重載機車數據轉儲應用研究

尤 新,袁錦輝,施劍峰,王明萱

（浙江浙大網新集團有限公司,浙江杭州,310051）

重載機車數據轉儲應用研究

尤 新,袁錦輝,施劍峰,王明萱

（浙江浙大網新集團有限公司,浙江杭州,310051）

鐵路是國民經濟的大動脈，對于整個社會經濟的健康發(fā)展具有舉足輕重的作用。為提升鐵路的運輸效率，機車車輛加快信息化、智能化建設的同時產生了大量的狀態(tài)和運營數據。本文對機車整備場環(huán)境下機車同地面數據中心之間數據傳輸存儲的方法進行初步探討，提出采用無線通信技術和私有云盤技術應用的新方法。

重載機車；WIFI；私有云盤

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，需要不斷提升鐵路的運輸效率以滿足高速增長的物資運輸需求。為此，我國大力推進軌道交通和機車車輛的信息化和智能化建設。在研制大軸重機車的基礎上，引入多個智能化系統，如重載列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統、重載列車智能化操控系統和重載鐵路調度優(yōu)化系統等。機車運行過程中，上述系統將產生大量的狀態(tài)和運營數據，包括機車關鍵部件傳感數據、機車視頻數據，機車指揮調度數據等，這些數據具有體量大、類型多的特點。由于機車運行過程中，無論是GSM-R或者LTE-R移動通信系統提供的帶寬都十分有限，不足以將機車上的所有數據同步到地面。因此，目前很大程度上需要待機車到站后靠人工通過拷貝或者輪換硬盤的方式將數據從車載設備轉儲到地面數據中心，供進一步的分析診斷。

本文以無線通信技術和私有云盤存儲技術為基礎，建立重載機車車地數據傳輸和存儲系統，以期實現機車到達整備場指定位置后車地數據同步的自動化。

1 總體方案

重載機車車地數據傳輸存儲系統主要由車載設備、無線通信系統、私有云盤服務系統和存儲系統組成（如圖1）。

車載設備，對機車上的各類數據進行采集、整合和預處理。機車上子系統眾多，數據類型眾多，硬件設備接口類型眾多，這就需要對各子系統和設備的對外接口進行統一，以便使用無線通信鏈路將數據傳輸到地面。

無線通信系統，由WIFI模塊、車載WIFI天線和軌旁AP組成。提供穩(wěn)定可靠的高速率傳輸通道，解決了現有情況下機車無法采用有線方式進行車地數據傳輸的問題。

私有云盤服務系統，是一種分布式部署、集中式管理的文檔安全存儲管理系統，提供安全可靠的數據同步備份功能，它可以迅速判斷數據同步狀態(tài)，在車載設備和地面存儲系統之間自動保持數據同步。

存儲系統，由存儲管理服務器和磁盤陣列組成，對其他應用程序提供統一的存儲服務接口。存儲空間可動態(tài)擴容以滿足實際需要。私有云盤服務系統可通過存儲服務接口高效便捷的進行數據存儲和訪問。

2 關鍵技術

機車車地數據傳輸和存儲系統中，面臨的兩個主要問題就是如何建立高速穩(wěn)定的通信鏈路以及如何保證車地間數據的一致性和完整性。下面就對本系統采用的關鍵技術進行介紹如下。

2.1 基于5.8GHZ的無線通信技術

支持IEEE802.11ac協議標準的無線通信設備，工作在5.8G免許可證頻段，具有更寬的RF帶寬，更多的MIMO空間流，還支持多用戶的MIMO以及更高階的調制。無線頻寬支持20/40/80MHZ，甚至有可能達到160MHZ，理論傳輸速度最高可能達到1Gbps。傳輸速率高、接收靈敏度高、抗干擾能力強的特點，使得5.8G無線通信技術非常合適用于機車車地數據通信。

5.8 G無線通信設備的組網模式主要有三種：

①點對點模式。可用來連接兩個分別位于不同地點的網絡，一般由一個中心端網橋設備和一個客戶端設備組成，設置成相同的頻道。

②點對多點模式。由一個中心端網橋設備和多個客戶端設備組成，能將多個離散的遠程網絡連成一體。

③橋接中繼模式。當需要連接的網絡之間有障礙物遮擋而不可視時，采用無線中繼模式繞開障礙物實現兩點之間的無線橋接。

機車整備場環(huán)境相對開闊，基本上沒有大型的建筑物，可以做到兩點之間可視。因此，我們在使用無線網橋設備時只需考慮點對點和點對多點組網方式。

采用點對多點組網，從中心點到每個遠程點都建立一個點對點鏈路，中心端AP必須采用頻點隔離以防止相互干擾，中心點AP的頻率通常可統一采取高發(fā)低收方式。若實際應用中，允許存在大量輛機車同時進行數據同步備份，那么采用點對多點組網可以滿足需求，但由于點對多點方式相當于是共享中心點AP的帶寬，對于遠程點來說，傳輸速率上有所降低，同時點對多點組網配置相對復雜一些（如圖2）。

采用點對點組網，中心點和遠程點建立唯一鏈接，處于相同頻道。遠程點獨占帶寬，傳輸速率較快。若實際運用中，只有少量機車會在同一時間進行數據同步備份，那么應選擇點對點組網方式。同時，可考慮設置多個中心AP，這樣能建立多個點對點鏈路，既保證了傳輸速率，組網也相對簡單（如圖3）。

無線網橋設備的天線也是影響傳輸效率和穩(wěn)定性的關鍵因素之一。安裝在軌道旁邊的中心點AP位置固定，而機車駛入整備場后停留的位置基本上每次都不相同。為了減少因天線角度和距離帶來的性能影響，中心點AP采用板狀定向天線，照射角度為90度，機車上采用蘑菇頭外型的全向天線，這樣既保證了任意角度下都能建立鏈路，也保證了大多數情況下，機車位于定向天線照射范圍內時，具有較好的信號質量（如圖4）。

圖1

2.2 云盤數據存儲技術

云存儲是在云計算(cloud computing)概念上延伸和發(fā)展出來的一個概念，是指通過集群應用、網格技術或分布式文件系統等功能，將網絡中大量不同類型的存儲設備通過應用軟件集合起來協同工作，共同對外提供數據存儲和業(yè)務訪問功能的一個系統。

云存儲有公有云和私有云之分，針對重載機車數據轉儲應用，由于是提供給企業(yè)內部使用，且數據具有極高的重要性，所以我們除了以高性能、可伸縮性、可靠性等作為設計目標，還需要在滿足基本存儲和分享的同時增強數據的安全性、可用性等特性，在此基礎上構建滿足數據存儲和分享需求的安全私有云盤系統。

安全私有云盤是建立在安全體系架構上的分布式部署、集中式管理的文檔安全存儲管理系統，同時解決了安全可靠存儲、防泄密和容量動態(tài)擴充三大難題。它的系統結構如下圖5所示：

安全私有云盤主要由用戶管理、文件管理、數據服務平臺、存儲服務平臺組成。

安全私有云盤用戶管理，實現系統參與者角色和權限的統一管理。

安全私有云盤文件管理，實現文件和目錄的基本管理功能，包括建立、刪除、重命名、搜索和共享等；實現文件的上傳下載和在線瀏覽，支持分段上傳和斷點續(xù)傳；實現文件的實時備份，將PC端指定文件、目錄等信息實時備份到云盤。

安全私有云盤采用專有的數據加密技術，無論網絡傳輸還是數據存儲都是以加密的形式進行的，把數據管理權徹底交給用戶，保證即使云端管理員也無法查看用戶明文。

安全私有云盤在運行過程中，會將文件自動冗余成多份數據，分別存儲在不同的存儲節(jié)點，當某個存儲節(jié)點出現硬件故障、網絡異常等情況發(fā)生時，不影響用戶對文件的訪問，極大的增強安全私有云盤的可用性。

重載機車數據轉儲應用中，在機車車載設備上安裝云盤客戶端，指定需要同步備份的文件和目錄；在地面數據中心部署云盤服務，云盤服務運行在由3臺服務器構建的集群環(huán)境，這樣進一步增強了云盤服務的可用性，避免由于單臺服務器故障導致整個數據轉儲功能無法工作。

當機車駛入整備場，無線鏈路建立完成之后，車載設備的云盤客戶端便通過無線鏈路以及連接云盤服務端的千兆有線鏈路，自動將機車數據上傳到云盤服務端進行存儲。

3 結束語

綜上所述，基于5.8G無線通信技術和云盤數據存儲技術的重載機車數據轉儲應用方案提出了一種可行的機車數據與地面數據中心自動同步備份的方法，極大地提高了數據轉儲的效率，避免了人工操作過程中意外情況導致的數據同步不及時，甚至是數據丟失。實現了機車狀態(tài)和運營數據的智能化管理。

[1] 802.11ac-2013-IEEE Standard for Information technology-- Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks-- Specific requirements--Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications--Amendment 4:Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz

[2] 馬滿倉,鄭建勇,郭靜,盧繼華.WLAN標準IEEE802.11ac/ ad及其關鍵技術,《電信技術》，2012(04)

[3] 傅穎勛.羅圣美.舒繼武.安全云存儲系統與關鍵技術綜述.《計算機研究與發(fā)展》，2013(1)

[4] 錢宏蕊.云存儲技術發(fā)展及應用.《電信工程與標準化》,2012(4)

尤新，1977年7月，男，漢族，湖北省鐘祥市，2000年畢業(yè)于西安電子科技大學計算機軟件專業(yè)，學士學位，浙江浙大網新集團有限公司，高級工程師，研究方向：列車智能化，物聯網，網絡通信

袁錦輝，1977年7月，男，漢族，江蘇省海門市，2003年畢業(yè)于浙江大學信電系，碩士學位，浙江浙大網新集團有限公司，高級工程師，研究方向：列車智能化，網絡通信，IC設計

施劍峰，1976年11月，男，漢族，浙江省蕭山市，2002年畢業(yè)于西安交通大學計算機軟件與理論專業(yè)，碩士學位，浙江浙大網新集團有限公司，工程師，研究方向：列車智能化，網絡通信，云計算

王明萱，1986年11月，女，漢族，江蘇省金壇市，2010年畢業(yè)于倫敦帝國理工學院通信與信號處理專業(yè)，碩士學位，浙江浙大網新集團有限公司，工程師，研究方向：傳感器數據采集及信號處理，項目管理

Application Research on data dump of heavy haul locomotive

You Xin,Yuan Jinhui,Shi Jianfeng,Wang Mingxuan
（Zhejiang Insigma Group Co.,Ltd.Zhejiang Hangzhou,310051）

Railway is a great artery of national economy,which plays an important role in the healthy development of the whole society.In order to improve the transportation efficiency of the railway,the locomotive and vehicle speed up the information and the intelligent construction,and produce a lot of state and operation data.The locomotive servicing field environment of locomotive with ground data center,data transmission and storage method to carry on the preliminary discussion,put forward using a new method of wireless communication technology and private cloud disk technology application.

heavy haul locomotive;WIFI;private cloud disk

項目名稱:軸重 30 噸以上煤炭運輸重載鐵路關鍵技術與核心裝備研制編號：2013BAG20B00