無線通信技術(shù)在駝峰遠(yuǎn)程運維中的應(yīng)用

張維華，劉 偉

(北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070)

1 問題的提出

駝峰自動化控制系統(tǒng)（以下簡稱駝峰系統(tǒng)）廣泛應(yīng)用在國內(nèi)鐵路編組站，用來控制貨物列車的解體和編組作業(yè)。駝峰系統(tǒng)的實時性控制要求高，通過7×24 h不間斷運行來確保貨物列車的安全和暢通。目前，國內(nèi)在軌運行的駝峰系統(tǒng)分布相對比較分散，且其專業(yè)性較強，駝峰系統(tǒng)故障時一般需要系統(tǒng)技術(shù)人員進行指導(dǎo)處理。一般通過電話技術(shù)指導(dǎo)處理，在電話技術(shù)指導(dǎo)處理無法恢復(fù)的情況下，則需要技術(shù)人員前往現(xiàn)場指導(dǎo)處理。此種維護過程和方法通常使得現(xiàn)場設(shè)備的維護和處理的及時性不夠，電務(wù)維護部門進行故障處理、維護指導(dǎo)過程不便，同時增加了技術(shù)人員的工作勞動強度。因此，研究對現(xiàn)場駝峰系統(tǒng)進行實時遠(yuǎn)程運維顯得極為重要。通過遠(yuǎn)程運維分析查看數(shù)據(jù)和記錄，能在最快時間內(nèi)定位故障點、查找問題原因，及時恢復(fù)設(shè)備正常使用，同時能節(jié)約大量的人工成本。因此研究一種通用性強、安全性高的遠(yuǎn)程維護手段是必要的。

2 需求分析

2.1 接口的安全性選擇

基于駝峰系統(tǒng)的實時性和安全性要求高、組網(wǎng)方式要求獨立隔離的特點，通常情況下，為了提高駝峰系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全等級保護能力，預(yù)防病毒侵入、網(wǎng)絡(luò)外部攻擊等，駝峰系統(tǒng)都是獨立組網(wǎng)，不與外界的任何系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)方式接口。在確保安全的前提下，為實現(xiàn)駝峰系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運維需求，計劃通過串口連接方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。串口通信是指兩個有串口通信協(xié)議的設(shè)備間以串行的方式點對點的互相傳輸數(shù)據(jù)，通過串口通信可有效避免因網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生的對駝峰系統(tǒng)安全性的影響，在現(xiàn)場駝峰系統(tǒng)上通過串口方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程的通信連接。

2.2 遠(yuǎn)程傳輸通道的確定

通常情況下，遠(yuǎn)程傳輸通道采用的是鐵通專用通道，鐵通專用通道傳輸造價成本高，并且為了保證安全，必須專網(wǎng)專用。加之在軌運行的駝峰系統(tǒng)比較分散，單獨敷設(shè)鐵通專網(wǎng)專用的光纜也不太現(xiàn)實，并且為了聯(lián)網(wǎng)還需要協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)氐蔫F通運營商來進行通道建設(shè)的配合。因此，基于公網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)技術(shù)，可直接在已搭建完成的網(wǎng)絡(luò)承載平臺上，通過串口方式接入駝峰系統(tǒng)，無論在通道建設(shè)上還是在現(xiàn)場實施上都較為方便，且無需在現(xiàn)場駝峰樓接入專門的網(wǎng)絡(luò)通道。

2.3 無線遠(yuǎn)程通信的比選

通過對傳輸通道的比選，選擇基于SIM卡的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，目前公網(wǎng)運行中的無線有3G、4G、5G等制式。其中3G和4G的應(yīng)用更加成熟和廣泛，但是從傳輸效率和傳輸能力來講，5G傳輸?shù)乃俾矢鼊僖换I。并且在遠(yuǎn)程運維過程中除查詢和分析文字記錄外，還需要對圖形回放、數(shù)據(jù)統(tǒng)計表等查詢和分析，并且必須確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕辉试S丟包和誤碼的情況存在。如果在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中存在丟包，將會導(dǎo)致通過遠(yuǎn)程維護和查詢過程中記錄分析不準(zhǔn)確，無法定位故障點，對現(xiàn)場的維護帶來影響。

2.4 軟件維護查詢的實現(xiàn)

駝峰系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包含作業(yè)過程的報警數(shù)據(jù)、設(shè)備操作記錄數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接口交互數(shù)據(jù)等內(nèi)容。通過遠(yuǎn)程維護采用的是串口連接方式接入駝峰系統(tǒng)，不同于常規(guī)的遠(yuǎn)程桌面連接方式或者FTP連接方式，可直接對現(xiàn)場的記錄和數(shù)據(jù)進行拷貝至遠(yuǎn)程的本地進行分析，因此需要在遠(yuǎn)程本地端和現(xiàn)場端部署專門的軟件維護查詢程序。這樣當(dāng)通過遠(yuǎn)程5G通道采用串口方式接入駝峰系統(tǒng)時，可實現(xiàn)根據(jù)時間段查詢現(xiàn)場的數(shù)據(jù)記錄進行分析。

3 實現(xiàn)過程

通過對接口安全性、通道選擇和實現(xiàn)的角度分析，通過無線數(shù)據(jù)終端（Data Terminal unit，DTU）產(chǎn)品，以無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為承載網(wǎng)，為維護中心的主機提供 TCP/IP 之上的無線數(shù)據(jù)傳輸通道，從而在功能上完成對現(xiàn)場遠(yuǎn)程設(shè)備通過串口設(shè)備和維護中心間的無線數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的訪問和分析。

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由兩部分組成，分別為運維中心和現(xiàn)場維護機房。運維中心包含駝峰系統(tǒng)廠家的綜合運維中心以及路局-電務(wù)段-車間運維中心，駝峰系統(tǒng)廠家的綜合運維中心可實現(xiàn)對全路分布的所有駝峰系統(tǒng)的運維聯(lián)網(wǎng)，路局級的運維中心實現(xiàn)對路局管內(nèi)的駝峰系統(tǒng)的遠(yuǎn)程運維聯(lián)網(wǎng)，電務(wù)段和車間運維中心針對所屬管內(nèi)的駝峰系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程運維。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)Fig.1 Architecture of network equipment

運維中心機房的查詢分析終端運行本地端的查詢分析軟件，同時具備Internet網(wǎng)絡(luò)接入的條件，通過撥號方式連接至遠(yuǎn)端的DTU設(shè)備。

現(xiàn)場維護機房的維護終端上存儲駝峰系統(tǒng)運行過程中的各種數(shù)據(jù)、操作及報警信息。當(dāng)需要遠(yuǎn)程連接訪問時，將DTU設(shè)備上的串口連接至現(xiàn)場維護終端的串口上，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連接傳輸。

3.2 硬件設(shè)備及安全性分析

實現(xiàn)遠(yuǎn)程運維的硬件設(shè)備主要包含維護中心的查詢分析終端、現(xiàn)場維護機房的現(xiàn)場維護終端、實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接的DTU設(shè)備。DTU設(shè)備可支持全網(wǎng)通的移動蜂窩數(shù)據(jù)SIM卡的使用，可同時支持3G、4G、5G的連接通信功能。本文采用4G無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

基于4G無線網(wǎng)絡(luò)，可充分利用現(xiàn)有的公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而不用考慮遠(yuǎn)程運維連接時的通道問題。運維中心通過Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與現(xiàn)場維護機房的DTU設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)場維護機房的DTU與維護終端通過串口連接，從而建立起運維中心和現(xiàn)場維護終端之間串口的點對點方式連接，避免通過網(wǎng)絡(luò)連接引起的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。同時，在現(xiàn)場維護機房的現(xiàn)場維護終端設(shè)置操作訪問權(quán)限，讓遠(yuǎn)程運維分析軟件只能查詢相關(guān)記錄、報警和軟、硬件狀態(tài)信息，不能修改現(xiàn)場的信息，確保遠(yuǎn)程運維過程中的連接安全和數(shù)據(jù)安全。

3.3 軟件應(yīng)用及實現(xiàn)

基于無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程運維軟件主要包含兩大部分，分別是遠(yuǎn)程連接控制軟件和查詢分析記錄軟件。

遠(yuǎn)程連接控制軟件包含運維中心軟件和現(xiàn)場維護機房連接軟件。主要是用來建立實現(xiàn)運維中心和現(xiàn)場維護機房的串口通道連接。分別運行部署在運維中心的終端和維護機房的終端上。

運維中心軟件的主要功能流程如圖2所示。

圖2 運維軟件流程Fig.2 Flow chart of operation and maintenance software

運維中心連接軟件的工作過程：軟件運行后，判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)連接成功后嘗試遠(yuǎn)端的DTU設(shè)備連接，DTU設(shè)備連接成功后，向運維中心的查詢分析軟件發(fā)送連接成功狀態(tài)、具體軟件查詢條件。軟件執(zhí)行上述流程后運行狀態(tài)如圖3所示。

圖3 運維中心軟件運行狀態(tài)Fig.3 Software operation state diagram of operation and maintenance center

現(xiàn)場維護機房連接軟件的主要流程如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場維護機房連接軟件流程Fig.4 Connection software flow chart of field maintenance computer room

現(xiàn)場維護機房連接軟件的遠(yuǎn)程診斷軟件運行后，判斷本地端的物理串口是否可用并處于打開狀態(tài)，判斷DTU設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否已激活，并將其狀態(tài)置于待命狀態(tài)中，等待運維中心的連接申請，在得到遠(yuǎn)程運維中心的連接呼叫申請后，嘗試連接，連接成功后向數(shù)據(jù)查詢軟件發(fā)送數(shù)據(jù)可發(fā)送和接收的狀態(tài)。遠(yuǎn)程診斷軟件的運行狀態(tài)如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場維護機房軟件運行狀態(tài)Fig.5 Software operation state of field maintenance computer room

運維中心終端和現(xiàn)場維護終端兩側(cè)通過DTU建立起連接通道后，就可以使用查詢分析軟件實現(xiàn)運維中心和現(xiàn)場維護終端的數(shù)據(jù)通信傳輸，從而更好的應(yīng)用于現(xiàn)場的記錄分析和查詢。

運行在運維中心的分析軟件和現(xiàn)場維護終端的數(shù)據(jù)查詢軟件的工作流程如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程維護軟件工作流程Fig.6 Workflows of remote maintenance software

當(dāng)運維中心和現(xiàn)場維護終端的串口鏈接建立后，查詢分析軟件具備查詢現(xiàn)場數(shù)據(jù)的條件，運維中心的分析軟件發(fā)送數(shù)據(jù)請求，現(xiàn)場維護終端的查詢軟件根據(jù)數(shù)據(jù)請求進行判斷，確定查詢的數(shù)據(jù)是實時記錄數(shù)據(jù)還是歷史數(shù)據(jù)，如果查詢的是當(dāng)前數(shù)據(jù)，則將當(dāng)前數(shù)據(jù)進行緩存，并按照查詢分析規(guī)則進行定義和命名，然后同意發(fā)送請求的內(nèi)容。運維中心可接受數(shù)據(jù)，待要查詢的數(shù)據(jù)接收完畢后，現(xiàn)場維護終端的查詢軟件處于等待狀態(tài)。

4 現(xiàn)場驗證及應(yīng)用

目前，依托實驗室運維中心的駝峰系統(tǒng)環(huán)境，通過運行無線連接軟件和分析軟件，建立起運維中心的遠(yuǎn)程維護環(huán)境，在武鋼駝峰現(xiàn)場安裝DTU設(shè)備，同時在現(xiàn)場維護機房的維護終端運行無線遠(yuǎn)程連接軟件和查詢軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄查詢、減速器控制記錄報警分析以及日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計。在系統(tǒng)開通后，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析和維護，指導(dǎo)現(xiàn)場維護人員對減速器和道岔的參數(shù)進行調(diào)整，根據(jù)遠(yuǎn)程分析的減速器的制動和緩解時間，指導(dǎo)現(xiàn)場對室外減速器設(shè)備的運用狀態(tài)進行檢修。

駝峰系統(tǒng)在使用過程中，通過遠(yuǎn)程運維手段能在最快的時間內(nèi)處理和解決現(xiàn)場使用和維護人員的需求，因此確認(rèn)駝峰系統(tǒng)在現(xiàn)場使用穩(wěn)定，可提高用戶滿意度。

5 應(yīng)用效果及展望

駝峰系統(tǒng)中對遠(yuǎn)程運維方式的應(yīng)用，成本上主要為增加DTU設(shè)備和DTU設(shè)備所需的移動數(shù)據(jù)費用，經(jīng)過一個月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，遠(yuǎn)程維護查詢的數(shù)據(jù)流量費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于出差現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)的差旅成本，并且數(shù)據(jù)查詢和分析的時效性相比現(xiàn)場出差分析大幅提高。

通過遠(yuǎn)程運維方式的應(yīng)用，實現(xiàn)對現(xiàn)場駝峰系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的查詢和分析，后續(xù)將優(yōu)化數(shù)據(jù)查詢軟件和分析軟件，將該軟件與駝峰系統(tǒng)的維護軟件進一步結(jié)合，實現(xiàn)對駝峰的硬件板卡、網(wǎng)絡(luò)連接、電源連接狀態(tài)的實時監(jiān)測分析，并根據(jù)相關(guān)工作狀態(tài)做出預(yù)警，將駝峰系統(tǒng)設(shè)備的事后故障處理改變?yōu)槭虑邦A(yù)警分析，進一步提高駝峰系統(tǒng)運維的智能化水平。同時，通過遠(yuǎn)程運維的方式將全路駝峰系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，建立駝峰系統(tǒng)的運維中心，使駝峰系統(tǒng)的運維過程更加便利、高效。