刘昭翼
（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）
0 引 言根据速度等级、长短编组、运营环境的不同，CRH2型动车组可划分为31种车型，共计1 100余列动车，占全国动车总数的30%左右，是当前高铁客运的主力车型。其核心车载网络控制系统的数据通信控制回路由车辆总线、电流环以及信息记录设备组成，通信过程中，车辆中央控制装置负责对车辆总线采集的列车信息进行合并处理，通过电流环将处理后的列车信息发送至车地通信装置保存，用于后期数据分析和故障定位。目前的数据传输长度受限，且部分触发型数据更新周期长达30秒，存在数据记录协议不能扩充、刷新响应缓慢、触发时间较短的故障无记录等问题，已无法满足现有CRH2型高速动车组数据记录和故障诊断的要求，因此研究一种新型CRH2高速动车组过程数据和故障数据处理方法具有十分重要的意义。
1 车载网络数据处理现状如图1所示，CRH2动车组网络控制系统采用二级拓扑。列车级网络采用光纤环网通信，由中央控制装置、终端控制装置和ARCNET总线组成，是连接各个车厢控制单元的主干道。车辆级网络采用点对点通信，由控制装置、第三方设备和电流环组成，是网络控制系统与各子系统信息交换的通道。电流环是串行通信中常用的接口电路，零电平信号采用0～2 mA电流表示，满量程采用17～23 mA电流表示，在发送端将TTL电平转换为环路电流信号，在接收端又将环路电流信号转换成TTL电平，实现与第三方设备的通信。
图1 CRH2型动车组典型拓扑
车载网络控制系统的数据流如图2所示，中央控制装置从光纤环网获取全车的数据，进行简单的筛选拼接后，组成长度为252字节的数据结构体，通过电流环通道发送给车地通信装置。由于受数据结构体总长度的限制，部分数据需要牺牲一定的实时性来完成分时发送，各车型的车地通信协议难以统型，没有可供扩展利用的空间。
图2 数据流架构
通信时序如图3所示，SDR为每个通信周期必然发送一次的实时数据（牵引、制动、第三方设备状态等），LDR为根据触发条件发送的数据（故障、累计数据等），SD和LD为车地通信装置根据发送数据类型应答的数据。在没有LDR发送进程时，以200 ms为周期严格执行实时数据通信；在有LDR发送请求时，系统会等待SDR收发完成后再启动LDR的发送进程，此时SDR+SD+LDR+LD的通信时长将超过200 ms，导致下一帧SDR数据延迟发送或覆盖，当LDR请求频繁异常触发时，存在车地通信数据丢失的风险。同时由于LDR进程的更新间隔为30 s，其所包含的故障或状态信息持续时间小于30 s时，将不会被记录，当列车出现故障需借助LDR数据进行诊断分析时，可能会出现非预期的分析结果。
图3 数据通信时序结构流程处理方式
2 数据处理方式优化针对CRH2型动车组数据处理及传输过程中存在的不足，本文提出一种数据处理优化方法，通过ARCNET光纤环网将高速列车各车厢反馈的关键控制指令信息、牵引制动状态数据、输入输出信息、第三方设备信息予以收集和深度重组，将优化后的数据拆分到2个电流环通道中同步传输至车地通信装置，如图4所示。
图4 优化后数据流架构
其中，终端装置负责收集牵引制动数据和第三方设备数据，牵引制动数据通过HDLC协议传输至终端处理单元，空调、轴温等第三方设备数据通过电流环协议传输至终端处理单元。中央装置负责收集输入输出、控制指令和显示状态信息，分别通过硬线、背板总线PBUS和485协议传输。
如果是8编组动车，图中的=8，环网由8个终端和2个中央组成，每隔120 ms轮询一次各节点的数据；如果是16编组动车，图中的=16，环网由16个终端和2个中央组成，每隔200 ms轮询一次各节点的数据；以上形成环网中循环滚动的数据流，头尾车的中央处理单元从环网中获取全网数据，将需地面分析的数据优化结构后分为2组，同时将触发式记录的数据插入第一组的固定区域，最终在数据转送单元中分别通过2个20 mA电流环通道发送至车地通信装置并根据SYN标志位进行数据的拼包处理。
2.1 全车数据重组中央处理单元从光纤环网、硬线IO板卡和RS485接口获取全车的数据，并对所获取的数据进行分类处理，如图5所示。
图5 数据重组关联关系
全车数据收集完毕后，通过协议字段偏移识别，按照控制信息、触发类信息和实时传输信息三种信息的划分标准，对所有数据进行分类整理和发送：
（1）判断控制指令位为有效时，将主控端（司机室钥匙占有端）发送的级位、恒速指令等控制信息透传至第一发送模块。
（2）固定100字节空间用于当前故障、故障记录、累计数据的发送：当前故障是指正在发生的故障，包含故障名、故障码、故障车厢、发生时刻、速度等信息，每200 ms更新一次；故障记录是指已经发生过记录在Flash存储器中的故障履历，仅包含故障名、故障码和故障发生时间；累计数据是指累计运行里程、牵引电力、再生电力等信息，这两部分数据包通过司乘人员点击发送按钮或列车到站时进行一次完整发送。经过优先级判断处理后，送往第一发送模块。
（3）对其余的状态信息和故障信息则进行拆分再组合处理：各车厢的接触器、受电弓、设备隔离等硬线输入输出信息和空转、滑行等牵引制动信息按车厢号依次提取，提取后的数字量数据通过位偏移对应+1车的方法重新排列整合（对应0～7），组成180字节长度的输入输出和牵引制动数据段，送往第一发送模块；各车厢的空调控制温度、运行模式、轴温传感器信息以及其他数据按车厢号提取，提取后的模拟量数据通过字节偏移对应-+1车的方法重新排列整合（代表当前查阅的1车模拟量对应的字节偏移，对应当前查阅的模拟量字节偏移），组成280字节长度的空调信息、轴温信息和其他信息数据段，送往第二发送模块。
各数据块发送参数如表1所示，车型为8编组时，全车的部分数据按（3）处理后同时发往1车和8车车地通信装置；车型为16编组时，1～8车的部分数据按（3）处理后发往1车车地通信装置，9～16车的部分数据按（3）处理后发往16车车地通信装置，16车车地通信装置截获数据后按车厢号加8处理，发送数据保持协议映射关系，与8编组车型通信协议格式一致。
表1 各数据块发送参数
通过数据重组和双通道传输，扩容数据量为原来的2.3倍并平均分配至两个电流环通道，状态数据排序符合标准的批处理逻辑，便于故障点的解析和诊断。
2.2 触发型数据优化本文提出一种触发型数据优化方法，取消原SDR数据后追加发送的LDR数据，改为在固定区域段根据触发条件发送故障记录和累计数据，空闲时间发送当前故障（以200 ms为周期）。优化后的数据通信时序如图6所示，数据帧由02H（16进制，下同）开头，正文标识固定为22H，03H结尾，最后接2字节的BCC校验码。传输数据实际内容由LDR和SDR组成，LD表示车地通信装置发送给网络控制系统的触发数据请求。
图6 优化后触发型数据通信时序
触发型数据发送时序存在两种处理进程，分别为当前故障请求和司乘按键触发：
（1）不存在故障记录或累计数据发送进程，且LD送达的数据类别标识为31H时，LDR数据块固定填入当前正在发生的故障信息，每3个字节表示1个故障，前2个字节代表故障BCD码，第3个字节代表故障发生车厢；在触发类数据发送过程中，如果发送间隔大于400 ms，网络控制系统转发处理模块将利用空闲时间发送当前故障。
（2）中央处理单元接收到司乘按钮或列车到达终点站的触发条件后，立即对整车的故障记录和累计数据进行拆分处理，以数据块为单位进行传输，并将此类数据优先级提升至最高。按照每个传输块100字节进行划分，通过数据类别标识每个传输块的数据内容，其中01H～14H代表1车～16车各中央或终端设备的故障数据，41H代表累计数据，41H类别数据帧发送完毕，即表示当前请求的数据发送完毕，继续根据LD触发31H请求当前故障发送时序。
对触发型数据的发送方法和发送优先级进行优化，将原来较长周期的消息故障数据转变为实时更新的当前故障过程数据，通过数据类别编号区分数据包的实际内容，保证当前故障传输的实时性和完整性，同时故障记录和累计数据通过LDR固定区域优先级处理，不再占用额外的通信时间，确保了通信时序严格按照200 ms的周期执行，减少了数据帧丢失的风险，提升了系统数据的传输稳定性。
2.3 当前故障合并排序如图7所示，为了保证快速、准确地解析当前故障表内容，对故障数据进行合并排序处理。中央控制装置通过光纤环网轮询动车组上各个局的故障数据，获取各局故障对应字节偏移信息，从包含有1 000条故障的总列表中筛选出触发上升沿的故障。当某个故障已经被触发且持续有效时，将该故障对应的车厢号写入故障发生车厢数组变量，同时将故障发生优先级也同步写入优先级数组变量。最后通过合并排序算法，以最少的系统循环次数完成故障优先级从大到小的排序整理。这样做的优点在于增加故障发生车厢数组变量，绑定对应发生车厢比特位，减少数据重复解析负荷。增加优先级数组变量，使得每一个故障有其唯一对应的故障优先级代码，基于后进置顶的原则，采用合并排序的方法填充当前故障表，通过第一发送模块的LDR数据区域发送至车地通信装置记录，最终根据网络控制系统时间戳下载对应的当前故障表数据，即可查阅任意时刻的故障信息，便于地面运行维护系统对影响列车正常运行的故障进行及时的逻辑分析和应急处理，保障列车的安全稳定运营。
图7 当前故障数据处理
3 应用效果测试验证为验证数据处理优化后的发送接收时序，利用示波器抓取链路层的数据收发电平波形：图8为现有车载网络数据收发时序，只有SDR数据发送和应答时，通信周期为200 ms；如果本帧数据触发了LDR发送逻辑，在SDR数据应答结束后，将增加额外的LDR发送和应答时间，导致本轮的通信周期延长为235 ms（光标差值ΔX），不再遵循标准的电流环通信时序，影响后续帧数据的收发，造成频繁丢包。图9为优化后的数据收发时序，将LDR融入SDR数据中，整体收发周期严格控制在200 ms内，确保了通信时序的稳定和关键数据的按时送达，验证了本优化方法的有效性。
图8 现有车地通信时序波形
图9 优化后通信时序波形
4 结 论本文通过分析CRH2型动车组网络控制系统数据流，设计了一种轨道车辆的通信数据处理方法，有效扩充了列车信息的传输量，优化了传输信息的数据结构，规范了触发型数据发送规则，消除原通信方式在发送时序和发送长度上的不确定性，有效保障了列车状态分析所需信息的完整性，弥补了CRH2型动车组故障分析的短板。
