中国机车远程监测与诊断系统(CMD系统)车地数据传输技术

王强，唐国平

（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)车地数据传输技术

王强1，唐国平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）

机车运行在不同地域和不同场景，如何将大量车载数据及时发送到中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）地面综合应用系统是CMD系统的关键技术之一，已知车地无线通信技术如GSM-R、3G/4G、WLAN、卫星通信等均存在一定局限性，通过对上述技术进行比较，以及分析CMD系统数据传输的应用需求，提出一种适用于铁路运营环境的车地无线传输综合技术及相应的传输策略。

机车；远程监测；诊断；CMD系统；车地无线通信；数据传输；WLAN；北斗通信

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）中，如何将机车在运行中产生的大量车载实时数据、运行记录数据、视频信息及时发送到CMD地面综合应用系统，实现对机车远程实时监测和诊断，是CMD系统的关键技术之一。已知GSM-R铁路移动通信专网、3G/4G移动通信网络、WLAN、卫星通信等车地无线通信技术均存在一定局限性，不能满足CMD系统对车地无缝数据传输的要求。

1 车地通信技术

1.1 移动通信

移动通信技术不断发展，经过GSM、3G发展到第四代（4G）的长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）。GSM-R铁路移动通信专网在其覆盖的铁路线路能实现车地无缝数据传输，实时性高，最高传输速率可达171 kb/s，缺点是GSM-R只覆盖部分铁路线路；3G是第三代移动通信技术，能够同时传送声音及数据信息，目前3G有CDMA2000、WC DMA、TD-SCDMA三种标准，速率一般在几百kb/s以上，3G下行速率峰值可达3.6 Mb/s，上行速率峰值可达384 kb/s；与3G相比，4G通信系统改善了小区边缘用户性能，提高了小区容量，降低了系统延迟，改进并增强了3G的空中接入技术，采用当前无线通信领域核心技术OFDM和MIMO，4G系统能够提供下行100 Mb/s与上行50 Mb/s的峰值速率，截至2016年6月，我国已建成全球最大的4G网络，4G基站超过200万个。3G/4G基本覆盖我国主要铁路线路，优点是传输速率高，缺点是在部分铁路线路（如铁路隧道、偏远山区等）存在盲区。

1.2 WLAN通信

基于IEEE802.11标准的WLAN技术是当今使用最广的一种无线网络传输技术， WLAN使用ISM 2.4 GHz和5.8 GHz公共频段，使用者只要遵循工信部相关标准，即可自行组建无线局域网，无需电信运营执照，不存在通信费用，却能获得极高的数据传输带宽。当前最通用的WLAN标准为IEEE 802.11n，是在IEEE802.11g和IEEE802.11a基础上发展起来的，核心技术是采用MIMO、OFDM，理论速率最高可达600 Mb/s（目前业界主流为300 Mb/s）。最新IEEE802.11ac标准是在IEEE802.11n标准上建立起来的，继续沿用IEEE802.11n的MIMO技术，信道工作频宽由IEEE802.11n的40 MHz提升到80 MHz，甚至可达160 MHz，再加上约10%的实际频率调制效率提升，最终理论传输速度将跃升至1 Gb/s。

1.3 北斗短报文通信

北斗一代导航卫星为地球同步轨道卫星，覆盖整个亚太地区，是全球首个在定位、授时之外具备短报文通信的卫星导航系统，其报文通信功能是GPS和GLONASS等卫星导航系统都不具备的特殊功能[1-2]。北斗系统向民用开放的短报文服务每包数据被限制在78字节以内，发送周期为60 s。相较于3G/4G移动通信、WLAN等民用扩频通信技术，北斗系统采用更长的码序列，对于信号具有更高的相干处理增益，抗干扰能力强，具有极强的抗同频、宽频、多径干扰能力，抗衰落能力强，具备各种气象、地质条件下的全天候高性能，支持高速移动的设备，且信息落地后直接进入地面数据中心，不经由公用网络，因此保密性强、时效性高。

北斗报文通信功能在灾区救援、野外作业、海上作业系统等关系国防民生的领域具有很强的应用价值，特别是在移动通信中断、电力中断或移动通信网络信号无法覆盖的情况下，可以利用北斗短报文实现应急通信。

1.4 卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现2个或多个地球站之间的通信技术，具有广域覆盖、远距离传输的特点，对于无法获得互联网接入的地区，具有不可替代的作用。

卫星通信系统按照承载业务不同分为固定卫星业务（FSS）和移动卫星业务（MSS）。FSS使用的频段包括：C（4/6 GHz）、Ku（11/14 GHz）、Ka（20/30 GHz）。由于Ka频段比Ku、C频段的频谱范围更宽，因此成为宽带卫星通信业务的主流，特点是传输带宽大、传输速率高、可在固定环境下传输视频等宽带信息。MSS使用的频段包括：L（1.5/1.6 GHz）和S（2.0/2.2 GHz）频段，特点是传输带宽小、传输速率低、可在移动环境下传输语音数据等窄带信息。如Inmarsat国际海事通信卫星能够提供近500 kb/s的用户速率。最新一代MSS系统将采用Ka频段，大幅提高了通信带宽和通信速率，降低了终端体积和质量。随着Inmarsat公司第五代卫星Inmarsat-5 F3发射成功，标志着Inmarsat旨在提供全球高速卫星移动宽带互联网服务的Global Xpress系统部署完成，终端上下行速率分别可达5 Mb/s和50 Mb/s。

近年来新兴的“动中通”系统，即“移动中的卫星地面站通信系统”，综合了FSS和MSS的优势，是为了满足用户在动态移动中实时传输信息，使用固定轨道卫星的Ku频段进行移动通信传输宽带视频信息。系统特点是装有卫星天线的载体在移动过程中，天线必须始终对准卫星，否则通信会中断，天线直径一般在1 m以上。

1.5 车地通信技术比较

各种车地通信技术比较见表1。

综上所述，在GSM-R覆盖的铁路线路车地通信可优先选择GSM-R网络；在GSM-R未覆盖的铁路线路，由于4G移动网络已在我国基本覆盖，铁路行业已具备大量使用4G网络作为车地通信的主要手段，适合机车运行途中与地面系统的实时通信。

零资费、大带宽是WLAN网络最大的优势，较为适用于在机务段等环境自组建无线局域网络，实现机车入段后车载大容量记录数据的高速下载。

随着我国高速铁路运营规模和范围的扩大，以及列车时速的不断提高，国民对于铁路运输安全的关注程度也不断提高，需要铁路部门及时掌握机车状态，快速进行险情处置，及时恢复行车秩序，减小经济损失[3-4]，特别是在发生严重自然灾害造成网络基础设施毁坏、移动通信网络中断时，全天候的北斗报文通信技术结合北斗定位技术对于铁路应急通信和应急抢险具有非常重要的意义[5]。

表1 各种车地通信技术比较

与移动通信、WLAN通信技术相比，对用户来说，卫星通信技术对地面设备依赖性低，与北斗报文通信技术相比，传输的数据量和速度有明显优势，但卫星通信传输时延大、存在通信盲区、容易受天气干扰，仅能在低于120 km/h且空旷环境下使用，终端设备和资费均较高，不太适用于CMD系统铁路应用环境，只能作为CMD系统的备选方案。

2 CMD系统信息传输需求

2.1 信息分类

根据CMD数据传输应用的不同需求，CMD信息可进行如下分类。

（1）按照采集对象不同，CMD信息可分为LKJ信息、6A信息、TCMS信息和车载综合信息监测装置（LDP）信息。

（2）按照传输的时效性，CMD信息可分为实时信息和非实时信息2类。实时信息：机车运行过程中由LDP实时采集及发送的机车状态信息、机车安全信息、机车监测信息等。非实时信息：指以文件形式存储在车载设备本地的故障记录文件和事件记录文件等大容量数据信息，这些信息在机车入库时转储到地面服务器。

（3）按信息传输方向，CMD信息可分为车到地信息和地到车信息2类。车到地信息：由CMD系统车载设备发送到地面服务器的数据，包括机车安全信息、机车状态信息、机车监测信息、6A系统记录数据、TCMS记录数据、LDP记录数据及机车电子履历等。地到车信息：由CMD地面服务器发送到车载设备的数据，包括地面指令、故障处理意见和地面存储的机车电子履历等。

2.2 传输指标要求

根据CMD系统的应用要求，CMD数据传输系统应能达到如下性能指标：

（1）车地实时信息通过移动通信网络传输的平均时延不大于10 s；

（2）车地非实时信息传输WLAN网络在无障碍物遮挡情况下，WLAN覆盖范围半径不低于100 m区域，时延不大于50 ms，丢包率不大于3%，在目标覆盖区域范围内，车载终端接收信号电平不低于-70 dBm；

（3）通过北斗传输数据包在78字节以内；

（4）中国铁路总公司（简称总公司）通信服务器能同时处理至少20 000台机车信息，铁路局通信服务器能同时处理至少1 500台机车信息，无线转储服务器能同时转储至少20台机车数据，硬盘容量2 TB以上。

3 车地信息传输方案

CMD系统通过GSM-R GPRS、3G/4G、北斗实现车地实时通信，通过WLAN实现车地非实时信息双向传输。

CMD数据传输子系统由GSM-R GPRS、3G/4G、WLAN、北斗、MTUP、铁路统一传输平台、通信服务器和无线转储服务器等组成，主要完成车地数据的双向传输[6]。数据传输子系统总体结构见图1。

数据传输子系统网络由无线和有线两部分组成。无线网络目前依托GSM-R GPRS、3G/4G、WLAN、北斗，主要完成车地数据传输；有线网络利用已有的铁路综合IT网络，主要完成总公司、铁路局、机务段/检修段三级网络范围内的数据传输。

GSM-R GPRS、3G/4G、WLAN车地通信采用TCP/IP协议，北斗车地通信采用短报文方式，铁路内网数据传输采用铁路统一传输平台。

MTUP为应用系统提供在铁路内网和移动公网间传输实时数据的服务，所有通过移动公网进入铁路生产网的应用系统都必须经过铁路局的MTUP接入。

4 车地信息传输策略

根据数据类别不同，采取不同的策略进行数据传输，车地信息传输策略主要分为实时信息传输策略、应急通信策略、视频信息传输策略和历史记录传输策略。

4.1 总体原则

CMD系统数据传输遵循如下原则：在满足需求的情况下限制传输流量，关键信息变化不应遗漏；故障信息及故障环境变量信息优先实时传输；具备远程数据下载能力，地面可以自定义实时传输内容，数据传输每帧数据不超过1 024字节；远程文件传输大小不超过5 MB，近距离文件无线传输每个文件大小不超过100 MB。车地间数据传输链路具备活动性检测机制；机车故障数据等关键数据具备检错重传机制；车向地传输在发送端应有缓存管理和优先级发送控制机制；当需要地向车发送数据时，宜采用人工触发方式；当机车进入近距无线网络覆盖范围内，机车与地面设备进行交互认证后，才能启动数据文件的自动转储。

4.2 实时信息传输策略

实时信息传输是CMD系统最主要的一种数据传输类型，此类信息的特点是数据内容较为丰富，但数据量相对小，数据时效性强但连续性要求不高。信息传输的时机涵盖了机车运用的全过程。数据传输方向为车地双向交互。采用周期性传输结合事件触发方式进行传输。数据采集对象涵盖LKJ、6A、TCMS和LDP。4G和卫星通信技术均能满足这种数据传输要求，与卫星通信相比，4G通信具有资费低、车载设备价格低、信号受遮挡影响小、抗干扰能力强、适用于高速铁路环境等优势，因此作为车地实时信息通道的首选。CMD系统采用4G网络，将大幅提高车地数据传输速率，远程视频将更加流畅和连续，远程下载大容量记录文件时，将减少数据下载时间，降低因铁路沿线信号覆盖不全造成的数据反复重发、下载成功率低等问题。

移动通信网络通道采用TCP/IP通信协议，传输方式分为3种：（1）定时传输。由时间触发，传输频率可设置，传输内容包括关键的机车状态信息与基本信息，包括机车速度、工况、机车位置、机车号、车次等信息。（2）故障/事件触发传输。由故障/事件触发，传输内容包括机车故障和相关环境数据。（3）数据点播。由地面远程触发，根据地面综合应用子系统的指令传输相应类型机车数据。

4.3 应急通信策略

当铁路发生自然灾害或突然事件等紧急情况，造成移动通信网络和铁路调度指挥网络中断，影响铁路运营安全时，需要在事故现场与救援指挥中心之间建立应急通信链路，为救援指挥提供第一手信息，便于事故处理，减小经济损失。这种数据传输方式势必要求不能依赖于地面基础通信设施，只能采用卫星通信。北斗报文通信与Inmarsat卫星通信相比，后者虽然拥有更高的传输速率，但通信资费高昂，投资巨大，且从铁路信息安全保密性角度出发，我国自主研发的北斗系统无疑具有明显优势。通过报文以定时传输方式，将CMD车载系统机车关键信息（如机车位置信息、故障信息、司机操作信息）发送到地面服务器。

在CMD系统中应用北斗短报文通信技术是铁路机务信息化建设中的一大创新，CMD车载设备通过持续周期性（70 s一次）向地面提供机车状态和位置等关键信息（每包78字节），信息落地后，总公司数据中心通过专线从北斗地面数据中心获取信息。北斗通信链路全天候、全覆盖条件下的可用性，完全能够满足铁路运用的特殊需求。此外，当机车断电时，单独采用蓄电池供电的北斗模块仍定时向外播发机车位置，这有助于机务部门实时掌握机车运用状态，降低机车闲置率。

4.4 视频信息传输策略

视频信息作为一种特殊的实时信息，为了确保视频连续性，对网络传输速率和丢包率要求较高，耗费网络流量较大，因此适宜采用4G公共移动通信网络。视频信息传输由地面远程控制命令点播触发，可连续实时传输视频流信息，适用于宽带无线网络畅通的情况。

当CMD车载系统接收到地面请求视频信息指令后，采用UDP协议，将视频信息通过4G传输到外网视频服务器，外网视频服务器将接收到的车载视频信息按标准的HTTP协议格式封装后，发送到内网服务器，使铁路内网用户能实时接收车载视频信息。

4.5 历史记录传输策略

CMD车载系统的历史记录数据用于记录故障信息和事件信息，并以文件形式存储在车载设备本地，内容有6A记录数据、TCMS记录数据、LDP记录数据及机车电子履历等。历史记录数据属于非实时信息，传输方式包括无线自动转储与人工手动转储2种方式：（1）无线自动转储由命令触发，当车载子系统识别到合法的无线网络时，与传输子系统建立起网络连接，从相关存储单元中获取记录文件，并采用TCP/IP协议将记录文件传输给地面无线转储服务器，同时把转储结果信息写入段数据服务器，再进行数据解析、入库和分发。（2）人工手动转储由U盘插入触发，通过注册U盘进行手动转储，系统对证书进行认证后将自动转储记录文件到U盘，完成手动转储。

WLAN网络零资费、大带宽的优势适用于实现CMD系统在局域范围内进行大容量记录数据的高速传输。对于CMD车载设备，由于机车顶部空间有限，车载天线追求高集成度，大多将移动通信天线和WLAN天线进行集成，采用宽频带天线，通过合路器进行射频信号的分路和合路，而国内4G网络频谱分布在1 800~2 700 MHz较宽的范围内，因此为了实现与WLAN信号合路，CMD系统的WLAN选择工作在5.8 GHz频段，采用IEEE802.11a/n标准，在单天线时，WLAN最大通信速率可达150 Mb/s。

5 结束语

通过分析CMD系统数据传输的应用需求，结合GSM-R、3G/4G、WLAN和卫星通信等无线通信技术的优点和局限性，提出适用于铁路运营环境的车地数据无线传输策略，提高了车地无线数据通信速率，满足了机车不同应用场景的数据传输，确保了数据传输安全，实现了对机车信息的集中汇总、统一处理。目前，CMD车载设备已在和谐型机车上批量应用，装车4 000余台，各铁路局已开通使用，为铁路机务部门管理机车运用提供了新的技术手段。

[1] 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．

[2] 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．

[3] 申瑞源．构建大功率机车整备体系的研究与思考[J]．中国铁路，2012(6)：7-10．

[4] 张大勇．提升我国机车技术水平的路径探讨[J]．中国铁路，2015(6)：1-4．

[5] 王庆武，唐国平．机车远程监视与诊断系统研究与设计[J]．机车电传动，2012(3)：42-44．

[6] TJ/JW 024—2014 中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统暂行技术规范[S]．

责任编辑 高红义

Train-ground Data Transmission Technology of CMD System

WANG Qiang1，TANG Guoping2
（1. Transportation Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd，Zhuzhou Hunan 412001，China）

One of the key technological difficulties for the CMD system is to transmit large amount of data collected onboard to the ground system for integrated application in a timely fashion regardless of the differences in regions and scenarios. It is known that the train-ground wireless communication technologies – for instance GSM-R, 3G/4G, WLAN and satellite communication - have their own limits. In this light, the paper compares the above-mentioned technologies and looks into the application demands of data transmission for CMD system. An integrated wireless transmission technology - suitable for train operation - and the transmission strategies concerned are proposed accordingly.

locomotive；remote monitor；diagnosis；CMD system；train-ground wireless communication；data transmission；WLAN；Beidou satellite communication

U26；TP277

A

1001-683X（2017）03-0023-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.023

2016-12-16

王强（1973—），男，提高待遇高级工程师。

唐国平（1971—），男，教授级高级工程师。E-mail：tanggp@csrzic.com