鐵路通信信號檢測控制與編輯系統設計與實現

段賀輝，許慶陽，楊 吉

（1.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081；2.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）

隨著高速鐵路網的基本建成，以及鐵路列車運營速度的提升，基礎設施保障顯得尤為重要，亟需提升高速綜合檢測列車的作業效率、智能化和集成化水平。在鐵路通信、信號檢測方面，依托于高速綜合檢測列車通信信號檢測系統[1-2]，每月對高速鐵路和部分普速干線鐵路通信信號進行檢測，通過對各項測試結果進行分析可掌握鐵路通信、信號基礎設施運用狀態。高速綜合檢測列車通信信號檢測系統（簡稱：通信信號檢測系統）運用過程中發現如下不足：自動化程度低，在換線檢測時，需要人工進行線路重選、基礎數據庫添加等操作后再啟動測試，檢測人員工作強度大；智能化程度低，缺少對系統自身運行狀態監測的功能，檢測人員需要手動完成日報、日志、漏檢的填報；通信信號檢測頻次低，測試樣本難以滿足檢測標準要求[3]，難以準確評價鐵路移動通信系統（GSM-R，Global System for Mobile Communications - Railway）運行質量[4]。

結合新一代高速綜合檢測列車“更集成、更智能”的設計目標，設計了集中控制系統和數據歸集系統，實現了通信信號檢測系統的運行狀態監測、任務自動控制、數據集中管理等功能。但在通信、信號檢測方面，由于檢測項目繁多、傳感器復雜，給集中控制系統的統一管理造成負擔，尤其在檢測任務分發方面，很難實現統一控制。

因此，本文設計鐵路通信信號檢測控制與編輯系統（簡稱：檢測編輯系統），對通信信號檢測系統各檢測項目進行匯聚后，統一與集中控制系統進行交互，在便于集中控制系統對通信信號檢測管理的同時，也可在集中控制系統缺失的情況下，實現通信信號檢測的自動化。

1 總體架構

檢測編輯系統采用C/S架構設計，如圖1所示。

圖1 檢測編輯系統總體架構

1.1 系統交互層

依賴C#語言開發，采用WinForm技術進行界面設計，后端采用SQL Server數據庫作數據存儲，各系統間及下位機通信采用Socket方式，通過Log4net進行日志記錄，采用EPPlus作數據導出。

1.2 業務處理層

完成檢測數據的解析存儲，管理下位機超限閾值、參數配置及文件升級包等，管理檢測臺賬，對超限數據進行有效性標識等。

1.3 展示控制層

用于人機交互，包括通信信號檢測系統的運行狀態監測、檢測位置跟蹤、檢測記錄數據展示、超限編輯，以及檢測臺賬的增刪改查，一鍵關機等功能。

2 系統功能模塊

檢測編輯系統作為集中控制系統與通信信號檢測系統的通信接口，傳遞集中控制系統指令，收集通信信號檢測系統的運行狀態信息、檢測結果，處理超限數據。檢測編輯系統設計數據存儲模塊、數據交互與處理模塊、顯示與操控模塊，模塊之間相互關聯，在模塊間協同作業同時完成各自的功能。檢測編輯系統功能框架如圖2所示。

圖2 檢測編輯系統功能框架

2.1 數據存儲模塊

用于存儲與各系統交互的數據、檢測基礎數據等，包括SQL Sever數據庫、磁盤文件這2類文件。用于管理檢測過程中的測試數據，包括檢測任務信息、超限數據、檢測記錄等；檢測基礎數據包括檢測臺賬、參數配置文件。本系統以FreeSql方式訪問數據庫[5]，記錄測試任務信息，建立超限數據和檢測記錄索引關系，實現數據之間的關聯和定位。在超限數據和檢測記錄方面，創建標識字段，指明數據的有效性和可用性；在報告生成環節進行有效數據提取；對于參數配置文件和檢測臺賬等大文件數據，采用磁盤文件方式管理，通過數據庫索引指向磁盤文件[6]，提升文件的訪問速率，同時減少數據庫文件的占用空間。

2.2 數據交互與處理模塊

實現與各系統交互、數據解析和數據歸集等。本系統在執行過程中，需要同時完成與集中控制系統、數據歸集系統及通信信號檢測系統（即：下位機）采集軟件的交互，基于交互的多樣性及并發性，該模塊采用異步TCP通信方式設計[7]，以事件驅動的方式實現多點并發交互。交互內容如下：（1）與集中控制系統：檢測編輯系統接收提取任務控制指令，分發至各下位機采集軟件，同時將各下位機采集軟件的狀態信息，轉發至集中控制系統；（2）與下位機采集軟件：監聽并連接下位機的注冊服務，發送任務指令、監控鏈路狀態并收集下位機系統運行狀態信息；（3）與數據歸集系統：將數據庫增量文件、磁盤文件實時匯聚至數據歸集系統。

2.3 顯示與操控模塊

實現檢測結果數據與下位機運行狀態等信息的呈現，同時具備超限復核、檢測控制等。顯示與操控功能模塊是人機交互接口，實時顯示行車信息、超限記錄、下位機運行狀態，管理檢測臺賬數據，編輯超限數據，生成檢測日報等。

3 系統工作流程

檢測編輯系統初始化后，連接數據庫系統、集中控制系統、下位機采集軟件等外部系統，待各系統連接正常，對下位機采集軟件進行版本核查并執行版本更新操作，準備就緒；監聽集中控制系統任務指令并轉發至下位機采集軟件，同時，接收下位機采集軟件上報的下位機運行狀態及其任務執行狀態、超限數據、檢測記錄等；當次檢測數據經過人工復核并被進行有效性標記后，將有效數據根據任務索引生成檢測日報。檢測編輯系統工作流程如圖3所示。

圖3 檢測編輯系統工作流程

4 關鍵技術

4.1 FreeSql及數據庫觸發機制

FreeSql是一款對象關系映射（ORM，Object Relational Mapping）程序的國產框架，支持.NetStandard運行平臺，如.NetFramework 4.0+、.NetCore 2.1+、Xamarin等，使用由實體類表示數據庫表或視圖等可查詢和保存數據的模型執行數據訪問，兼容多數據庫平臺，支持同步/異步數據庫操作方法、鏈式查詢方法，以及讀寫分離、分表分庫等操作。該技術可在多數據源模式下，更好地協調處理各數據源的多樣性，保證記錄數據的唯一性和準確性，在避免數據庫訪問沖突、提升數據庫的查詢和修改效率的同時，保障了檢測編輯系統在數據庫處理方面的穩定性和高效性。采用數據庫觸發機制[8]，新的檢測結果及下位機告警數據入庫時，可實時觸發本系統進行界面刷新，向用戶及時發出告警信號，使用戶及時了解告警信息并進行系統修復等。

4.2 異步TCP通信及多點連接

采用異步TCP通信，實現一對多通信服務[9]，同時管理多臺下位機的測試任務并監控其運行狀態。檢測編輯系統開啟TCP監聽服務，待下位機采集軟件向其注冊連接后，建立一條獨立通道與下位機進行交互，在交互過程中，本系統采用多線程并發控制機制，使設備運行狀態、任務管控、數據交互等各項服務同時進行，保證下位機有序、穩定地完成測試任務。在管理下位機的同時，連接集中控制系統，向其匯聚下位機的運行狀態及其任務執行狀態。

4.3 文件版本管理

本系統通過記錄各下位機終端文件版本信息，與集中控制系統交互過程中獲取的新版本文件進行比對，當集中控制系統文件版本較高時，獲取新的文件并覆蓋本地磁盤原版本文件；下位機啟動后與檢測編輯系統進行版本比對，根據版本信息進行版本升級并執行重啟操作，文件版本更新流程如圖4所示。

圖4 文件版本更新流程

4.4 斷線重連機制

為保障測試任務的唯一性和檢測數據的完整性，設計斷線重連機制，保證檢測編輯系統與下位機采集軟件在某一方故障并重新建立連接后，下位機采集軟件可及時收到測試任務并進行重復性判斷，使得同一任務的順利執行，具體流程如下：（1）下位機采集軟件啟動并與檢測編輯系統建立連接，請求新版本文件數據并自行更新；（2）下位機采集軟件上報狀態監測數據，包括下位機運行狀態、告警信息、故障信息等；（3）斷線分2種情況，一種為故障重啟，連接后需要先同步文件信息，后接收任務數據并執行檢測，另一種為網絡中斷，直接請求任務數據即可。通過斷線重連機制可保障檢測任務執行的可持續性，檢測編輯系統與下位機采集軟件完整交互流程如圖5所示。

圖5 檢測編輯系統與下位機采集軟件交互流程

5 試驗驗證

在實驗室和動態檢測環境下，對檢測編輯系統的功能和穩定性進行動/靜態試驗，從下位機采集軟件運行狀態及測試任務執行狀態反饋的實時性、下位機檢測結果與本系統呈現結果的一致性、數據記錄的準確性等方面，對關鍵技術進行驗證。

5.1 下位機采集軟件運行狀態監測

搭建實驗室模擬測試環境，驗證下位機采集軟件對集中控制系統下發的任務執行情況、故障信息反饋及斷線重連機制等。

（1）下位機接通電源，通過檢測編輯系統查看下位機采集軟件運行狀態，如圖6（a）所示，下位機在線以藍色圖標展示；

圖6 下位機采集軟件狀態監測結果

（2）集中控制系統下發測試任務，通過檢測編輯系統轉發至下位機采集軟件，各下位機采集軟件執行任務并上報下位機運行狀態，如圖6（b）所示，任務執行以綠色圖標展示；

（3）任務執行中，強制重啟通信檢測下位機，通過檢測編輯系統查看狀態變化為：圖6（b） →圖6（c）→ 圖6（b），顯示了下位機采集軟件的離線（灰色代表離線）、在線變化過程；

（4）任務執行中，對下位機中通信檢測模塊設置故障信息，檢測編輯系統狀態展示為圖6（d）（紅色代表故障）。

5.2 檢測結果一致性

在綜合檢測列車安裝集中控制系統、檢測編輯系統及下位機采集軟件，進行動態綜合試驗[10]，在試驗過程中，對比下位機采集軟件上報的檢測結果與檢測編輯系統呈現結果的一致性，選取部分路段，對比結果如圖7所示，其中，圖7（a）為下位機中信號檢測模塊采集軟件識別的檢測結果，圖7（b）為檢測編輯系統呈現的檢測結果。

圖7 超限數據一致性對比

5.3 數據記錄的實時性

在下位機采集軟件執行當次檢測任務后，自動進行測試指標統計，將統計結果上報至檢測編輯系統，在2次任務切換時，檢測編輯系統實時呈現當次檢測任務的統計結果。選擇2條線路對測試樣本數進行一致性對比分析，對比結果如表1所示，經過對比，檢測編輯系統的記錄數據與下位機采集軟件的實測數據結果一致。

表1 記錄數據與實測數據樣本數對比

5.4 檢測日報生成

在動態綜合試驗過程中，對檢測日報一鍵生成功能進行驗證，點擊創建通信（信號）報告選項，根據提示，選擇當日檢測任務，本系統會自動填充報告基本信息，包括下位機運行狀態、實際檢測里程、檢測結果、記錄人員等信息，日報生成后，自動存儲至SQL數據庫服務器。

6 結束語

通信信號檢測控制與編輯系統的設計開發，建立了集中控制系統與通信信號檢測系統的交互通道，實現了通信信號檢測系統的運行狀態監測、任務自動控制、檢測結果復核，以及檢測日報的一鍵生成等，通過實驗室和綜合檢測列車的動/靜態試驗，對所設計開發的系統的實時性及檢測結果的準確性進行了試驗和結果分析。試驗結果表明，該系統實現了通信信號檢測系統的自動化和智能化，提升了通信信號檢測效率和質量，滿足新一代高速綜合檢測列車的要求。