地铁列车通信网络协议转换与状态监测技术分析

随着我国轨道交通的发展，地铁列车已经成为了十分重要的公共交通工具，保证乘客的安全出行同时也变得尤为重要。监测地铁列车的运行状态是一种保证行车安全的重要手段，因此对列车状态监测进行研究具有较大的价值和实际意义。对运营年限较长的列车进行状态监测时，存在车载设备自主化改造导致的新旧设备通信协议不一致问题，无法实现信息互通及状态监测
1 绪论

1.1研究背景及意义

近年来，为缓解城市交通状况、方便城市居民出行、改善城市空气环境，我国城市轨道交通迅速发展[1,2]。截至 2020 年底，我国已有 42 个城市开通地铁列车，另有 3 个城市在建。随着客流量的增加，乘客对地铁列车的安全可靠性有了更高的需求[3]。同时由于各大城市的地铁列车长期处于运行状态，设备逐渐出现性能退化、老化等问题[4-6]，继而导致的设备故障情况影响着行车安全，地铁延误、停运事件偶有发生，对人们的正常生活造成了影响。因此，地铁列车的准时、安全显得尤为重要[7,8]。为保障地铁的安全运行需对地铁进行检修操作，但传统定期维修模式和事后维修模式的缺点无法忽视，定期维修的不准确和资源浪费问题以及事后维修的滞后问题，已无法满足目前地铁经济安全可靠运行的要求。状态维修技术的出现为维修提供了一种新的解决思路，成为了当前一种重要的检修方式。状态维修根据状态监测以及诊断技术获取设备的状态信息，对设备的状态进行监测并判断是否异常，进而通过分析预测设备状态，达到合理安排检修时间和项目的目的。为实现更加合理的检修操作，保证地铁列车运行的安全性，对正在运行的地铁列车进行状态监测变得越来越重要[9-11]。通过对地铁列车运行状态进行监测，可以快速知晓地铁列车实时状态以及设备是否异常等信息，甚至直接完成对异常的定位，从而有利于后续修理、更换等操作方案的确定，进一步保障了列车运行的安全以及乘客的安全[12]，因此对地铁列车状态监测进行研究具有重要意义。目前，直接通过安装传感器和其他辅助设备对需监测的设备状态进行实时监测的方法较为常见，但其需要庞大的信息以及额外的传感器费用支出使得该监测方式的经济性较差，利用通信总线上传输的信息对地铁列车的状态进行监测可以规避上述方案的缺点，同时满足状态监测的需求，对于现有运营年限较长的列车是一种可行性更强的监测途径。

1.2国内外研究现状

1.2.1 协议转换技术

为解决不同通信总线上设备的互通问题，多年来，各国的研究人员对于协议转换装置的研究展开了一系列工作。国外针对协议转换装置的研究较早，如 MVB、CAN、以太网、RS485 或者 RS232 等之间的协议转换[18]。针对有关 MVB 总线的协议转换装置，已经在多种型号的高速列车上具备了广泛应用，如早期瑞士安达的 MICAS-A2 和 MITRC、德国西门子的 SIBAS、法国阿尔斯通的 AGATE Link 等[19]，这些设备都是基于 MVBC（Multifunction Vehicle Bus Controller）进行再次开发[20]。而 Duagon 公司首先使用 FPGA 开发出 MVB 系列的协议转换装置，使得相关的产品逐渐多样化[21,22]。

2 地铁列车通信协议与方案设计

2.1地铁列车通信网络协议

2.1.1 三菱地铁列车网络架构分析

本文研究对象与文献[32]的列车采用相同的通信网络，根据相关技术文档规定，列车网络架构如图 2-1 所示，包括列车管理系统（Train Management System,TMS）、牵引系统、制动系统、车门系统、乘客信息显示系统等。列车管理系统作为主系统，其他各设备作为子系统，各设备间通过隔离型 RS485 总线进行信息传输。使用 3 根屏蔽绞线连接各设备，包括 1 对数据线和 1 根信号接地线，电线两端安装 120Ω 终端电阻，列车管理系统安装 1.2kΩ 偏置电阻。主系统与各子系统间采用 HDLC 协议完成通信，并对数据信息进行透明传输。

2.2整体方案设计

本文利用列车通信网络对地铁列车运行状态进行监测，通过分析各部分功能，对方案进行整体设计，结构如图 2-7 所示。其中，RS485 总线和 MVB 总线为地铁列车上通信的总线，RS485 总线遵循 HDLC 协议，MVB 总线遵循 MVB 协议；协议转换装置位于地铁列车上，用于实现 HDLC 协议与 MVB 协议间的协议转换；采集转发装置位于地铁列车上，实现状态信息的采集与转发；监测计算机完成对设备状态的监测。RS485 总线挂载设备的状态信息通过 HDLC-MVB 协议转换装置传送到 MVB总线，使得采集转发装置可以同时采集获取 HDLC 总线以及 MVB 总线上各设备的状态信息。采集转发装置将获得的地铁列车上的设备状态信息进行转发，通过车地间通信使地面监测中心可以获取到列车上相应各设备的状态信息，最后在装有状态检测软件的监测计算机上将获得的状态信息等进行显示，从而实现了对地铁列车状态的远程监测。利用列车通信网络对地铁列车运行状态进行监测的方式，主要依靠数据信息的传递实现，各设备间的数据通信十分重要，本方案的数据通信模式如图 2-8 所示，将整个系统分为地铁列车、服务器和监测计算机三个部分。监测计算机分为数据接收部分、数据解析部分、数据处理存储显示部分
3 HDLC 与 MVB 协议转换机制设计 ............................................................... 19

3.1协议转换功能结构................................................................................ 19

3.2 HDLC 帧编解码模块设计........................................................................ 21

3.3 MVB 帧编解码模块设计 ......................................................................... 23

3.4帧长度自适应机制设计........................................................................ 26

3.5存储状态检测机制设计........................................................................ 27

3.6功能模块综合设计................................................................................ 29

3.7本章小结................................................................................................ 35

4地铁列车运行状态监测软件设计............................................................... 37

4.1软件整体架构 ........................................................................................37

4.2通信层功能设计 ....................................................................................39

4.3服务层功能设计 ....................................................................................43

4.4存储访问层功能设计 ............................................................................49

4.5界面层功能设计 ....................................................................................51

4.6本章小结 ................................................................................................54

5实验测试与验证 ...........................................................................................55

5.1协议转换模块功能仿真 ........................................................................55

5.2协议转换功能测试 ................................................................................58

5.3状态监测软件功能测试 ........................................................................62

5.4本章小结 ................................................................................................70

5 实验测试与验证

通过上述章节的描述，本文已经对协议转换部分与状态监测软件部分进行了设计，为验证设计的正确性及可行性，本章对协议转换功能与状态监测软件功能进行测试与验证。

5.1协议转换模块功能仿真

在设计完成基于 FPGA 的协议转换软件模块后，首先需要对其进行功能仿真，用于验证代码是否完成相关功能要求，本文通过编写 testbench 利用 ModelSim 软件对协议转换软件模块设计进行功能仿真，测试能否将输入的 MVB 帧以及 HDLC帧准确地转换为相应的 HDLC 帧以及 MVB 帧进行输出。Testbench 可模拟实际环境中输入作为设计的输入进行仿真，通过对输出进行分析及校验达到评估设计的正确性的目的，同时 ModelSim 作为 HDL 语言的仿真软件，具有速度快和可实现跨平台仿真的优点，提供良好的仿真环境，适用于本文的仿真要求。

5.1.1 仿真输入设计

通过编写 testbench 设定对 HDLC 帧与 MVB 帧端口的具体输入。对 HDLC 帧端口输入地址为 1001h 且有效数据长度为 36 字节的 HDLC 请求帧；对 MVB 帧端口输入端口地址为111h与112h且有效数据长度都为32字节、以及端口地址为113h且有效数据长度为 4 字节的 MVB 主从帧；并对 MVB 帧端口输入端口地址为 222hF代码为 4、端口地址为 223hF 代码为 1 的 MVB 主帧。其中，前两部分 HDLC 请求帧与 MVB 主从帧用于传递有效信息，而最后的 MVB 主帧用于在协议转换软件模块在收到后发送相应 MVB 从帧。具体输入的 HDLC 帧有效数据如表 5-1 所示，MVB 帧有效数据如表 5-2 所示。根据上述设定，协议转换软件模块需将 HDLC 帧中的有效数据拆分为 32 字节与 4 字节的帧数据，并在接收到地址端口为 222h 与 223h 的 MVB 主帧时分别将其以 MVB 帧格式从 MVB 端口发送出去；同时，将分 3 次接收到的 MVB 帧中的 68字节有效数据合并为一整个帧数据，并在接收到地址端口为 1001h 的 HDLC 帧时将其以 HDLC 帧格式从 HDLC 端口发送出去。

6 总结与展望

随着我国轨道交通的发展，地铁列车已经成为了十分重要的公共交通工具，保证乘客的安全出行同时也变得尤为重要。监测地铁列车的运行状态是一种保证行车安全的重要手段，因此对列车状态监测进行研究具有较大的价值和实际意义。对运营年限较长的列车进行状态监测时，存在车载设备自主化改造导致的新旧设备通信协议不一致问题，无法实现信息互通及状态监测。本文在分析了我国地铁列车的现实需求与升级改造时出现的问题后，对协议转换与状态监测软件进行设计。本文的主要工作与研究成果总结如下：（1）调研了国内外列车通信协议转换以及状态监测的现状，结合目前改造升

级时出现的信息无法互通问题和状态监测需求，通过分析实际要求和所需功能，对协议转换方案和状态监测软件方案进行设计。（2）根据研究背景对协议转换部分进行设计，在 FPGA 上设计并实现协议转换功能。利用有限状态机设计 HDLC 帧与 MVB 帧的编解码模块，对于在应用时出现的两侧帧长度不一致以及数据更新导致的数据不同步传输问题，提出了相应的解决方案，通过设计自适应机制解决帧长度的匹配问题，通过增加双口 RAM 与检测机制解决数据更新导致的信息延迟问题，最终实现了适用于本文应用场合的协议转换功能。（3）对状态监测软件中的通信层和服务层进行了设计。采用 Socket 通信的方式将存储在服务器中的数据读取出来。将监测计算机作为客户端，TCP/IP 协议作为服务器与客户端间的通信协议，客户端与存储有效状态信息的服务器通过三次握手建立联系，接收来自服务器的有效状态数据。将来自服务器的数据流根据协议格式进行解码分析，确定车载设备运行状态。同时提出一种基于聚类分析的故障数据诊断方法，利用基于密度的 DBSCAN 算法完成对正常运行数据的聚类及异常数据的判断