基于5G-R 的鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)研究

袁振江

（北京國鐵華晨通信科技有限公司，北京 100070）

在智能鐵路1.0 的發(fā)展過程中，鐵路工務、電務、供電等專業(yè)已形成部分服務本專業(yè)生產管理的既有業(yè)務系統(tǒng)，如工務專業(yè)安全生產管理系統(tǒng)、電務專業(yè)信號集中監(jiān)測系統(tǒng)、通信綜合網管系統(tǒng)、機房電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、供電專業(yè)生產管理系統(tǒng)、牽引變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)、6C 系統(tǒng)等。2022 年3 月，中國國家鐵路局集團發(fā)布《“十四五”鐵路科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》，明確指出智能鐵路2.0 發(fā)展目標，即應發(fā)揮智能技術在安全生產保障、效率效益提升、服務質量優(yōu)化等方面的支撐作用[1]，探索具備全面感知與泛在互聯(lián)能力的智能裝備關鍵技術，加大5G、大數據、物聯(lián)網、AI 等現代技術與鐵路融合賦能攻關，推進鐵路物聯(lián)網平臺研發(fā)及應用，深化鐵路設施設備檢測監(jiān)測技術路線研究。

為響應鐵路“十四五”發(fā)展規(guī)劃要求，深化工電供一體化運維關鍵技術研究，推進全壽命周期管理，增強鐵路綜合運維檢測能力，本文提出基于5G-R 的鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)研究，利用工務、電務、供電等專業(yè)既有業(yè)務系統(tǒng)數據，在鐵路沿線基礎設施設備監(jiān)測盲區(qū)新設監(jiān)測傳感器，提升設備設施綜合狀態(tài)評估預測、運維過程綜合評價及運維經驗數字化建設能力。

1 概述

鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)通過與鐵路局工務專業(yè)安全生產管理系統(tǒng)互聯(lián)，獲取橋梁監(jiān)測、路基沉降變形監(jiān)測等既有監(jiān)測運維數據；通過與鐵路局電務專業(yè)信號集中監(jiān)測、通信綜合網管等業(yè)務系統(tǒng)互聯(lián)，獲取電源屏、軌道電路、轉轍機、信號燈、通信履歷、綜合視頻、動環(huán)監(jiān)測、傳輸、數據網等既有監(jiān)測運維數據；通過與供電生產管理系統(tǒng)、輔助監(jiān)控系統(tǒng)、6C系統(tǒng)互聯(lián)，獲取供電、變電、接觸網等既有監(jiān)測運維數據。對尚不具備遠程監(jiān)測的基礎設施信息，如橋梁沉降、聲屏障變形、軌道板凍害、涵洞水位、攝像機方位等，通過增設監(jiān)測傳感器完善基礎設施監(jiān)測數據，進一步為運維分析提供精準參考數據。數據交換方面，系統(tǒng)通過5G-R 與現場監(jiān)測傳感器建立連接獲取監(jiān)測數據，通過辦公網與既有業(yè)務系統(tǒng)對接獲取已有數據。

2 系統(tǒng)架構設計

系統(tǒng)包括鐵路基礎設施運維檢測中心、既有業(yè)務系統(tǒng)、現場監(jiān)測傳感器和傳輸通道4 個部分，如圖1所示。檢測中心部署在鐵路局核心網機房，智能運維終端部署在各站段監(jiān)控車間，平臺采用B/S 架構設計，用戶可使用瀏覽器通過辦公網訪問，針對不同部門用戶的使用權限差異，平臺通過功能權限和數據權限進行集中管控。

鐵路基礎設施運維檢測中心運用智能分析技術構建基礎設施指標模型，利用既有業(yè)務系統(tǒng)數據和鐵路沿線傳感器的實時監(jiān)測數據，對重點區(qū)域和設備設施的狀態(tài)進行持續(xù)數字化跟蹤，對裝備當前狀態(tài)進行綜合評價，對故障和病害處置方案、處置效果等運維決策處理過程進行分析評價，形成針對特定問題優(yōu)化處理的知識庫。通過先進的智能分析技術對裝備設施的未來狀態(tài)進行預測分析，提前發(fā)現裝備設施潛在問題并向用戶提供最優(yōu)的運維解決方案，實現故障修到狀態(tài)修的提升，把專家經驗轉換為可應用、可復制、可更新的數字化運維決策方案。

3 中心軟件設計

鐵路基礎設施運維檢測中心設計遵循物聯(lián)網4 層架構標準，從下至上依次為數據接入層、數據處理層、業(yè)務應用層和用戶交互層[2]，如圖2 所示。

圖2 中心軟件模塊設計

3.1 數據接入層

數據接入層負責所有原始數據的采集與獲取，包括與工務生產管理系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)、通信綜合網管系統(tǒng)、電源環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、供電輔助監(jiān)控系統(tǒng)等既有業(yè)務系統(tǒng)的互聯(lián)互通，以及對新增橋梁沉降監(jiān)測、聲屏障變形監(jiān)測、鐵塔傾斜監(jiān)測、涵洞水位監(jiān)測、泥石流滑坡監(jiān)測、攝像機方位監(jiān)測等新增監(jiān)測傳感器數據的采集。

既有業(yè)務系統(tǒng)的對接內容包括設備設施基礎數據、性能指標和狀態(tài)數據、病害及故障報警數據、檢查與維修計劃和工單數據等。平臺與既有業(yè)務系統(tǒng)之間的數據通信包括數據推送和數據采集2 種。數據推送內容是指鐵路基礎設施運維檢測中心通過實時監(jiān)測與數據分析產生的報警、預警信息采用主動推送的方式發(fā)送到各專業(yè)生產管理系統(tǒng)，為生產管理系統(tǒng)提供及時準確的智能運維信息；數據采集內容包括生產管理系統(tǒng)中設施基礎數據、報警數據、檢查及維修計劃和工單數據等，運維檢測平臺按照策略計劃定期從各專業(yè)生產管理系統(tǒng)中同步相應數據，為數據處理層的數據計算、數據挖掘等智能分析模塊提供數據基礎，同時也為報警和綜合評估預警提供閉環(huán)管理。既有業(yè)務系統(tǒng)的實時數據以TCP/IP 協(xié)議的方式進行通信，批量數據以定時任務的方式定期同步。

鐵路基礎設施運維檢測中心與既有生產管理系統(tǒng)對接，獲取已有業(yè)務數據作為平臺數據分析的數據源，獲取運維數據并完成對報警和綜合評估預警設施處理的流程閉環(huán)。既有業(yè)務系統(tǒng)種類多、數據量大、數據類型多樣，難以實現數據接口的標準化治理，因此平臺設計采用TCP、UDP、FTP、MQ、HTTP、RESTfulAPI等多種數據接入協(xié)議，實現與各類既有業(yè)務系統(tǒng)對接。

3.2 數據處理層

數據處理層主要負責平臺中所有數據的監(jiān)測、計算、挖掘和運維。

數據監(jiān)測主要指對既有系統(tǒng)的數據和傳感器數據進行獲取，同時對多維數據進行數據同步、數據合法性校驗、不同系統(tǒng)中數據內容的統(tǒng)一轉換、實時狀態(tài)判斷等，保障數據的準確性、同步性和完整性，為后期數據計算提供基礎保障。

數據計算包括流式計算與批量計算2 種。實時計算過程是先將原始數據存入到消息隊列中，使用流式計算引擎實時讀取消息隊列進行數據計算與業(yè)務處理的過程。批量計算通過將數據存入到分布式數據庫中，通過分布式計算引擎定期執(zhí)行業(yè)務程序，對數據進行計算與業(yè)務處理的過程。流式計算使用Spark Streaming 計算引擎，批量計算使用Spark 計算引擎。數據存儲使用分布式存儲結構，保障數據存儲的高性能，同時也保障數據容災備份和彈性擴容。存儲內容分為標準的結構化數據和非結構化數據，結構化數據使用MySQL 數據庫進行存儲，非結構化數據使用MongoDB 進行存儲[3]。

數據挖掘包括回歸分析、聚類分析、關聯(lián)分析算法等，并融入專家經驗，對數據進行學習建模，為運維決策提供智能輔助。根據業(yè)務數據特點的差異，數據挖掘技術可采用SparkML、Scikit-learn、TensorFlow等，并支持根據業(yè)務規(guī)律自定義的經驗算法。

數據運維包括元數據管理、數據標準管理、數據質量管理等。元數據管理對平臺中各種數據建立索引，形成數據之間的關聯(lián)；數據標準管理對數據格式標準進行檢查，形成標準化數據模型；數據質量管理對數據質量進行定義，檢查不合規(guī)數據內容，及時發(fā)現并進行剔除。

3.3 業(yè)務應用層

業(yè)務應用層包括基礎信息管理、配置管理、預測分析、維修決策和運維監(jiān)控等，為用戶交互層提供業(yè)務支撐，對數據處理層執(zhí)行數據操作。

3.4 用戶交互層

根據面向用戶的不同，用戶交互層設計包括大屏交互、PC 終端交互和API 網關3 種類型。

大屏交互以鐵路局調度指揮中心大屏的布局方式進行頁面設計，形成基于高鐵線路圖的全局基礎設施概覽與關鍵信息情報板相結合的展示方式，平臺界面可以在指揮中心大屏上進行綜合展示，也可在PC 終端電腦進行展示。全路基礎設施運用質量概覽顯示線路上的設施位置、綜合評估預警報警情況等，實時更新宏觀態(tài)勢。關鍵信息情報板按照模塊化松耦合方式設計，用戶可根據關心的內容定制大屏上不同區(qū)域的看板視圖。

PC 展示主要對應系統(tǒng)中各種輔助管理功能，如用戶管理、配置管理、報表定制等。

API 網關提供對外部系統(tǒng)的數據訪問接口，滿足與鐵路大數據中心等其他系統(tǒng)對接使用。

4 傳感器組網設計

中國鐵路已開展5G-R 建設規(guī)劃[4]和智能鐵路5G技術應用研究[5]，5G-R 核心網將采用云架構部署模式[6]，5G-R 無線網基站部署更加密集且支持邊緣計算[7]。鐵路基礎設施監(jiān)測傳感器具備接入數量多、數據實時性要求高、數據安全性要求高等特點，本文設計采用鐵路5G-R 專網作為鐵路基礎設施監(jiān)測傳感器聯(lián)網監(jiān)測的網絡數據通道，用于保障監(jiān)測傳感器數據通信的大連接、準實時和強安全要求。

鐵路沿線基礎設施監(jiān)測傳感器連接5G-R 終端模塊，終端模塊內置數據發(fā)送策略、控制指令等，基礎設施運維檢測中心可對終端模塊設置數據發(fā)送策略，以及對終端模塊進行指令管控。發(fā)送策略包括數據開始發(fā)送時間、數據發(fā)送間隔等，用于控制終端模塊數據發(fā)送時機。控制指令包括終端模塊鑒權、時間校準、設備下線等。

鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)通過5G-R 網絡與監(jiān)測傳感器通信，對傳感器工作狀態(tài)、采樣頻率等進行遠程設置，并接收傳感器采樣數據。運維檢測中心與5G-R 核心網路由之間通過鐵路傳輸網進行連接，中間設置防火墻保障網絡安全。

運維檢測中心與5G-R 的連接管理功能包括設備管理、行為管理、業(yè)務管理和消息管理4 個部分[8]。設備管理主要實現對5G-R 終端模塊的登記注冊、分組管理、狀態(tài)監(jiān)控、制定控制策略、下發(fā)控制指令等功能。行為管理主要實現對5G-R 終端模塊、業(yè)務屬性、歸屬基站等行為指標的分析，對于出現的5G-R 終端模塊流量指標異常生成報警信息，針對同一基站下多個終端模塊進行流量均衡分配以分散數據發(fā)送時機，從而在設計層面減少并發(fā)數據量。業(yè)務管理主要實現對監(jiān)測傳感器業(yè)務數據的可達性、完整性和數據流量進行統(tǒng)計分析，保證基礎設施監(jiān)測的持續(xù)性。消息管理統(tǒng)一管理5G-R 終端模塊的上線消息、離線消息、實時告警消息、定時上傳的性能指標消息等內容，檢測并分析信息合規(guī)性，對數據發(fā)送異常的終端模塊進行阻斷控制。

5 網絡安全設計

根據《信息系統(tǒng)安全等級保護定級指南》中關于信息系統(tǒng)定級原理的指示，本文提出的基于5G-R 的鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)網絡安全等級保護定義為二級。為保證平臺與既有業(yè)務系統(tǒng)對接安全，按照網絡安全等級保護二級要求，從訪問控制、邊界完整性檢查、入侵防范、安全審計、惡意代碼防范、數據備份恢復等多個方面進行系統(tǒng)的安全設計，設置網閘、防火墻、IPS（入侵防御系統(tǒng)）、日志審計、防病毒、漏洞掃描和接口服務器等安全設備。網閘進行跨網隔離，針對具體通信協(xié)議配置策略，保障在隔離的同時可以進行數據交換。防火墻部署訪問控制策略，針對業(yè)務所需IP、端口、協(xié)議設置白名單，屏蔽除白名單之外的所有IP、端口、協(xié)議，保障邊界安全。通過網絡安全管控服務中的漏洞掃描功能實現系統(tǒng)網絡設備的漏洞安全掃描，保證網絡設備安全。對智能運維終端和服務器加裝防病毒軟件，保證終端和服務器安全。所有設備事件及操作均形成相應的審計日志，通過日志審計服務器進行統(tǒng)一審計處理。

6 結束語

本文提出的基于5G-R 的鐵路基礎設施運維檢測系統(tǒng)由智能運維檢測中心、既有生產管控系統(tǒng)、5G-R連接通道和現場監(jiān)測傳感器等幾部分構成，具備對鐵路工務、電務、供電等專業(yè)基礎設施集中運維管控能力，實現了鐵路基礎設施全要素綜合協(xié)同、全周期智能運維，為智能鐵路2.0 的全面實施提供了綜合管控作業(yè)平臺，對提升鐵路跨專業(yè)運維質量、提高鐵路綜合運維效率提供了可靠的技術方案。