动车组检修信息通讯终端系统的设计与实现

王忠凯　　吕　　飞　　陈　彦

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

动车组检修信息通讯终端系统的设计与实现

王忠凯吕飞陈彦

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

本文依托既有的动车组管理信息系统，设计实现一种嵌入式检修信息通讯终端系统，实时与检修员手机进行各类检修数据交换。该系统基于ARM处理器的硬件平台和嵌入式Linux操作系统，移植了蓝牙协议栈，实现了检修计划通讯、实时故障传达，、检修进度通告等功能。试点实践表明，该终端系统能够实时传达各类检修信息给检修员，提高了检修效率，且成本低，实施方便，具有在全路动车所推广的前景。

动车组检修管理信息系统嵌入式蓝牙

随着高铁网络逐步建成，我国CRH系列动车组开行数量不断增加。目前，全路服役动车组已超过1800列。每天超过1000列动车组担当客运任务，900余列动车组需要在检修单位进行检修。动车组在检修过程中，由于检修库区大，检修流程复杂，修时有限，检修单位的工作压力日益增加。因此，有效的检修信息实时通讯对提高检修效率，保证检修质量具有重要的作用。

动 车 组 管 理 信 息 系 统 （ElectricMultipleUnits Management Information System）是支撑动车组运行检修的全面信息化平台，对保障动车组的检修质量和安全运行具有重要意义［1］。本文依托该系统，设计实现小型检修信息实时通讯终端。终端系统采用基于ARM微处理器的小型嵌入式硬件平台，具有成本低、易于部署等特点；软件平台采用嵌入式Linux，与检修员手机的通讯软件平台采用蓝牙协议；终端系统部署在检修库内，实时与检修员手机以图片和文本方式进行信息交换，促进动车组检修作业效率的提高。

图1动车组检修过程

1需求分析

1.1动车组检修过程

动车组常规的检修过程包括有电预检、无电检修、有电检修三个过程环节。在整个检修过程中，检修人员需在库内往返，围绕动车组完成全部检修项目的检查、测量及修理工作。检修过程中遇到故障情况，需要及时处理，如果不具备处理条件，需要通知相关技术人员到位进行处理。检修过程中，检修员需要将检修情况上报到动车组管理信息系统。检修工长在整个检修过程中负责协调指挥工作，同时也是信息的集散地，掌握检修进程的变化。动车组检修完成后，需要质量检测人员对动车组状态进行确认。检修流程如图1所示。

1.2终端系统的设计原则

动车组检修终端系统具备良好的实时性、操作方便、易于携带，但是其计算、存储能力有限。结合动车组检修过程操作繁忙、作业标准化等特点，设计时应把握以下原则［2］：

（1）嵌入式终端资源有限，其操作流程应力求简化；

（2）终端应减少维护人员的操作，易于使用；

（3）系统应易于扩展，模块之间低耦合；

（4）符合动车组管理信息系统的设计规范，实现与该系统的信息共享；

（5）通过权限配置、口令设置等来实现对系统严格的安全控制；

（6）移动终端软硬件应易于裁剪，以应对不同动车所的业务需求变更。

1.3终端系统功能需求

结合动车组的一级检修过程，梳理检修终端系统的需求。

（1）故障上报。检修人员发现故障后，可以通过手机对故障部位进行拍照。终端系统需要通过快捷方式将故障上报到动车组管理信息系统，并通知其他检修员。

（2）故障发布。信息系统在收到故障上报后，应该把故障信息及时更新到所有终端机；特定检修人员可以在移动终端上看到更新信息，及时处理故障。

（3）检修计划发布。调度系统、作业系统下发的任务除以报表等书面形式下达外，还可以通过终端机直接发送到相关人员的手持终端。在临时检修计划变更的情况下，调度计划、作业计划需及时同步到终端系统。

（4）个人检修任务获取。终端系统可以自动识别出经过的检修员手机，并将检修员的检修任务发送到检修员手机。

（5）动车组检修进度发布。检修人员可以通过终端机及时了解检修进程，确认下一步的检修任务。检修工长需在供电、断电、联检等阶段，根据进程下达人员调度命令，或是根据检修情况更新任务。

（6）检修工艺下载。移动终端需要支持检修人员随时从系统中下载任务指导书，需要具备图片、文档等显示功能。同时，要具备查询界面，用于搜索故障处理方法等信息。

2总体设计

2.1终端系统总体架构

针对检修信息终端系统的需求，设计系统总体架构如图2所示。

图2总体架构图

动车组管理信息系统为终端系统提供基础数据、检修计划、动车组检修进度等信息，并为多台终端系统之间提供数据共享中间件。

检修信息通讯终端系统架构包括：

第一，以ARM处理器为基础的嵌入式系统，提供蓝牙通讯硬件、CF存储卡、网络接口、USB接口、液晶显示器等设备；

第二，基础软件平台主要是移植嵌入式Linux系统，裁剪、移植、配置常用的中间服务软件。本文中，将移植蓝牙协议栈作为与检修员手机的通讯中间件，SQLite为终端，提供数据缓存服务；

第三，上层应用程序包括：服务管理工具集汇总蓝牙服务和SQLite服务工具，以方便系统维护；动车组检修终端管理程序为基于Linux开发的图形界面应用程序，实现了终端系统的主要应用功能；监控程序用于实时监测终端系统的运行状态，并与动车组管理信息系统通讯。

2.2终端系统部署方式

终端系统在动车组检修库内的部署情况如图3所示。

动车组检修信息终端系统部署在每条动车组检修股道两侧。当动车组检修员途径终端系统时，系统自动连接检修员的手机，进行检修信息的实时通讯。

图3系统部署图

3搭建目标软件平台

3.1嵌入式Linux的移植

为适应不同需求，必须根据目标板对Linux内核进行配置，保留系统需要的功能，去掉不必要的部分，使操作系统以最简、最优化的状态运行［3-4］。

本文的Linux配置编译过程如下：

（1）解压uClinux源码包；

（2）打入目标硬件平台的移植补丁；

（3）Linux内核配置，Linux的配置过程要通过make工具实现。具体有三种配置方式：第一种方式是基于命令行的问答方式；第二种是通过执行make menuconfig命令，实现菜单方式配置内核；第三种方式则要执行make xconfig命令，启动配置图形界面。

（4）建立依赖关系、编译内核，可生成最终在移动手持终端上运行的可执行代码。

3.2蓝牙协议栈

蓝牙的通信协议也采用分层结构。层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备，从而构成微微网（piconet）或分散网（scatternet），实现系统提供的各种功能，使用十分方便。图4为蓝牙协议栈。

图4蓝牙协议栈

Bluetooth radio是蓝牙设备中负责传送和接收调制无线电信号的收发器［5］。

Baseband（基带）即蓝牙的物理层，负责管理物理信道和链路，但不包括错误纠正、数据处理、跳频选择和蓝牙安全等业务。

ACL即在物理信道上传输数据的异步无连接（Asynchronous Connection-Less）物理链路。ACL链路在主单元（Master）和所有其他从单元（Slave）之间提供分组交换连接。

SCO即同步连接（Synchronous Connection-Oriented）物理链路，主要用于语音通信之类的信息传输。SCO是主单元和指定从单元之间点对点的对称链路。

L2CAP即逻辑链路控制和适应层协议（Logical Link Control and Adaptation Layer protocol）。它位于数据链路层，向上层协议提供复用、分段、重组和组抽象等无连接和面向连接的数据服务。L2CAP允许高层协议和应用程序收发长度最高可达64kb的L2CAP数据包。

SDP即服务发现协议（Service Discovery Protocol），应用程序使用该协议找出哪些服务可用，并确定这些可用服务的特性。

串口仿真协议（RFCOMM）是一种简单传输协议，可在L2CAP上仿真 RS-232（EIATIA-232-E） 串 口电路。RFCOMM协议支持两台蓝牙设备之间多达60个并发连接。

TCP（传输控制协议：Transmission Control Protocol）在网络层采用IP协议情况下，在传输层建立不同设备之间的可靠连接。

IP协议提供协议复用和基于IP地址的连接。

3.3蓝牙协议栈的移植

（1）编译Linux内核时增加蓝牙支持。在Linux内核中打上蓝牙补丁，加入蓝牙协议的支持，添加USB蓝牙适配器的驱动。

（2）编译蓝牙协议栈。编译蓝牙的库协议栈和工具。从 网 上 下 载bluez2libs、bluez2utils和dbus库 ，用arm-linux-gcc完成交叉编译，得到 ARM版的 bluez库、bluez的工具和dbus2daemon工具。

（3）编译蓝牙工具。启动USB蓝牙适配器。要使USB蓝牙适配器正常工作，需要用到上一步编译得到的dbus2daemon工具和一些蓝牙工具（如hciconfig、hcid等）。dbus是一个消息传递系统，应用程序间可通过它来相互传递消息。dbus2daemon是一个守护进程，是运行hcid所必需的进程。hcid用来读入hcid.conf文件。该文件是蓝牙设备的一个配置文件，在该配置文件中设置好蓝牙设备的类型、classid、配对码、设备是否可被搜索等其他属性。

（4）移植OBEX协议。采用OBEX协议的客户/服务器模式来进行终端和检修员手机的文件传递，需要用到蓝牙的ObjectPUSH服务。首先，用sdptool工具搜索到蓝牙手机的MAC地址以及ObjectPUSH服务所占用的频道，然后用 rfcomm工具将该频道绑定到虚拟串口，最后运行obex_test完成文件的传输。

4动车组检修信息通讯终端系统

检修信息通讯终端的详细功能如图5所示。

图5系统功能

4.1故障接收功能

根据动车组管理信息系统中的检修安排，部署在具体股道两侧的终端系统明确具体时间该股道上进行检修的动车组。在此前提下，检修员发现动车组故障时，可以使用手机对故障部位进行拍照，并通过终端系统将故障照片上传到动车组管理信息系统。动车组管理信息系统则将故障同步到其他终端系统。功能实现流程如图6所示。

图6故障接收

4.2故障发布功能

当检修员经过终端系统时，系统自动与检修员手机进行蓝牙配对。如果终端系统的发送队列中存在新的故障信息，则终端系统将故障图片自动推送到检修员手机，同时发出滴滴蜂鸣声，提示检修员。功能流程如图7所示。

图7故障发布

4.3动车组检修计划发布

动车组调度员会在动车组管理信息系统中制定每日的检修工作内容，体现为具体的检修计划。该计划说明动车组在具体时间完成的检修项目。调度员制定计划后，动车组管理信息系统自动将计划发送到终端系统。当检修员经过终端系统时，可以操作终端系统的图形界面，查看检修计划，也可以选择将该计划发布到手机，功能如图8所示。

图8计划发布

4.4个人检修任务获取

调度员在制定检修计划时，会指明具体的检修任务由哪个检修班组完成。系统提前将检修员的手机标识写入动车组管理信息系统。因此，当检修员经过终端系统时，系统对检修员手机进行标识信息匹配。如果发现对应股道上的动车组应该由当前检修员完成，系统将自动推送检修任务到检修员手机。

4.5动车组检修进度发布

终端系统会将实时采集到的动车组检修进度信息汇总，生成图片，并发送到终端系统。终端系统用最新的检修进度图片更新数据队列，待检修员经过时，自动发布该图片，以供检修员了解检修库内的整体检修情况。

4.6检修工艺下载

在终端系统SQLite和本地文件系统中保存动车组的检修工艺指导书目录和具体的工艺指导书内容。如果检修员不了解某项检修项目的详细规范时，可以操作终端系统图形界面，选择并下载该项目的工艺指导书，辅助检修。

4.7消息队列管理

消息队列管理程序一方面与动车组管理信息系统通讯，另一方面管理蓝牙模块，负责与检修员手机通讯。主要功能有：封装蓝牙OBEX协议，并为应用程序提供服务；维护与检修员手机之间的数据队列，其中发送队列中记录了动车组管理信息系统发送来的数据（包括图片、文本、调度员的口头指示等），接收队列中记录了检修员手机上传的各类数据；将消息队列的发送与接收记录到本地SQLite，作为运行日志。

4.8终端自检

终端自检进程实时监控应用程序和消息队列管理程序的运行状态。主要监控内容为：监控应用程序和消息队列管理程序是否处于正常运行状态，如果应用程序崩溃，自动将其重启；监控SQLite的关键业务表数据日志，如果发生异常数据日志，通知消息队列进行相应处理；监控本地存储器使用情况，如果存储数据量过大，给出报警提示。

4.9蓝牙和SQlite工具集

蓝牙和SQlite工具集用于支撑蓝牙通讯和SQlite数据库功能，同时也是系统维护人员调试维护终端系统的主要接口程序。工具集主要包括 HCID、HCICONFIG、HCIDUMP、HCIATTACH、HCITOOL、sdptool、sdpd、sobexsrv、RFCOMM等。

5结语

动车组的检修量日益增大，而有效的信息通讯会积极促进检修效率的提高。本文移植Linux系统到基于ARM处理器的硬件平台，并移植BlueZ协议栈和嵌入式数据库SQLite，设计实现了采用蓝牙通讯的动车组检修信息通讯终端系统。系统部署在动车所的检修股道两侧，依托动车组管理信息系统业务支持，实时与检修员手机通过蓝牙进行检修信息通讯，为检修员实时了解动车组检修动态提供数据，提高了检修员的工作效率。

［1］铁道部.动车组管理信息系统总体方案［Z］.北京：中国铁道科学研究院，2009.

［2］王忠凯，史天运，张惟皎.动车组管理信息系统便携式移动终端的设计与实现［J］.铁路计算机应用，2012，（3）：67-71.

［3］田泽.嵌入式系统开发与应用教程［M］.北京：航空航天大学出版社，2005.

［4］马昕炜.Linux服务器配置手册［M］.北京：科学出版社，2005.

［5］马建仓.蓝牙核心技术及应用［M］.北京：科学出版社，2003.

Design and Development of EMU Repair Information Terminal System

WANG Zhongkai，LV Fei，CHEN Yan
（Institute of Computing Technologies，Chinese Academy of Railway Sciences，Beijing 100081）

With the development of China Railway High-speed，the repair workload of Electric Multiple Units is increasing greatly.The effective information communication during the EMU repair period can contribute a lot to the repair efficiency.Based on the Electric Multiple Units Management Information System（EMU-MIS），this paper designed and developed an embedded repair information publishing system to realize the real time data communication among repair stuffs.The system was based on the ARM processor and the embedded Linux，adopted the transplanted BlueZ as middle ware，and implemented the functions of repair plan issue，EMU faults transmit，and repair process publishing.Thepracticeprovedthatthesystemcouldplayan constructive role for the repair of EMU and has prospect for extension to other depots.

EMURepair，ManagementSystem，Embedded，Bluetooth

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015J006-B）；中国铁道科学研究院电子计算技术研究所基金项目（DZYF16-02）。