔记本电脑。在软件架构过程中，由于基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台调试工况较为复杂，提供的设备终端较多，网络调试监测平台软件在采集运行数据时对实时性有较高的要求，因此，本系统核心算法主导开发语言采用C/C++语言编写，结合其他相关组件和软件开发工具，共同完成调试工作及数据采集。网络调试监测平台软件通过以太网总线采集到列车控制系统状态信息数据，可直接通过4G/5G网络实时发送到地面实时监控服务平台，存入数据库中。

数据库采用关系型数据库进行存储，这样可以有效存储大量的数据，其新增、修改、删除、查看均有良好的性能支持，为基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台功能实现奠定了坚实基础。系统同时可以根据用户需要，将数据转换为用户常用的数据结构，便于用户调取使用，也可以根据需要进行数据格式转换与数据分析。此外，基于以太网技术的列车控制系统调试监测平台软件运行后，可自动生成配置文件和记录数据文件，记录数据文件按照不同的控制器和变量进行分类存放，方便用户查看，能获得较高的实时性和良好的人机交互，既获得高性能，也同时获得高可操作性，其软件框架如图2所示。

图2 基于以太网的列车控制系统调试监测软件架构图

3 车载无线数传主机设计

车载无线数传主机是基于以太网的列车控制系统调试监测平台的重要组成部分，该部分主要负责车到地的数据安全可靠传输，管理网络通信安全链接，实现内外网单向数据传输，保证列车控制器安全运行。在此目标实现过程中，车载无线数传主机通过控制车核心交换机接入车载以太网总线，实时接收列车控制系统的运行状态信息和故障信息，再通过无线4G/5G网络发送到地面实时监控服务平台。此时车载网络设计通信速率100Mbps，实际列车控制系统运行数据信息传输速率不大于600KB/s，车上供电为AC220V，要求2路4G/5G对外传输数据，预留设备调试接口，内外部通信物理隔离，数据进行软件加密传输，设备的环境与电磁兼容满足铁路电子设备标准。车载无线数传主机设备采用标准3U机箱设计，宽度52HP（265mm），预留后期扩展空槽位。内部板卡均采用兼容性设计，处理器板1与处理器板2采用相同设计，焊接不同模块电路，烧写不同程序，实现不同功能，4G/5G板卡后期可根据实际需求配置，可采取配置双4G、双5G或1个4G、1个5G的形式，电源为AC220V交流电源输入，24V电源输出，配置两块电源进行冗余设计，CAN总线接口预留，232接口为维护接口，虚线口为封闭不使用接口，预留3个4HP的空槽位，可进行扩展，主机接口如图3所示。

图3 基于以太网的列车控制系统调试监测平台车载无线数传主机接口图

4 地面实时监控服务平台设计

地面实时监控服务平台是基于以太网的列车控制系统调试监测平台功能实现的又一重要内容。其中，地面实时监控服务平台硬件采用标准式服务器机柜，使用机架式高性能安全服务器，前端架设安全防火墙及智能交换机；服务器软件系统采用C/S和B/S混合架构，运行平台为Windows服务器系统，开发语言采用C++和java，数据库选用MySql数据库，为地面实时监控服务平台数据传输和智能交换功能实现奠定了扎实基础（图4）。

图4 网络调试监测平台数据关系结构图

5 结语

总之，基于以太网技术的列车控制系统的调试监控平台，通过CAN总线以太网组网、基于以太网技术调试平台、无线数传主机和地面实时监控服务平台四大模块组成，有效完成了列车维护效率提升、维护成本降低、智能化程度提升的目标，通过以太网技术搭建的智能控制体系，为列车运行过程中通信数据传输速率提高、传输数据更新周期频率缩短和网络传输数据量扩大以及信息滞后性降低等做出了重要贡献，是未来列车控制的重要发展方向。

[1]熊艳，黄赫，李思源，等.基于以太网的高速列车控制系统研究[J].机车电动化，2019（4）：41-44.

[2]裘成追.客运专线铁路信号系统调试[J].技术创新，2011（2）：22-23.