2023年11月29日发(作者：)

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

中国机车远程监测与诊断系统

（CMD系统）车载子系统

张大勇，熊昱凯

12

（1. 中国铁路总公司 运输局，北京 100844；2. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

摘 要：中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统是CMD系统的重要组成部分，担

负着对机车车载应用数据进行采集、处理和传输的功能，是未来构建机车大数据不可或缺的一个环

节。对CMD系统车载子系统的系统构成、设计原理、功能实现、关键技术、应用状况等进行阐述，

并对其应用前景进行展望。

关键词：机车；CMD系统；远程监测；诊断；数据采集

中图分类号：文献标识码：文章编号：

U26；TP277 A 1001-683X（2017）03-0016-07

ＤＯＩ：

10.19549/.1001-683x.2017.03.016

0 引言

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）是铁路

机务信息系统的核心子系统，其整合机车LKJ、TCMS、

6A等运行记录信息及故障信息，实现车对地、地对车

的数据采集处理传输，为中国铁路总公司（简称总公

司）、铁路局、机务段/检修段、机车制造及修理厂提

供机车定位、实时状态数据监测、实时故障报警、远程

诊断、视频点播、统计分析、机车车载电子履历管理、

专家支持系统、信息共享和功能接口等功能。CMD系统

由车载子系统、数据传输子系统和地面综合应用子系统

组成，其采用先进的车载信息技术、通信技术和计算机

第一作者：张大勇（1966—），男，中国铁路总公司运输局机务

部副主任。

通信作者：熊昱凯（1989—），男，工程师，硕士。

E-mail：******************

技术，将实时和历史车载信息数据传至地面，并对这些

数据进行综合处理应用

[1]

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

障、事件数据下发，能满足用户对在途机车故障远程

处理支持及整备检修数据支持的要求；机车定位信息

的获取与下发，能满足用户对机车实时动态跟踪及机

车救援的要求；断电无火数据回送，能满足用户对24 h

机车数据不间断下发的要求；WLAN连接与WLAN环境

下的文件下载，能满足用户自动文件转储的要求等。

（2）功能实现上，车载子系统应具备以下功能模

块与接口：

①标准数据采集接口，包括以太网、HDLC、

RS485/RS422等通信接口；

②高安全、高可靠性的存储介质；

③3G/4G、WLAN模块实现车地互联互通；

④BD/GPS模块实现机车实时定位，并与北斗短报

文通信；

⑤中央信息处理模块实现车载数据的采集、分

类、分发、记录等功能；

⑥人机交互接口以便相应故障诊断。

（3）环境适应上，应充分考虑将要面对的高低

温、会受到的冲击与振动力度及风、沙、雨、雪等天

气的侵袭，重点研究其在以上环境中的硬件可靠性、

功能完整性，以提高车载子系统的运行稳定性，延长

装置整体寿命。

综合以上需求，车载子系统设计由车载综合信

息监测装置（LDP）、北斗卫星导航系统通信天线、

WLAN/3G/定位天线及配套线缆组成，综合信息监测装

置提供上述的功能模块与接口，北斗卫星导航系统通

信天线与WLAN/3G/定位天线实现车地互联互通。

2 系统构架与关键技术特点

2.1 系统构架

整个CMD系统拓扑结构见图1。

机车动态信息源

LKJ

信息

授时

数

据

处

理

车载子系统

视频信息

机车监测信息

6A

TCMS

LKJ

……

BD/GPS

机车状态信息

机车安全信息

线路号、

公里标等

经纬度

数据

存储

数据记

录（含

机车履

历）

视频信息

数据

采集

车

载

数

据

传

输

数

据

传

输

子

系

统

定位

地

面

综

合

应

用

子

系

统

图1 CMD系统拓扑结构

车载子系统是CMD系统的数据源，负责机车动态

信息的采集、处理与传输，对CMD系统的运行起着强

大的数据支撑作用。车载子系统拓扑结构见图2。

北斗通信天线WLAN/3G/定位天线

电

源

板

供电

BD/

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线缆，LDP对机车信息数据进行采集、综合处理，再通

过配套天线将数据传输到数据传输子系统。

点，LDP采用设备编码、数据格式标准化及其统一编码

的方式解决此问题。例如，设备上：0x0D编码LDP、

0x30编码TCMS、0x60与0x61编码6A主机；信息类别

上：0x01编码实时数据、0x02编码故障数据、0x03编

码事件数据等。LDP对不同编码信息采用不同传输策

略，以满足地面各类信息的需求。

2.2 LDP

为方便安装、卸载，LDP采用插箱式解决方案，

机箱为标准5U，插件为标准4U，各插件间的通信与供

电通过机箱背板总线实现。机箱对外接口均布置在前

面板，即各单板前面板，以减少内部走线，同时提高

装置的可维护性。各单板在功能独立的基础上协同工

作，实现装置的综合应用功能。

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

通过3G、北斗通道发送给CMD系统数据传输子系统，

以支持地面一系列工作的进行。LDP内部处理机制是车

载子系统功能实现的关键。

根据数据源设备的工作性质及自身处理能力，各

类数据的采集密度有所区分，6A数据以1s为周期、

TCMS为250 ms、TAX为50 ms，对地面信息的采集采用

实时监控策略，以提高对地面需求的响应速度。

车载子系统

北斗通信天线WLAN/3G/定位天线

机车状态、

故障、事件

等数据

地面点播、

响应等信息

3.3 数据传输机制

数据传输

子系统

数据传输包括LDP对其他车载设备及LDP对地面

的数据传输，LDP对其他车载设备主要是授时信息的

分发，即LDP将LKJ信息分发给6A与TCMS，以实现车

载设备统一授时。LDP对地面传输的数据包括：实时

数据、历史数据、故障数据、事件数据、车载自检数

北斗3G

通道通道

数据数据

LDP

授授

时时

信信

息息

TCMS

数据

采集

6A

数据

采集

LKJ

数据

采集

据等。不同数据类型根据需求不同采用不同的传输策

略，各类数据的传输策略见表1。

表1 数据传输策略表

信息类别传输策略

固定短周期发送（1 s）授时信息（车载）

短周期发送（10～120 s），

周期随速度切换，切换方式可点播

点播机制发送历史数据

触发式发送、网络异常延时发送故障、事件数据

固定长周期发送（30 min）车载自检信息

TCMS6ALKJ

图3 车载子系统工作原理

实时数据

3.2 数据采集机制

数据采集分为6A数据采集、LKJ数据采集、地面信

息采集、TCMS数据采集。6A数据及地面信息通过以太

网通信采集；LKJ数据采集分为2种：通过RS485串口从

TAX箱采集或通过以太网从TSC采集；TCMS数据采集

根据机车构造也分2种方式：通过以太网采集或RS485

串口通信采集。为对数据进行有效识别与获取，数据

采集时还需建立设备间的数据交互协议及相应的传输

策略，因此数据采集分为底层数据接收及上层数据格

式化，整个数据采集过程见图4。

可见，授时信息采用固定短周期发送策略，以

满足各车载设备时钟一致性需求；实时数据采用短周

期发送机制，考虑机车速度越快状态变化越快，为达

到实时监测目的，实时数据的发送速度需要加快，因

此发送频率采用随机车速度自动切换的策略，在一定

速度范围内，频率固定不变，超过一定速度后，频

率增加，具体切换方式根据机车配置决定，此配置设

上层数据格式化

数据分类数据重组

为可由地面点播更改；故障与事件数据由于重要程度

较高，采用触发式发送策略，即故障、事件发生时立

即将故障、事件信息发送到地面，由于故障发生时车

载无线网络可能异常，为避免故障、事件信息发送失

败，在无线网络异常时采用延时发送策略，待无线网

络正常后发送；车载自检信息由于重要程度较低，采

用长周期发送策略；历史数据根据地面的需要来发

送，采用点播触发的机制。

协议解析

3.4.1 防护记录器数据记录

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

防护记录器数据记录目的在于当机车发生严重

事故时能追溯到事故发生前一段时间的机车状态变

化，因此防护记录器需记录机车状态信息数据及视频

信息数据。为保证数据的完整性，机车状态信息数据

记录周期与数据的采集周期一致，并以源数据形式记

录。由于视频数据量较大，视频数据只记录机车占

用端司机室、占用端机械间、占用端前方路况的视

频，并以一个通道15 min生成一个视频数据文件的方

式记录。为避免存储空间用完影响数据记录，视频数

据记录与状态信息数据记录采用固定最大文件数的方

式循环覆盖，即达到文件最大数目后删除老文件再创

建新文件。为方便管理，视频数据与状态信息数据分

开存储，同时均与系统软件分开，三者按211的

︰︰

比例分配空间。

命令

解析

数据

查找

车载软件地面软件

历史数据点播命令

无数据

发送无数据信息报文

有数据

发送开始信息报文

发送历史数据报文并以5 s为周期

发送“发送中”状态报文

发送结束信息报文

图5 历史数据点播交互过程

3.5.2 视频点播

视频点播同样以UDP通信方式实现，LDP作为UDP

客户端，地面视频/文件服务器作为UDP服务器，LDP

接收到地面视频点播命令后，调用封装好的视频取流

库从6A视频插件获取视频数据，再转发给地面，车地

间采用心跳机制建立连接、报文响应机制实现视频点

播控制命令与视频流数据传输，同时以优先级机制控

制实时视频点播与历史视频点播的响应顺序。视频点

播交互过程见图6。

AV3板车载软件地面视频服务器

车载心跳

视频点播命令

应答信息

视频服务器心跳

视频数据请求

3.4.2 主处理器本地数据记录

主处理器本地数据记录是机车日常运用数据的

转储及地面对机车特定时间内历史数据点播的需要，

为方便记录文件及数据内容的查找，主处理器数据记

录按固定规律生成文件并按固定格式命名文件夹与文

件，如采用每天生成一个文件夹、每小时生成一个记

录文件，各类数据按照统一的格式封装存放在记录

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

录文件、机车电子履历文件、各车载设备软件升级文

件等。文件转储分两步实现，首先是LDP与各车载设备

间的文件转储，其次是LDP与地面WLAN服务器间的文

件转储。

3.6.2 LDP与地面文件转储

LDP与地面WLAN服务器间的文件转储采用FTP方

式，LDP作为FTP客户端，地面WLAN主机作为FTP服

务器，整个过程中LDP与地面WLAN服务器通过UDP通

信保持连接。

文件下载时，LDP从源设备获取文件，并向地面发

送文件“准备中”状态；文件准备完成后，开始FTP操

作，上传文件到转储服务器，并发送文件“下载中”

状态；FTP操作完成后，LDP发送转储完成报文到地面

转储服务器，表示转储动作完成。

文件上传时，转储服务器向LDP发送文件上传命

令；LDP收到文件上传命令后，向转储服务器发送文件

上传应答报文；开始进行FTP操作，从转储服务器下载

文件，并向转储服务器发送“上传中”状态；FTP操作

完成后，LDP发送转储完成报文通知地面服务器。

3.6.1 LDP与车载设备文件转储

不同设备源的文件转储方式不同，6A、TCMS采用

FTP文件转储方式。6A文件转储时，6A主机作为FTP客

户端，LDP作为FTP服务器；TCMS文件转储时，LDP作

为FTP客户端，TCMS作为FTP服务器。使用FTP协议进

行文件转储的同时使用UDP协议进行控制，即UDP协议

传输控制命令，FTP协议传输文件数据，以实现文件的

可靠安全传输

[7]

。走行部（AT1）文件转储采用TCP协

议，具体采用同步TCP方式，即控制命令与文件数据按

照一定顺序进行交互，若某一步失败即代表整个过程

失败。

LDP与6A、TCMS及AT1的数据交互过程见图7、图8。

6ALDPTCMS

发送文件转储请求命令

文件下载文件下载

查找数据过程文件

采用FTP方式将文件上传至LDP

以1 s为周期发送文件上传进度

发送文件转储开始信息

采用FTP方式从TCMS存储目录获取记录文件

以1 s为周期发送文件下载进度

文件上传

采用FTP方式将文件上传至TCMS指定目录

以1 s为周期发送文件上传进度

发送文件转储结束信息

3.7 数据安全机制

为保证数据交互过程的完整性、安全性与保密

性，LDP在数据接收与发送中均采用数据校验算法，

包括累加和校验、CRC32校验等，同时根据需要采用

AES加密技术对传输数据进行加密。AES是一种对称密

码算法，对称密码算法根据对明文消息加密方式的不

同可分为两大类，即分组密码方式和流密码方式，AES

属于分组密码加密方式，其输入分组、输出分组及加

解密过程中的中间分组均为128 bit，密钥长度可选用

128 bit、196 bit或256 bit

[8]

，AES算法过程见图9。

考虑到功能模块的标准化与统一化，后续LDP对数

文件上传

采用FTP方式从LDP下载文件

以1 s为周期发送文件上传进度

图7 LDP与6A、TCMS数据交互过程

中国机车远程监测与诊断系统（CMD系统）车载子系统 张大勇 等

128 bit明文

轮密钥加运算

字节替换

行移位

列混合

轮密钥加运算

朝着实现更深层次应用功能的方向发展，LDP采集能力

将会进一步增强，车地数据传输带宽也会得到进一步

提升，同时车载子系统作为车载设备统一服务平台、

旅客商业服务平台也将成为可能。

1～9轮

循环

参考文献

[1] TJ/JW 023—2014 中国机车远程监测与诊断系统

（CMD系统）总体暂行技术规范[S]．

[2] 中华人民共和国铁道部．铁路信息化总体规划[S]，

2004．

测绘学报，2015(11)：1 297．

及应用发展[J]．中国铁路，2013(4)：1-3．

讨[J]．中国铁路，2013(4)：4-7．

中国铁路，2013(4)：8-11．

系统的设计[J]．电源技术，2013(9)：1 682-1 683．

信息安全中的应用[J]．信息网络安全，2011(5)：

31-33．

字节替换

行移位

轮密钥加运算

128 bit密文

[3] 李金龙．北斗/GPS多频实时精密定位理论与算法[J].

[4] 赵康宁，赵勇．面向信息融合的北斗卫星导航系统

[5] 于天泽．北斗卫星导航定位技术在我国铁路应用探

[6] 王亚民．北斗卫星导航系统在铁路同步网的应用[J].

[7] 王利霞，康洪波．基于TCP/IP协议的通信电源监控

[8] 张金辉，郭晓彪，符鑫．AES加密算法分析及其在

图9 AES加密算法过程

件转储等。为CMD系统的进一步建设打下了坚实基础。

5 结论与展望

CMD系统车载子系统以总公司发布的《机务信

息化总体规划》为参考依据，结合国内外铁路行业应

用需求，建立统一的车载信息系统平台。车载信息系

统平台采用标准化硬件设计，具有高可靠性、高兼容

性，既能保证在不同构造机车上安装使用，又能方便

日后功能扩展，同时技术先进，数据采集与处理机制

优越，能有效支撑CMD系统建设的功能需求。

随着CMD系统建设的进一步推进，车载子系统将

责任编辑

高红义

收稿日期 2016-12-16

Zhang Dayong

12

，

XIOng Yukai

（，，，；

1. Transportation BureauChina RailwayBeijing 100844China

2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co ltdZhuzhou hunan 412001China

，，）

AbstractOnboard subsystem is an important part of CMD system, it performs the functions as collection,

：

processing and transmission of locomotive onboard application data, being an indispensable link for building

up the big data of locomotive in the future. In this paper, the author explains the configuration, design principle,

function, key technologies and application of the onboard subsystem and looks at the prospect.

KeywordslocomotiveCMD systemremote monitoringdiagnosisdata collection

：；；；；

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