智能化检修维护服务系统车载终端研究

摘要

随着我国轨道交通建设的不断发展，客运量的剧增，行车安全问题日益严峻。目前车辆设备信息的采集方式为列车停运入库后，采用手持式转储设备完成下载，无法实时掌握车辆运行状况，势必造成安全隐患。本文在对地铁列车运行中的过程数据与消息数据进行研究与分析的基础上，提出并实现了一种智能化检修维护服务系统的车载终端设计方案。该终端应用于列车通信网络中，收集列车运行过程中的网络数据，实时向地面系统发送车辆运行中各关键子系统与设备的状态数据，并利用4G通信带宽高的传输特点，提供关键设备的实时监控图像，作为地面系统进行故障诊断的依据。本文主要工作及成果包括以下方面:
　　根据功能期望对车载终端总体方案进行设计。针对TCN的通信特点，确定终端参与列车通信的方式。为确保系统运行的可靠性，设计车载终端的冗余拓扑。就TCN过程数据与消息数据的格式与内容进行详细梳理，归纳整理列车子系统与设备的状态信息及故障类型与内容，设计有效的信息发送格式。
　　针对列车运行环境的特点，同时考虑车载终端的可靠性与可扩展性，选用S5PV210 ARM作为车载终端嵌入式CPU。硬件板卡参考列车通信网络设备电气标准设计，着重考虑其运行的安全性、抗干扰性及接口的完备性。
　　设计并实现嵌入式车载终端的软件系统，包括构建车载嵌入式系统平台、开发终端应用软件两部分。首先根据终端功能及硬件接口设计，对boot-loader、linux内核及文件系统进行裁剪，减小嵌入式操作系统体积，提高车载终端实时性能。其次将终端应用软件划分为功能模块，分别实现基于4G信号的车地通信、列车运行信息采集传输、关键设备实景采集传输以及故障报警短信发送。
　　本文最后搭建了测试平台，对车载终端功能的完整性以及实时性能进行了测试，并对所做工作进行了总结。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 检修维护服务系统现状

1．2．2 列车运行信息采集

1．2．3 车内关键设备实时景象采集

1．2．4 车地无线通信

1．3 主要研究内容与章节安排

1．3．1 主要研究工作

1．3．2 论文章节安排

2 总体方案设计

2．1 智能化检修维护服务系统结构

2．2 车载终端的功能分析

2．3 车载终端整体设计

2．3．1 冗余结构设计的网络拓扑

2．3．2 列车运行信息采集流程

2．3．3 设备状态监控信息整理

2．3．4 故障信息内容及故障记录

2．4 系统结构与工作流程

2．5 本章小结

3 车载终端的硬件设计与实现

3．1 车载终端硬件总体方案

3．1．1 嵌入式处理器选型

3．1．2 车载终端硬件总体结构

3．2 接口板内部模块设计

3．2．1 电源模块

3．2．2 终端硬件故障报警模块

3．3 通信接口设计

3．3．1 基于以太网的车地通信接口

3．3．2 报警短信串行发送接口

3．3．3 车内设备景象采集接口

3．4 PCB图绘制

3．5 本章小结

4 车载终端嵌入式平台搭建

4．1 适应车载环境的嵌入式系统选择

4．2 宿主机开发环境搭建

4．2．1 宿主机平台选择

4．2．2 建立交叉编译环境

4．3 车载环境嵌入式Linux系统裁剪

4．3．1 boot-loader配置与移植

4．3．2 linux内核裁剪与移植

4．3．3 文件系统映像的制作

4．3．4 裁剪结果分析

4．4 本章小结

5 车载终端软件设计与实现

5．1 基于4G无线网络的车地通信

5．1．1 通信架构的选择

5．1．2 优化服务器响应方式

5．1．3 通信服务器的实现

5．1．4 多线程通信客户端设计

5．2 列车运行信息的采集

5．2．1 使用定时器与信号机制的周期性采集

5．2．2 列车运行信息数据结构设计

5．2．3 数据打包协议

5．3 关键设备实时景象采集

5．3．1 V4L2图像捕获功能实现

5．3．2 实时景象信息的传输

5．4 故障报警短信发送

5．4．1 GPRS DTU模块选型及参数配置

5．4．2 UTF-8与UTF-16编码格式转换

5．4．3 故障报警短信发送协议及流程

5．5 本章小结

6 实验测试与验证

6．1 测试平台搭建

6．2 车载终端功能完整性测试

6．3 车地通信实时性能测试

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 创新与展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集