中国机车远程监测与诊断系统(CMD系统)车载子系统

张大勇，熊昱凯

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

中国机车远程监测与诊断系统(CMD系统)车载子系统

张大勇1，熊昱凯2

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统是CMD系统的重要组成部分，担负着对机车车载应用数据进行采集、处理和传输的功能，是未来构建机车大数据不可或缺的一个环节。对CMD系统车载子系统的系统构成、设计原理、功能实现、关键技术、应用状况等进行阐述，并对其应用前景进行展望。

机车；CMD系统；远程监测；诊断；数据采集

0 引言

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）是铁路机务信息系统的核心子系统，其整合机车LKJ、TCMS、6A等运行记录信息及故障信息，实现车对地、地对车的数据采集处理传输，为中国铁路总公司（简称总公司）、铁路局、机务段/检修段、机车制造及修理厂提供机车定位、实时状态数据监测、实时故障报警、远程诊断、视频点播、统计分析、机车车载电子履历管理、专家支持系统、信息共享和功能接口等功能。CMD系统由车载子系统、数据传输子系统和地面综合应用子系统组成，其采用先进的车载信息技术、通信技术和计算机技术，将实时和历史车载信息数据传至地面，并对这些数据进行综合处理应用[1]。其中，车载子系统担负着对包括机车车载信息数据、地面控制命令等各类数据的采集、处理、记录、传输与转储，对机车统一授时，提供精确的机车定位信息，存储机车电子履历等重要功能，是CMD系统不可缺少的一部分。

1 设计目标

1.1 需求分析

从满足用户实际应用需求角度出发，考虑车载子系统在CMD系统中所担负的重要功能及机车在途运行会遇到的恶劣环境，对车载子系统的设计提出了以下需求。

（1）用户对车载子系统的应用需求包括：统一平台的综合信息监测装置开发，能满足对机车状态、监测、安全信息采集、处理、记录与传输的要求；故障、事件数据下发，能满足用户对在途机车故障远程处理支持及整备检修数据支持的要求；机车定位信息的获取与下发，能满足用户对机车实时动态跟踪及机车救援的要求；断电无火数据回送，能满足用户对24 h机车数据不间断下发的要求；WLAN连接与WLAN环境下的文件下载，能满足用户自动文件转储的要求等。

（2）功能实现上，车载子系统应具备以下功能模块与接口：

①标准数据采集接口，包括以太网、HDLC、RS485/RS422等通信接口；

②高安全、高可靠性的存储介质；

③3G/4G、WLAN模块实现车地互联互通；

④BD/GPS模块实现机车实时定位，并与北斗短报文通信；

⑤中央信息处理模块实现车载数据的采集、分类、分发、记录等功能；

⑥人机交互接口以便相应故障诊断。

（3）环境适应上，应充分考虑将要面对的高低温、会受到的冲击与振动力度及风、沙、雨、雪等天气的侵袭，重点研究其在以上环境中的硬件可靠性、功能完整性，以提高车载子系统的运行稳定性，延长装置整体寿命。

综合以上需求，车载子系统设计由车载综合信息监测装置（LDP）、北斗卫星导航系统通信天线、WLAN/3G/定位天线及配套线缆组成，综合信息监测装置提供上述的功能模块与接口，北斗卫星导航系统通信天线与WLAN/3G/定位天线实现车地互联互通。

1.2 设计原则

车载子系统的设计应遵循铁路信息化总体规划的要求，依据铁路行业相关标准，满足轨道交通领域的应用要求[2]；同时具备可扩展性、可维护性、可复用性，既能按具体的应用要求对功能进行裁剪与扩展，又具有简单易看的人机接口以便日后维护，而且内部功能模块也能进行一定程度的复用，减少日后开发成本；设计上应充分考虑稳定性与安全性，即遵循通用设计准则，借鉴成熟的产品设计方案，选用大批量应用的元器件，以GB 26860—2011《电力安全工作规程发电厂和变电站电气部分》中防静电、接地保护、过压、过流保护等来指导设计。

2 系统构架与关键技术特点

2.1 系统构架

整个CMD系统拓扑结构见图1。

图1 CMD系统拓扑结构

车载子系统是CMD系统的数据源，负责机车动态信息的采集、处理与传输，对CMD系统的运行起着强大的数据支撑作用。车载子系统拓扑结构见图2。

图2 车载子系统拓扑结构

车载子系统的核心装置是LDP，LDP由8块基本功能单板构成，同时为方便功能扩展，机箱预留扩展槽位（如图2中的I/O板与MVB板），北斗通信天线、WLAN/3G/定位天线为实现LDP与地面互联互通的配套线缆，LDP对机车信息数据进行采集、综合处理，再通过配套天线将数据传输到数据传输子系统。

2.2 LDP

为方便安装、卸载，LDP采用插箱式解决方案，机箱为标准5U，插件为标准4U，各插件间的通信与供电通过机箱背板总线实现。机箱对外接口均布置在前面板，即各单板前面板，以减少内部走线，同时提高装置的可维护性。各单板在功能独立的基础上协同工作，实现装置的综合应用功能。

电源板对整个机箱供电，采用宽范围电压等级设计，能输入DC 48 V～DC 137.5 V的电压，输出DC 5 V与DC 12 V两路电源，满足各功能插件的电源需求。主处理器板是整个装置的核心部件，负责数据的接收聚合、分类处理与转发交互，并完成装置的内部自检。无线通信板主要负责车地间的无线通信，该板内置WLAN、3G/4G无线通信模块，通过局域网连接功能与上网卡互联功能实现车地数据交互。BD/GPS板主要负责卫星短报文通信，并提供精确的定位服务，此功能主要是作为3G/4G无线通信方式的补充，在无信号偏远区使用卫星短报文通信实现机车信息发送，同时该板前面板设有1路电源接口，直接由机车蓄电池供电，实现机车数据无火回送功能，即在机车断电情况下仍能提供北斗短报文通信及机车定位服务。防护记录器板主要负责信息存储，通过背板以太网接收来自主处理器板的信息，按照相应格式及机制完成信息记录。

2.3 关键技术特点

2.3.1 多网络接入通用技术

由于不同车型采用不同网络和数据通信协议，LDP需要具备接入多种网络的能力，具有通用性。LDP在机车网络接入能力上集成RS485/RS422串口及以太网接口，这样LDP既能满足串口通信网络的接入，也能满足以太网通信网络的接入，同时通过预留I/O板及MVB板实现功能扩展，方便功能升级或接入其他通信模式的网络系统。

2.3.2 多元数据融合处理技术

LDP采集、汇总机车安全信息、机车监测信息、机车状态信息、机车定位信息、地面点播命令等，完成不同系统间的信息共享和统一传输。如何有效分辨以上各类信息，再按需求分类、重组，这是个技术难点，LDP采用设备编码、数据格式标准化及其统一编码的方式解决此问题。例如，设备上：0x0D编码LDP、0x30编码TCMS、0x60与0x61编码6A主机；信息类别上：0x01编码实时数据、0x02编码故障数据、0x03编码事件数据等。LDP对不同编码信息采用不同传输策略，以满足地面各类信息的需求。

2.3.3 数据特种防护技术

机车遇到重大事故时，为防止机车存储数据的损坏，防护记录板采用特种防护技术对机车存储数据进行防护，数据特种防护技术体现在数据管理单元与数据存储单元分开设计的理念，数据管理单元为防护记录板的核心，由CPU、以太网接口电路组成，负责对数据进行接收并写入本地文件，数据存储单元主要为数据存储器，负责对文件的存储，该存储器固定在具有特种防护功能的封闭金属壳内，实现对数据的可靠存储和特种防护，并通过金属外壳底部的连接线实现与数据管理单元的通信。

2.3.4 BD/GPS定位技术

为实现机车全方位定位跟踪，车载子系统采用BD/GPS双定位定向技术。GPS即全球定位系统，具有全球地面连续覆盖、全天候、功能多、抗干扰性强等特点，其采用单点定位与差分定位技术提供全球定位服务，已在测绘、交通、搜救、探险等领域得到广泛应用；BD是一种全天候、全天时提供卫星导航信息的双星定位区域导航系统，服务区域为中国及周边国家和地区，可在任何时间、任何地点为在其服务区域内用户提供精确的地理经纬度信息，并可提供双向短报文通信与精确授时服务[3-6]。车载子系统将GPS与BD定位技术结合使用，实现双定位定向，其中一个不能正常工作时，另外一个补充工作，实现机车全方位定位跟踪。

3 工作原理与功能实现

3.1 系统工作原理

车载子系统工作原理见图3。LDP通过RS485和以太网接口对TCMS机车状态信息数据、6A机车监测信息数据、LKJ机车安全信息数据进行采集，同时通过3G通道、北斗通道对地面点播、响应信息进行采集，经过内部处理后，将授时信息分发给TCMS与6A，实现车载装置统一授时，并将机车状态、故障、事件等信息数据通过3G、北斗通道发送给CMD系统数据传输子系统，以支持地面一系列工作的进行。LDP内部处理机制是车载子系统功能实现的关键。

图3 车载子系统工作原理

3.2 数据采集机制

数据采集分为6A数据采集、LKJ数据采集、地面信息采集、TCMS数据采集。6A数据及地面信息通过以太网通信采集；LKJ数据采集分为2种：通过RS485串口从TAX箱采集或通过以太网从TSC采集；TCMS数据采集根据机车构造也分2种方式：通过以太网采集或RS485串口通信采集。为对数据进行有效识别与获取，数据采集时还需建立设备间的数据交互协议及相应的传输策略，因此数据采集分为底层数据接收及上层数据格式化，整个数据采集过程见图4。

图4 数据采集结构示意图

根据数据源设备的工作性质及自身处理能力，各类数据的采集密度有所区分，6A数据以1s为周期、TCMS为250 ms、TAX为50 ms，对地面信息的采集采用实时监控策略，以提高对地面需求的响应速度。

3.3 数据传输机制

数据传输包括LDP对其他车载设备及LDP对地面的数据传输，LDP对其他车载设备主要是授时信息的分发，即LDP将LKJ信息分发给6A与TCMS，以实现车载设备统一授时。LDP对地面传输的数据包括：实时数据、历史数据、故障数据、事件数据、车载自检数据等。不同数据类型根据需求不同采用不同的传输策略，各类数据的传输策略见表1。

表1 数据传输策略表

可见，授时信息采用固定短周期发送策略，以满足各车载设备时钟一致性需求；实时数据采用短周期发送机制，考虑机车速度越快状态变化越快，为达到实时监测目的，实时数据的发送速度需要加快，因此发送频率采用随机车速度自动切换的策略，在一定速度范围内，频率固定不变，超过一定速度后，频率增加，具体切换方式根据机车配置决定，此配置设为可由地面点播更改；故障与事件数据由于重要程度较高，采用触发式发送策略，即故障、事件发生时立即将故障、事件信息发送到地面，由于故障发生时车载无线网络可能异常，为避免故障、事件信息发送失败，在无线网络异常时采用延时发送策略，待无线网络正常后发送；车载自检信息由于重要程度较低，采用长周期发送策略；历史数据根据地面的需要来发送，采用点播触发的机制。

3.4 数据记录机制

数据记录分为防护记录器数据记录和主处理器本地数据记录。

3.4.1 防护记录器数据记录

防护记录器数据记录目的在于当机车发生严重事故时能追溯到事故发生前一段时间的机车状态变化，因此防护记录器需记录机车状态信息数据及视频信息数据。为保证数据的完整性，机车状态信息数据记录周期与数据的采集周期一致，并以源数据形式记录。由于视频数据量较大，视频数据只记录机车占用端司机室、占用端机械间、占用端前方路况的视频，并以一个通道15 min生成一个视频数据文件的方式记录。为避免存储空间用完影响数据记录，视频数据记录与状态信息数据记录采用固定最大文件数的方式循环覆盖，即达到文件最大数目后删除老文件再创建新文件。为方便管理，视频数据与状态信息数据分开存储，同时均与系统软件分开，三者按2∶1∶1的比例分配空间。

3.4.2 主处理器本地数据记录

主处理器本地数据记录是机车日常运用数据的转储及地面对机车特定时间内历史数据点播的需要，为方便记录文件及数据内容的查找，主处理器数据记录按固定规律生成文件并按固定格式命名文件夹与文件，如采用每天生成一个文件夹、每小时生成一个记录文件，各类数据按照统一的格式封装存放在记录文件中，同时文件夹及文件按照统一的规则命名等策略。文件夹以“厂家_LDPDATA_年月日”的形式命名，文件以“厂家_车型_车号_年月日_时”的形式命名。

3.5 数据点播机制

数据点播共有2种：历史数据点播和视频点播。

3.5.1 历史数据点播

实时数据发送中，考虑到通信费用成本及地面系统负荷能力，数据发生最快为10 s一次，但当故障或事件发生时，由于10 s一帧的数据量太少，很难通过这些实时数据分析机车发生故障或事件的原因，因此需要使用数据点播机制获取高密度、较丰富的历史数据。历史数据点播采用UDP通信方案，LDP接收到地面点播命令后，根据点播参数在本地记录文件中查找相应数据，并以实时数据的组包方式以50 ms一包数据的频率发送给地面，以加快数据传输并方便地面解析展示。历史数据点播的车地交互流程见图5。

图5 历史数据点播交互过程

3.5.2 视频点播

视频点播同样以UDP通信方式实现，LDP作为UDP客户端，地面视频/文件服务器作为UDP服务器，LDP接收到地面视频点播命令后，调用封装好的视频取流库从6A视频插件获取视频数据，再转发给地面，车地间采用心跳机制建立连接、报文响应机制实现视频点播控制命令与视频流数据传输，同时以优先级机制控制实时视频点播与历史视频点播的响应顺序。视频点播交互过程见图6。

图6 视频点播交互过程

3.6 文件转储机制

车载子系统利用WLAN连接技术实现局域网下的文件转储，转储文件包括6A、TCMS、LKJ与LDP本身记录文件、机车电子履历文件、各车载设备软件升级文件等。文件转储分两步实现，首先是LDP与各车载设备间的文件转储，其次是LDP与地面WLAN服务器间的文件转储。

3.6.1 LDP与车载设备文件转储

不同设备源的文件转储方式不同，6A、TCMS采用FTP文件转储方式。6A文件转储时，6A主机作为FTP客户端，LDP作为FTP服务器；TCMS文件转储时，LDP作为FTP客户端，TCMS作为FTP服务器。使用FTP协议进行文件转储的同时使用UDP协议进行控制，即UDP协议传输控制命令，FTP协议传输文件数据，以实现文件的可靠安全传输[7]。走行部（AT1）文件转储采用TCP协议，具体采用同步TCP方式，即控制命令与文件数据按照一定顺序进行交互，若某一步失败即代表整个过程失败。

LDP与6A、TCMS及AT1的数据交互过程见图7、图8。

图7 LDP与6A、TCMS数据交互过程

图8 LDP与AT1数据交互过程

3.6.2 LDP与地面文件转储

LDP与地面WLAN服务器间的文件转储采用FTP方式，LDP作为FTP客户端，地面WLAN主机作为FTP服务器，整个过程中LDP与地面WLAN服务器通过UDP通信保持连接。

文件下载时，LDP从源设备获取文件，并向地面发送文件“准备中”状态；文件准备完成后，开始FTP操作，上传文件到转储服务器，并发送文件“下载中”状态；FTP操作完成后，LDP发送转储完成报文到地面转储服务器，表示转储动作完成。

文件上传时，转储服务器向LDP发送文件上传命令；LDP收到文件上传命令后，向转储服务器发送文件上传应答报文；开始进行FTP操作，从转储服务器下载文件，并向转储服务器发送“上传中”状态；FTP操作完成后，LDP发送转储完成报文通知地面服务器。

3.7 数据安全机制

为保证数据交互过程的完整性、安全性与保密性，LDP在数据接收与发送中均采用数据校验算法，包括累加和校验、CRC32校验等，同时根据需要采用AES加密技术对传输数据进行加密。AES是一种对称密码算法，对称密码算法根据对明文消息加密方式的不同可分为两大类，即分组密码方式和流密码方式，AES属于分组密码加密方式，其输入分组、输出分组及加解密过程中的中间分组均为128 bit，密钥长度可选用128 bit、196 bit或256 bit[8]，AES算法过程见图9。

考虑到功能模块的标准化与统一化，后续LDP对数据的加解密采用专用模块实现，如3G加密模块对3G传输数据进行加解密，北斗加密模块对北斗传输数据进行加解密。

4 应用现状

随着CMD系统建设的不断推进，CMD系统车载子系统已经在和谐型机车上批量装车应用，目前已装车4 000多台。车载子系统的统一平台、统一接口、统一数据传输方式给CMD系统地面子系统提供了可靠的数据源，已支撑起地面各项实际应用工作，如各类机车车载数据的实时下发支撑起地面“人车图”跟踪管理理念；故障、事件信息下发支撑起在途机车故障诊断与排除及机务段整备检修工作；WLAN环境下文件下载实现机务段自动文件转储等。为CMD系统的进一步建设打下了坚实基础。

图9 AES加密算法过程

5 结论与展望

CMD系统车载子系统以总公司发布的《机务信息化总体规划》为参考依据，结合国内外铁路行业应用需求，建立统一的车载信息系统平台。车载信息系统平台采用标准化硬件设计，具有高可靠性、高兼容性，既能保证在不同构造机车上安装使用，又能方便日后功能扩展，同时技术先进，数据采集与处理机制优越，能有效支撑CMD系统建设的功能需求。

随着CMD系统建设的进一步推进，车载子系统将朝着实现更深层次应用功能的方向发展，LDP采集能力将会进一步增强，车地数据传输带宽也会得到进一步提升，同时车载子系统作为车载设备统一服务平台、旅客商业服务平台也将成为可能。

[1] TJ/JW 023—2014 中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）总体暂行技术规范[S]．

[2] 中华人民共和国铁道部．铁路信息化总体规划[S]，2004．

[3] 李金龙．北斗/GPS多频实时精密定位理论与算法[J].测绘学报，2015(11)：1 297．

[4] 赵康宁，赵勇．面向信息融合的北斗卫星导航系统及应用发展[J]．中国铁路，2013(4)：1-3．

[5] 于天泽．北斗卫星导航定位技术在我国铁路应用探讨[J]．中国铁路，2013(4)：4-7．

[6] 王亚民．北斗卫星导航系统在铁路同步网的应用[J].中国铁路，2013(4)：8-11．

[7] 王利霞，康洪波．基于TCP/IP协议的通信电源监控系统的设计[J]．电源技术，2013(9)：1 682-1 683．

[8] 张金辉，郭晓彪，符鑫．AES加密算法分析及其在信息安全中的应用[J]．信息网络安全，2011(5)：31-33．

责任编辑高红义

Onbaord Subsystem of CMD System

ZHANG Dayong1，XIONG Yukai2
（1. Transportation Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd，Zhuzhou Hunan 412001，China）

Onboard subsystem is an important part of CMD system, it performs the functions as collection, processing and transmission of locomotive onboard application data, being an indispensable link for building up the big data of locomotive in the future. In this paper, the author explains the conf guration, design principle, function, key technologies and application of the onboard subsystem and looks at the prospect.

locomotive；CMD system；remote monitoring；diagnosis；data collection

U26；TP277

A

1001-683X（2017）03-0016-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.016

2016-12-16

张大勇（1966—），男，中国铁路总公司运输局机务部副主任。

熊昱凯（1989—），男，工程师，硕士。E-mail：xiongyk@csrzic.com