基于DMS傳輸平臺的CTCS3-300H ATP車載設備數據無線下載及分析系統設計

趙志鵬，高占盈，黃紅強，張宇

列控系統是保障高速列車運行安全的核心裝備，其中ATP車載設備連續、實時監督列車運行，實現超速防護功能［1-2］。截至2023年5月，CTCS3-300H型（簡稱“300H型”）ATP車載設備已配屬12個鐵路局，裝備各型動車組200余列。隨著ATP車載設備現場運營數量與日俱增，運維標準也在提高，這對列控車載設備廠家，以及各鐵路局集團公司的電務處、電務段、車間提出了巨大挑戰。針對當前300H型ATP車載設備維護存在的數據下載接口多、下載時間長、下載和分析軟件種類繁多、各種分析軟件交叉分析關聯性弱等問題，引入先進的檢測手段，提升設備信息化、智能化檢測和運維技術水平是十分必要的。

當前鐵路信號行業對列控車載設備數據無線下載及分析的研究還處于研究推廣階段，目前運用的系統主要下載ATP車載設備安全計算機的運行數據，無法覆蓋所有車載設備關鍵單元；下載數據通常以天或車次為單位，并且需要完整下載全部數據后再進行分析，既浪費無線帶寬資源又影響分析效率。在深入研究列控車載設備技術和運用維護經驗基礎上，本文通過對車載設備關鍵單元記錄數據的梳理和關聯性分析，根據300H型ATP車載設備系統架構，設計了基于動態監測系統（DMS）傳輸平臺的ATP車載設備無線下載及分析系統。下載數據覆蓋ATP車載設備所有關鍵單元，通過車載端實時感知設備異常，觸發系統進行ATP設備運行日志信息的自動下載和智能分析，提升電務部門的工作效率，為電務部門的日常維修、應急保障提供可靠依據，為車載ATP設備的安全、高效運維提供技術支撐［3］。

1 系統總體架構及功能分配

基于DMS傳輸平臺的ATP車載設備數據無線下載及分析系統主要由ATP數據無線下載單元（DWDU）、ATP日志分析工作站、智能診斷分析終端3個部分組成［4］，系統結構見圖1。其中，DWDU實時采集并存儲ATP的記錄數據，實時感知ATP設備異常狀態并推送給地面設備，利用既有的DMS傳輸平臺，經過MTUP（Unified Mo?bile Data Transmission Platform for Railway）安全平臺實現高可靠性的數據無線傳輸［5-6］；ATP日志分析工作站通過與DMS傳輸平臺服務器交互實現數據下載，根據ATP車載設備單元類型實現數據分類存儲，同時ATP日志分析工作站作為服務器端為多個智能診斷分析終端提供數據下載服務；智能診斷分析終端可實時獲取管轄列車ATP車載設備的異常狀態，自動下載故障時間段車載設備關鍵單元的運行數據，智能診斷分析故障原因，給出建議處置措施，并提供歷史故障查詢和統計服務。

圖1 基于DMS傳輸平臺的ATP車載設備數據無線下載及分析系統結構

本系統主要實現以下功能。

1）ATP車載設備雙系多通道的并行采集，采集數據包括安全計算機（VC）、無線傳輸模塊（RTM）、應答器傳輸模塊（BTM）、軌道電路信息讀取器（TCR）和GSM-R電臺（MT）等的數據，覆蓋ATP車載設備各關鍵單元。

2）對ATP車載設備異常的實時感知。DWDU檢測到ATP異常后，通過無線傳輸通道和ATP日志分析工作站將異常信息推送給智能診斷分析終端，終端進行報警提示并啟動異常時間段數據自動下載流程。

3）系統通過統一的無線下載接口，提供異常數據自動下載、電務維護人員按需下載2種無線下載方式。車載設備在上電情況下均可實現無線下載，不影響列車運行。

4）對傳輸數據進行壓縮和加密處理，數據存儲基于時間片索引，同一索引數據僅需下載一次，在保障數據安全性和完整性的同時，降低了無線數據流量的使用。

5）發生異常事件時間段的數據下載完成后，系統自動進行診斷分析，生成分析報告并給出建議處理措施。

6）根據設備歷史運行規律和異常故障統計信息，分析設備狀態趨勢，協助維護人員對潛在故障做出預判和提前處置。

2 系統設計

2.1 ATP數據無線下載單元

2.1.1 硬件設計

ATP數據無線下載單元由核心處理模塊、數據傳輸模塊、數據采集模塊和電源模塊組成［7］，通過以太網接入DMS傳輸平臺。

1）核心處理模塊。采用64位四核Cotx-A55架構，主頻高達1.8 GHz，內部集成Mali-G52高性能GPU，結合2 GB DDR4內存和16G ROM空間，提供了強大的數據處理能力；負責對采集數據進行預處理，識別ATP異常狀態，對采集數據進行壓縮和加密處理并實現數據存儲；與數據傳輸模塊交互通信，實現請求數據的檢索、獲取和組包，以便于傳輸給DMS傳輸平臺；為系統提供基于IEEE 1588標準的精確時間協議時鐘，通過一個周期性的同步信號對無線下載單元內網絡上所有節點的時鐘進行同步校正，從而保證數據采集的時效性。另外還預留了高速USB2.0接口，可支持通過USB移動存儲設備高速下載數據。

2）數據傳輸模塊。為無線下載單元內模塊間通信提供高速以太網、串口、CAN總線等多種通信方式，并通過與外部DMS傳輸平臺交互通信，實現車上數據通過無線網絡傳輸到地面。

3）數據采集模塊。通過RS-232接口采集ATP設備的VC1系、VC2系、RTM1系、RTM2系數據；通過以太網接口采集BTM、TCR和MT數據。

4）電源模塊?？瑟毩⒖刂艱WDU上下電，DWDU上電時，采用延緩啟動100 ms的方式，以錯開DMS車載主機的上電沖擊時間段，避免造成對電源負載的影響。

DWDU除了擁有強大的數據處理、多樣的數據采集、高速的數據通信等能力外，還具備模塊狀態自檢能力，方便狀態獲取及遠程維護。同時DWDU與ATP車載設備采用既有接口進行通信，接口采用電氣隔離、數據單向傳輸的方式，實現DWDU故障后不影響ATP車載設備正常運行的安全要求。

2.1.2 軟件設計

ATP數據無線下載單元軟件由數據交換模塊、數據存儲模塊和維護模塊組成，軟件架構見圖2。

圖2 ATP數據無線下載單元軟件架構

1）數據交換模塊。通過實時接收ATP主機VC、BTM、RTM等的日志數據，初步識別異常狀態信息，并對采集數據進行壓縮和加密處理，然后轉發到數據存儲模塊進行持久化存儲。同時響應地面系統的數據請求，將數據通過DMS傳輸平臺回傳到地面。

2）數據存儲模塊。具備數據分類存儲和日志記錄功能，可將不同單元和系別的數據按照時間片索引方式進行存儲，方便地面按需下載。

3）維護模塊。支持設備維護人員通過USB移動存儲設備現場快捷下載車載數據，同時支持在DW?DU軟件升級和定期維護保養過程中監控單元運行狀態。

2.2 ATP日志分析工作站

ATP日志分析工作站部署于路局站段數據中心，通過與DMS傳輸平臺服務器的交互通信實現車載設備數據無線下載，工作站主要實現以下功能。

1）與DMS傳輸平臺服務器交互通信，獲取落地的車載數據。

2）對下載數據進行分類存儲。

3）支持為多個智能診斷分析終端提供數據下載服務。

4）支持存儲智能診斷分析終端上傳的分析記錄，并為終端提供查詢統計服務。

5）為智能診斷分析終端提供軟件授權、更新、用戶登錄和權限管理等服務。

2.3 智能診斷分析終端

智能診斷分析終端部署于電務段維修工區，主要是對通過DMS傳輸平臺獲取的ATP車載數據進行智能診斷分析，實現ATP車載設備狀態的實時監控。針對異常信息實時報警，啟動異常時間段車載數據自動下載功能，完成數據下載后自動進行診斷分析，生成分析報告并給出建議處置措施。同時終端提供管轄列車歷史故障查詢和統計功能，可輔助電務人員分析設備狀態趨勢［8］。智能診斷分析終端功能結構見圖3。

圖3 智能診斷分析終端功能結構

3 關鍵技術及特點

3.1 無線數據下載智能控制

為充分利用車地數據傳輸資源，減少冗余數據的重復下載，系統采用控制狀態機以按需下載的方式控制數據下載，數據下載控制狀態機見圖4。ATP日志分析工作站在收到來自智能分析終端的數據下載請求時，若本地已經存儲有相關數據，將自動從本地獲取，從而減少對車地數據流量的消耗。

圖4 數據下載控制狀態機

系統將所有下載任務加入預約管理［9］，實時檢測車載是否在線，對已上線車載設備，根據下載任務中的時間和數據類型，由ATP日志分析工作站通過DMS傳輸平臺將下載數據請求發送到車載端，車載端進行相應數據的響應。若超過規定請求次數，車載端仍未完成數據下載，系統將該請求任務置為超時任務，并從預約管理隊列中刪除。

系統采用基于標準的通用協調時間（Univer?sal Time Coordinated，UTC）的時間片索引進行數據存儲，通過解析數據請求中包含的時間段信息，ATP日志分析工作站首先檢索本地是否存儲該時間段的數據，若本地包含全部請求時間段數據，則直接將本地數據返回給終端；若本地包含部分請求數據，ATP日志分析工作站則將請求數據任務分解為多個子任務，僅將未下載的數據請求加入系統的預約管理，待完成所有子任務的數據下載，再組包返回給終端；對于本地不存在的請求數據，ATP日志分析工作站將終端的數據請求作為一個完整的請求任務，待完成數據下載，直接返回給終端。完成數據下載的任務將從預約管理隊列中清除。

3.2 傳輸通道利用率優化

車載無線通信面臨的一個典型問題是受公網信號覆蓋范圍影響，通信質量優劣浮動較大。針對這種情況，車載端需要進一步優化無線傳輸通道利用率。當檢測到通道質量較好時，提高數據傳輸速率，盡可能多地傳輸數據；當檢測到通道質量較差時，降低數據傳輸速率，減少無效的數據傳輸。

為實現上述目標，車載端通過對車地數據重傳率（單包數據從傳輸到地面確認之間重傳的次數）進行統計，將通道質量分為“優”“良”“中”“差”4個等級。當通道質量為“優”時，將車地間通信的滑動窗口動態調整到最大，最大限度提高發送車載數據的速率；當通道質量為“良”時，將滑動窗口動態調整到最大值的75%，盡可能多地在單位時間內傳輸數據；當通道質量為“中”時，將滑動窗口動態調整到最大值的50%，通過減少單位時間內發包數來減少對通道資源的浪費；當通道質量為“差”時，將滑動窗口動態調整到最大值的25%，最大限度減少單位時間內滑動窗口內待發送的數據量，提高數據確認包的命中率，進而提升通道利用率。同時為減少因通道質量抖動造成滑動窗口頻繁調整的問題，滑動窗口調整策略會有一定的延遲性，只有當通道質量持續維持在一個等級超過一定時間時，車載端才會調整窗口大小。

3.3 QoS調度算法

為應對動車組高速運行過程中數據傳輸的不穩定性，同時由于系統對車載數據進行分析需要涉及不同單元、不同系別和不同時段的數據，系統通過引入服務質量（QoS）調度算法對傳輸數據隊列進行管理，確保各類數據在傳輸中得到及時調度。

VC、BTM、MT等不同種類的業務數據根據數據傳輸需求進入到統一的調度隊列。調度隊列基于報文的公平調度（Round-Robin，RR）算法［10］，對每一種業務數據進行輪詢調度。如果出現輪詢的隊列不為空，則從該隊列取走一個報文；如果該隊列為空，則調度器不等待直接跳過該隊列。調度隊列中的數據依次發送到地面，確保每種業務數據均能在有限的上線時間內落地，提升地面數據協同分析的時效性?；赗R算法的QoS調度隊列示例見圖5。

圖5 QoS調度隊列示例

3.4 基于語義分析構建專家知識庫

ATP車載設備結構復雜、運行環境多變，特別是對于CTCS-3級列控系統，因列車運行速度快、基于無線網絡通信、車地交互信息量大等特點，為獲取發生故障的原因，需要專業技術人員基于完整的列控系統車載、地面和無線網絡監控數據進行綜合分析判斷。

基于對ATP車載設備關鍵技術的深入研究和設備長期運用的豐富經驗，系統結合大量的ATP車載設備運行數據，利用語義分析引擎對ATP車載設備歷史故障分析報告和各關鍵單元運行數據進行特征信息提??；對大量、多源、異構的非結構化數據進行智能解析；結合業務邏輯建立ATP故障信息與ATP運行數據特征值的多層次映射關系，進而構建包含故障類型、故障狀態遷移信息、故障建議處置措施等關鍵特征的專家知識庫，從而為智能診斷分析奠定基礎?？山Y合現場運行情況的迭代更新，不斷豐富專家知識庫內容。

3.5 采用智能分析算法實現數據診斷分析

首先，系統對運行數據進行篩選，標記存在故障信息的數據并獲取數據特征信息，數據特征包含等級、模式、速度、關鍵單元是否故障、關鍵單元故障狀態碼、關鍵單元故障前狀態遷移情況等，然后進行規范化處理形成導入信息；其次，結合專家知識庫，分別采用基于正向推理策略的推理引擎［11］、基于分類與回歸樹CART算法的決策樹［12］、模糊貝葉斯網絡［13］3種數據智能分析算法，獲取分析結果；最后，采用決策融合的方式對基于3種算法生成的分析結果進行表決，獲取最終輸出結果。

對于確定的輸出，系統可形成包含故障內容、故障原因分析和故障建議處置措施的分析報告；對于復雜場景下智能分析診斷結果不確定的情況，系統將在描述故障現象的同時，提示運維人員進一步通過手動方式下載車載、地面和通信網絡等多源數據，通過專業技術人員人工分析來準確定位故障原因，防止系統故障診斷分析出的故障原因和建議處置措施干擾運維人員的判斷。

綜上所述，系統通過實時感知ATP車載設備故障，自動實現ATP車載設備關鍵單元數據的按需下載，對下載數據進行預處理后，結合專家知識庫，通過智能分析算法對故障進行分類識別，并給出建議處置措施，最終生成故障分析報告。以CTCS-3級列控系統車載設備運用過程中故障出現頻次較高的無線通信超時問題為例，系統處理流程示例見圖6。

圖6 無線通信超時故障處理流程示例

4 結束語

基于DMS傳輸平臺的ATP車載設備數據無線下載及分析系統的研制和運用，實現了對ATP車載設備運行數據的自動下載、智能診斷分析及自動生成分析報告，解決了目前300H型ATP車載設備故障時無法及時準確掌握和運維數據分析效率低兩大難點，為300H型ATP車載設備狀態監測及運維提供了高效便捷的解決方案，提高了ATP車載設備異常狀況從發現到處置過程的及時性和有效性，縮短了故障處理周期及故障持續時間，提升了車載設備信息化、智能化檢測和運維技術水平，進而保障列車運行安全及運輸組織效率。