鐵路軌道檢測數據智能傳輸系統研制及應用研究

侯智雄，王昊，郝蕊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京100081）

中國國家發展和改革委員會發布了最新的《中長期鐵路網規劃》（2016年）指出，到2020年中國鐵路網規模將達到15萬km，其中高速鐵路3萬km，能夠覆蓋80%以上的大城市[1]。

隨著中國高速鐵路的飛速發展，列車的安全可靠運行越發重要，軌道檢測車是保障列車安全運行最重要、最有效的檢測工具，可以合成軌道不平順值，可全方位檢測軌道狀態，為工務系統線路維修提供真實可靠的科學數據。鐵路通信技術在機車檢修系統中的作用尤為突出，是確保鐵路系統正常運行的關鍵［2］。地面系統如果能夠及時獲得軌道檢測的相關數據，就能夠實現列車的實時監測以及遠程故障診斷，為列車調度決策提供更好的實際數據支撐，避免事故發生［3］。但是由于檢測業務類型復雜、數據按線路分段、數據種類較多、數據量大，現有的檢測模式都采用列車停靠站時由添乘人員人工拷貝數據、刻錄光盤的方式采集獲取數據，人工工作量較大，車上需要人員一直值班，造成地面處理中心無法及時發現鐵路系統中的安全隱患。依據以上現場迫切需要解決的問題，基于軌道檢測車中業務數據的車地傳輸，提出結合4G無線網絡和地面服務器的車地無線傳輸方式，實現軌道檢測車上檢測合成數據傳輸至地面系統，利用無線傳輸、斷點續傳、斷點重連等技術保證數據傳輸的完整性和時效性，利用對于傳輸數據重組、數據加密解密、數據壓縮解壓等技術保證數據傳輸的安全和高效。目前，該無線傳輸系統已經成功應用于鐵路基礎設施檢測車中，運行穩定可靠，大大降低了檢測系統維護成本，更加方便、高效地保障了軌道交通安全運行。

車地無線傳輸系統通過2G/3G/4G無線移動網接入，支持移動、電信、聯通3大運營商，可在任意時間任意地點無縫接入網絡，要在當前信號最穩定的網絡和最快的網絡做出選擇。傳輸數據過程中的技術標準遵循鐵路數據傳送的技術標準，幀的有效數據封裝，遵循成熟的一系列國網標準。

1 國內外研究現狀

目前，我國在鐵路基礎設施狀態檢測方面，主要使用高速綜合檢測列車進行基礎設施狀態檢測，普速線路使用軌道檢測車進行軌道狀態檢測。無論是綜合檢測列車還是軌道檢測車，車輛檢測數據均由專職人員分段上車手工拷貝數據，再交由地面人員進行數據分析，還沒有檢測數據實時傳輸至地面的有效實例。近年來，國外一些公司也在探索在檢測列車檢測設備上實現對檢測數據的車地無線傳輸，目前基本都是通過各國移動通信運營商網絡實現車地無線傳輸［4］（見圖1）。

圖1 基于移動通信運營商網絡設備傳輸架構

2 系統研制

2.1 總體思路

車地無線傳輸系統設計用于軌道檢測系統，能夠實現在動態檢測過程中，將軌道檢測裝置中采集端采集和處理的數據以加密文件形式，通過3G/4G網絡實時傳送到地面數據分析服務中心，地面中心接收到采集數據后，進行數據重組、超限判斷和趨勢分析，從而實現缺陷預警，保證鐵路生產和運行的安全。無線傳輸組件為檢測車輛上重要組件，實現從數據采集端即可對地面傳輸數據，無需在車上安裝服務器及相應軟件再轉發數據，減少了系統整體設備數量，為車上不安裝或少安裝設備創造條件。

2.2 硬件

無線傳輸系統硬件設備由網絡設備和采集設備組成，4G傳輸設備采用華為AR503EDGW-Lc系列無線網關，實現采集設備的4G網絡連接。無線網關具有2個LTE模塊，支持安裝4個SIM卡使用，可同時進行數據傳輸，并支持負載分擔。通過移動通信運營商的3G/4G無線網絡，將這些數據信息傳送到地面中心的服務器。設備支持系統終端和地面中心之間的大容量、安全、連續、可靠的雙向通信。AR503系列敏捷網關遵循工業級標準，防塵、防水、抗振、耐高溫，在惡劣氣候和嚴酷環境下仍然能穩定可靠的運行，防護等級達到IP54；且專為動車組車內的無線上網或數據傳輸設計，支持2.4G和5G雙頻Wi-Fi并存，支持更多用戶同時接入；采用高速4G網絡TDD/FDD LTE作為數據承載網絡，向下自動兼容3G網絡，可用無線網絡為用戶提供長距離數據傳輸功能，同時提供GPS和北斗定位功能。

基于以上設備優點，故選擇AR503EDGW-Lc系列無線網關作為軌道檢測系統車地數據無線傳輸系統網絡傳輸設備。

2.3 軟件

無線傳輸系統的軟件研發主要分為采集端和服務器端2部分，對設備狀態自動收集和集中處理［5］。采集端將車載檢測數據通過無線傳輸設備向地面服務器端發送，而服務器端軟件要保證文件的傳輸、存儲、查詢，終端設備的管理、同步等功能，并需持續確認客戶端和地面服務器端的通信匹配，車地無線傳輸網絡設備架構見圖2。

圖2 軌道檢測車地無線傳輸網絡設備架構

3 系統關鍵技術研制

3.1 采集端軟件

采集端實現將車載檢測數據通過無線傳輸設備向地面服務器端發送，軌道檢測系統采集端生成4種數據文件:波形文件、超限文件、曲線數據文件、TQI數據文件，采集端軟件會將此4類文件實時傳輸至地面服務器端，除此之外采集端和服務器端會有交互的控制類數據及斷點續傳文件數據通過4G網絡傳輸。系統支持網絡重連和斷點續傳，保證數據傳輸的完整性，同時采集端實時監控與地面服務器通信，采集端數據交互流程見圖3。

圖3 采集端數據交互流程

采集端處理軟件分為數據采集模塊、用戶接口模塊、軌道檢測控制邏輯模塊、數據處理模塊、實時數據提取模塊、數據存儲/上傳模塊、遠程數據傳輸模塊。數據采集模塊實現從CAN口、串口等接口接收慣性組件、圖像數據、里程校正信息等數據［6］；用戶接口模塊實現系統界面與底層數據交互［7］；軌道檢測控制邏輯模塊實現采集端驅動程序及數據采集功能［8］；數據處理模塊實現對原始數據的合成及數據濾波處理；實時數據提取模塊實現對波形數據和超限數據的發送；數據存儲/上傳模塊實現本地數據存儲及數據的實時上傳［9］；遠程數據傳輸模塊實現采集端與地面服務器的數據交互、身份驗證、斷點重連機制、命令數據的傳輸［10］。采集端系統實現流程見圖4。

圖4 采集端系統實現流程

3.2 服務器端管理軟件

服務器端管理軟件通過廣域網絡接口與地面采集端鏈接并實現數據交互，通過10001端口與采集端進行數據交互，通過10002端口實現與地面管理軟件的交互，實現流程見圖5。服務器端管理軟件完成的主要功能:（1）等待軌道檢測采集端的遠程連接；（2）連接成功后完成身份驗證；（3）配置采集端運行參數；（4）接收采集端運行信息和檢測數據；（5）檢測采集端上是否有尚未傳輸的檢測數據，若有則傳輸至服務器端；（6）實現對于采集端設備的管理，運行狀態監測；（7）操作日志和故障日志記錄。

圖5 服務器端管理軟件實現流程

服務器端發送的數據類型見表1，不同數據類型代表服務器往采集端發送的不同類型數據，數據采集設備收到后會做相應處理。

4 樣機系統動態試驗驗證

在某檢測車輛上安裝軌道檢測系統車地無線數據傳輸系統，軌道檢測系統檢測合成的數據包括波形數據、超限數據、曲線數據、TQI數據，可隨檢測車運行實時將上述數據發送至地面，且車上數據均由數據采集端直接發送至地面系統，無需安裝服務器設備及軟件，既減少了車載設備數量又實現了檢測數據的實時無線傳輸，為實現檢測系統車上無人值守完成了技術儲備。

表1 車地數據傳輸數據類型

軌道檢測數據傳輸系統于2018年11月在南方某運營線路進行動態試驗，對軌道檢測系統采集端數據無線傳輸系統進行整體測試，驗證車地無線傳輸數據完整性、時效性。檢測人員在車上通過軌道檢測系統網管平臺實現對于采集端的車上干預控制，網管平臺通過Web瀏覽器實現軌檢設備的參數設置、配置文件上傳下載、數據文件上傳下載、軌檢應用程序升級、軌檢運行狀態查看、重啟軌檢系統及檢測設置等功能（見圖6）。

隨著檢測車輛的運行，車上生成的檢測數據可及時傳至地面服務器（見圖7），經實車測試，車上采集端合成的波形數據、超限數據、曲線數據、TQI數據與傳回地面的數據對比完全一致，驗證無線傳輸系統數據傳輸正常，可保證數據傳輸完整性。

回傳至地面服務器數據列表見圖8，車上采集端數據與服務器數據完全對應。

回傳至地面服務器軌道檢測鋼軌不平順波形數據，與車上采集端波形數據通過波形分析軟件對比完全一致（見圖9），數據無丟失。

圖6 采集系統運行界面

圖7 車上采集端合成數據

圖8 回傳至地面服務器數據列表

圖9 車上地面波形數據對比

回傳至地面服務器超限數據，與車上采集端超限數據對比完全一致（見圖10），數據無丟失。

圖10 車上地面超限數據對比

回傳至地面服務器軌道檢測鋼軌不平順TQI數據，車上采集端TQI數據與地面服務器TQI數據對比完全一致（見圖11），數據無丟失。

圖11 車上地面TQI數據對比

回傳至地面服務器軌道檢測鋼軌不平順曲線數據，與車上采集端曲線數據對比完全一致（見圖12），數據無丟失。

圖12 車上地面曲線數據對比

經檢測車輛實車動態測試，車上采集端生成的軌道檢測數據可以隨軌道檢測車輛運行實時傳輸至地面服務器端，且車上生成數據與地面服務器端接收數據完全一致，數據無丟失。傳輸速率隨著線路周邊基站信號強度變化，試驗線傳輸速率平均為150 kb/s，車上數據可以實時全部傳輸至地面。地面操作人員也可通過服務器端軟件對車上采集的數據選擇性下載，并可以遠程對采集端進行配置。

5 結束語

數據無線傳輸組件包括采集端車地數據傳輸軟件、地面服務器端軟件，地面檢測人員可以通過地面服務器端軟件實現車上檢測數據的上傳、下載，經過實車測試傳輸數據完整無誤，采集端存儲數據與地面接收到的數據對比完全一致，完成項目要求開發內容。地面服務器端軟件有可視化操作界面，方便操作人員使用。車地數據傳輸系統還具備地面數據中心遠程對于采集設備的控制、狀態監控、遠端系統升級等功能。數據無線傳輸組件為地面數據中心研發軌道病害智能分析系統打下了堅實基礎。