GSM-R網絡自動檢測地面控制系統設計與實現

段賀輝

（北京鐵科英邁技術有限公司 電務檢測研究部，北京 100081）

1 概述

GSM-R網絡檢測主要是測試GSM-R移動通信系統［1］的網絡狀態和應用狀況。我國鐵路對GSM-R網絡檢測采用綜合檢測列車和電務檢測車配置的通信檢測系統［2］，按照固定運行時刻表，每月定時定線對相關線路進行測試。由于GSM-R網絡狀態及特性與應用時間有很大關系，在不同時間段，網絡用戶量不同，公網對其產生的干擾因素［3］也不同。另外，由于無線通信網絡的測試結果取決于測試指標統計［4］，大量測試指標統計的結果更能真實體現網絡狀態。目前，GSM-R網絡的測試頻度相對較低，測試樣本數也相對較少，因此，這種測試在時間上有很大局限性，不能完全反映GSM-R網絡的真實特性與實際運用狀態。

GSM-R網絡自動檢測［5］設備體積小，上電即可工作，可將其安裝至旅客列車，在檢測時間和檢測頻度上均可得到保障，能充分反映GSM-R網絡狀態［6］。為提升測試樣本數，真實體現GSM-R網絡狀態，需要大量測試終端和多樣性測試任務來完成GSM-R網絡檢測。基于此，需搭建綜合地面控制系統以保障檢測設備正常、有序地執行任務，實時反映檢測設備的運行狀態，實時接收檢測數據并呈現給用戶。GSM-R網絡自動檢測地面控制系統利用車地無線傳輸技術構建，可實現測試任務的預發送、測試任務的實時控制（包括任務的修改、啟動、停止和取消等操作）、檢測設備的告警監控及狀態管理、檢測數據實時接收并按索引存儲、記錄并跟蹤列車位置等。用戶可通過該系統了解檢測設備的運行情況及測試任務的執行情況，對檢測數據進行實時分析，掌握當前位置GSM-R網絡的運用狀態。

2 設計目標

（1）實現分級管理功能。系統按照功能對用戶進行分級設計，設置一級用戶、二級用戶和管理員用戶，一級用戶針對中國國家鐵路集團有限公司設計，可以查看全路的檢測數據和檢測設備的運行狀態，掌握全路測試情況；二級用戶針對鐵路局集團公司設計，可對本單位管內的設備進行管理、控制和數據分析等；管理員用戶可對系統進行管理、運維，保證系統穩定、高效地運行。

（2）檢測設備管理與監控。檢測設備在安裝前，將其屬性信息（列車號、測試模塊類型、SIM卡號等）在地面控制系統進行登記，待安裝運行后，設備注冊連接到地面控制系統，將狀態及告警信息實時上報至該系統，系統根據狀態及告警做出智能判斷，將高危的告警信息及時通知至管理員用戶。

（3）測試任務管理及實時控制。設備管理人員根據列車的運行計劃制定測試任務，當檢測設備向地面控制系統注冊后，系統將預先制定的測試任務下發至該設備，檢測設備根據任務的始末時間自行完成任務，當管理人員需要改變測試任務狀態時，可主動參與測試任務的執行。設備管理人員可根據列車實際運行信息對既定的測試任務進行調整。

（4）列車位置跟蹤與記錄。檢測設備將獲取的位置信息（包括經緯度和公里標）上傳至地面控制系統，系統根據位置信息在地理信息系統（GIS）中顯示列車位置及運行軌跡，當列車停車或斷電后，系統會保留當前列車位置，當其再次收到列車有效的位置信息后，刷新列車當前位置。在GIS中繪制列車運行軌跡時，需要區分同線路不同列車的軌跡，以防混淆。

（5）檢測數據接收與發布。檢測設備在執行測試任務的同時，將檢測數據實時回傳至地面控制系統，該系統將檢測數據匯總后并按用戶功能分發至相關用戶。

3 系統設計方案

3.1 系統組成

地面控制系統在系統集成方面，需要文件傳輸（FTP）服務器、GIS服務器和數據庫服務器來支持系統運行，各服務器通過交換機實現網絡互通及數據一體化。軟件系統包括：操作系統、數據庫系統、文件管理系統、硬件設備驅動程序、.NET Framework運行環境及應用程序可執行文件。系統采用客戶端/服務器（C/S）架構設計，各級用戶通過客戶端訪問系統（見圖1）。

圖1 系統組成

3.2 系統架構

系統分為數據層、存儲服務層、應用服務層和應用業務層。其中，數據層包括列車與設備屬性信息、測試任務、用戶信息、線路基礎數據及檢測數據、同步定位數據和地理信息數據；存儲服務層包括數據庫存儲服務、FTP文件服務、GIS信息服務；應用服務層包括用戶信息維護、設備信息及位置跟蹤、列車信息及位置跟蹤、測試任務查詢與操控、基礎數據維護、檢測數據分析與發布等；應用業務層包括用戶管理與維護、設備及列車管理與跟蹤、測試任務管理、基礎數據和GIS信息管理、檢測數據管理與分析等。系統總體架構見圖2。

圖2 系統總體架構

為保證系統各結構層有效、安全地交互及通信，系統采用微軟通信原理（WCF）數據通信框架［7］，整合了原有Windows通信的.net Remoting、WebService、Socket機制，并融合超文本傳輸協議（HTTP）和FTP相關技術，通過客戶端以代理的方式向服務端交互，用戶可自行制定契約來進行通信；在安全方面，WCF具備傳輸層次安全性（Transport-level security）和消息層次安全性（Message-level security）2種。采用WCF服務，既便于實現模塊式開發和系統集成，又保證了數據的安全。在GIS開發方面嵌入Mapinfo圖層［8］管理插件，使用可視化的離線圖層文件，既可提高GIS的訪問速率，又便于實現對圖層進行二次開發。

4 關鍵技術

（1）數據層：該層實現了列車與設備屬性信息、測試任務、用戶信息的存儲及管理，為用戶和列車信息維護、設備信息維護和狀態采集、測試任務查詢和操控提供數據支撐；實現了線路基礎數據、檢測數據、同步定位數據和地理信息數據的存儲及管理，為檢測列車跟蹤與數據分析服務奠定基礎。

（2）存儲服務層：用于存儲基礎信息、檢測設備及任務信息、測試記錄及檢測數據等，該層使用數據庫服務存儲記錄及列表信息，使用FTP文件服務存儲檢測數據、基礎數據等大文件信息，使用GIS信息服務存儲訪問GIS過程使用的離線圖層文件等，便于GIS刷新及實時繪制。

（3）應用服務層：該層用于各類數據的解析、處理及綜合運用，當收到應用業務層發出的請求后，根據請求獲取各類數據并計算，將結果呈現至應用業務層，主要體現在基礎信息維護、檢測任務操控、檢測數據處理與分析、列車位置及狀態跟蹤等方面。

（4）應用業務層：用于用戶的操作及信息的管理等，將GIS信息、任務信息、數據分析結果等直接呈現給用戶。

以上各結構層實現流程見圖3。在系統實現中，采用異步傳輸控制協議（TCP）通信［9］技術、檢測數據綜合分析處理技術及WCF通信技術保障系統的穩定、安全、可靠。

圖3 系統實現流程

異步TCP通信技術采用異步TCP通信方式，實現一對多通信服務，可同時管理多臺檢測設備的測試任務并監控其運行狀態。地面控制系統開啟TCP監聽服務后，待檢測設備向其注冊連接后，建立1條獨立通道與檢測設備進行交互，在交互過程中，系統采用多線程并發控制機制，使心跳連接、設備位置狀態、任務管控、數據接收等各項服務同時進行，保證檢測設備有序、穩定地完成測試任務。該模塊需配合數據綜合分析處理模塊完成數據分析及設備監控等工作，為其提供檢測數據和設備位置狀態數據。

檢測數據綜合分析處理技術運用線路基礎數據，結合檢測數據并依據數據分析算法完成檢測數據的分析和判斷，將檢測數據按照索引進行分類存儲，將分析結果入庫存儲并提供反饋接口，便于用戶了解線路測試情況并對檢測結果進行反饋等；運用GIS圖層原始數據，結合設備位置狀態數據和設備狀態指令標識信息完成對檢測設備的管理和監控；將檢測數據結合線路基礎數據和GIS信息進行綜合分析，將測試指標分級顯示，使用戶通過GIS展示了解整體線路的網絡質量。

采用WCF通信技術，用戶根據契約向地面控制系統注冊連接，建立連接后，通過該服務可進行檢測設備的管理維護和跟蹤定位、測試任務的管理控制，并對線路基礎數據和GIS圖層等原始數據進行管理和編輯。用戶可根據既有權限對檢測數據進行訪問、對檢測結果進行反饋等。

5 系統驗證

GSM-R網絡自動檢測地面控制系統研制完成后，將系統應用布置于公共網絡環境下，檢測設備采用移動4G網絡通信模塊并安裝于綜合檢測列車進行試驗和驗證。驗證的主要功能包括：多檢測設備的注冊連接及測試任務的發送、管理和控制，檢測設備對任務的執行和數據實時展示情況，地面控制系統對檢測設備的定位、檢測數據的分析［10］及GIS展示等。

（1）多檢測設備的注冊連接及測試任務的發送、管理和控制。具體如下：①分別在2列綜合檢測列車安裝檢測設備，且向地面控制系統注冊連接后，各檢測設備與地面控制系統的位置及設備狀態交互正常，互不影響。②在地面控制系統啟動“測試任務配置模塊”并向數據庫中添加2條測試任務，分別為任務A和任務B，均配置開始時間、結束時間、開始公里標、結束公里標、線路信息、行車方向及任務配置等信息，分別發送至對應的檢測設備。根據任務的始末時間對任務進行實時控制，包括任務的提前開啟、提前結束、取消測試任務等操作，各指令交互正常。

（2）檢測設備對任務的執行、數據實時展示和設備定位。結合設備位置信息與檢測數據的實時展示情況，判斷設備執行的狀態以及數據回傳是否滯后等，對2臺設備所檢測的2條線路分別配置測試任務，待任務執行后，根據列車位置及數據實時展示界面，結合綜合檢測列車的運行時刻表分析數據回傳情況。經分析，該系統實時接收檢測設備的位置狀態信息和檢測數據展示的當前位置相對吻合。

（3）檢測數據的分析及GIS展示。用戶通過客戶端訪問地面控制系統，獲取檢測數據并通過2種形式呈現，分別為數據測試曲線和GIS展示。檢測數據的曲線呈現見圖4，各項指標按照公里標對齊顯示；檢測數據的GIS呈現見圖5，可將測試的小區電平、話音質量、載干比、時間提前量等信息按測試指標進行分級，不同級別用不同顏色標識出來，由于各項指標經緯度是重合的，在展示時可對指標進行位置偏移來區分（可對經度、緯度分別做偏移），偏移量可通過窗口設定。

圖4 檢測數據的曲線呈現

圖5 檢測數據的GIS呈現

6 結束語

GSM-R網絡自動檢測地面控制系統結合前端檢測設備的綜合運用，提高了GSM-R網絡動態檢測的技術水平，具有廣闊應用前景。該系統可實現對同一線路的多時間段重復檢測，檢測數據的統計結果具有更高可信度，能夠幫助中國國家鐵路集團有限公司了解GSM-R網絡的整體運用狀況，能夠幫助鐵路局集團公司對管轄范圍內的局部網絡進行優化。