侯智雄，王昊，郝蕊

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

中國國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布了最新的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016年）指出，到2020年中國鐵路網(wǎng)規(guī)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(fā)展，列車的安全可靠運行越發(fā)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(tài)，為工務(wù)系統(tǒng)線路維修提供真實可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)。鐵路通信技術(shù)在機車檢修系統(tǒng)中的作用尤為突出，是確保鐵路系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵［2］。地面系統(tǒng)如果能夠及時獲得軌道檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)列車的實時監(jiān)測以及遠程故障診斷，為列車調(diào)度決策提供更好的實際數(shù)據(jù)支撐，避免事故發(fā)生［3］。但是由于檢測業(yè)務(wù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)按線路分段、數(shù)據(jù)種類較多、數(shù)據(jù)量大，現(xiàn)有的檢測模式都采用列車?？空緯r由添乘人員人工拷貝數(shù)據(jù)、刻錄光盤的方式采集獲取數(shù)據(jù)，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(fā)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)中的安全隱患。依據(jù)以上現(xiàn)場迫切需要解決的問題，基于軌道檢測車中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的車地傳輸，提出結(jié)合4G無線網(wǎng)絡(luò)和地面服務(wù)器的車地無線傳輸方式，實現(xiàn)軌道檢測車上檢測合成數(shù)據(jù)傳輸至地面系統(tǒng)，利用無線傳輸、斷點續(xù)傳、斷點重連等技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜁r效性，利用對于傳輸數(shù)據(jù)重組、數(shù)據(jù)加密解密、數(shù)據(jù)壓縮解壓等技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩透咝?。目前，該無線傳輸系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測車中，運行穩(wěn)定可靠，大大降低了檢測系統(tǒng)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(tǒng)通過2G/3G/4G無線移動網(wǎng)接入，支持移動、電信、聯(lián)通3大運營商，可在任意時間任意地點無縫接入網(wǎng)絡(luò)，要在當前信號最穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)和最快的網(wǎng)絡(luò)做出選擇。傳輸數(shù)據(jù)過程中的技術(shù)標準遵循鐵路數(shù)據(jù)傳送的技術(shù)標準，幀的有效數(shù)據(jù)封裝，遵循成熟的一系列國網(wǎng)標準。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，我國在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測方面，主要使用高速綜合檢測列車進行基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測，普速線路使用軌道檢測車進行軌道狀態(tài)檢測。無論是綜合檢測列車還是軌道檢測車，車輛檢測數(shù)據(jù)均由專職人員分段上車手工拷貝數(shù)據(jù)，再交由地面人員進行數(shù)據(jù)分析，還沒有檢測數(shù)據(jù)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(shè)備上實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地無線傳輸［4］（見圖1）。

圖1 基于移動通信運營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸架構(gòu)

2 系統(tǒng)研制

2.1 總體思路

車地無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計用于軌道檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在動態(tài)檢測過程中，將軌道檢測裝置中采集端采集和處理的數(shù)據(jù)以加密文件形式，通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)實時傳送到地面數(shù)據(jù)分析服務(wù)中心，地面中心接收到采集數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)重組、超限判斷和趨勢分析，從而實現(xiàn)缺陷預(yù)警，保證鐵路生產(chǎn)和運行的安全。無線傳輸組件為檢測車輛上重要組件，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集端即可對地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，無需在車上安裝服務(wù)器及相應(yīng)軟件再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，減少了系統(tǒng)整體設(shè)備數(shù)量，為車上不安裝或少安裝設(shè)備創(chuàng)造條件。

2.2 硬件

無線傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和采集設(shè)備組成，4G傳輸設(shè)備采用華為AR503EDGW-Lc系列無線網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)采集設(shè)備的4G網(wǎng)絡(luò)連接。無線網(wǎng)關(guān)具有2個LTE模塊，支持安裝4個SIM卡使用，可同時進行數(shù)據(jù)傳輸，并支持負載分擔。通過移動通信運營商的3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)，將這些數(shù)據(jù)信息傳送到地面中心的服務(wù)器。設(shè)備支持系統(tǒng)終端和地面中心之間的大容量、安全、連續(xù)、可靠的雙向通信。AR503系列敏捷網(wǎng)關(guān)遵循工業(yè)級標準，防塵、防水、抗振、耐高溫，在惡劣氣候和嚴酷環(huán)境下仍然能穩(wěn)定可靠的運行，防護等級達到IP54；且專為動車組車內(nèi)的無線上網(wǎng)或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)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(wǎng)絡(luò)TDD/FDD LTE作為數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，向下自動兼容3G網(wǎng)絡(luò)，可用無線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供長距離數(shù)據(jù)傳輸功能，同時提供GPS和北斗定位功能。

基于以上設(shè)備優(yōu)點，故選擇AR503EDGW-Lc系列無線網(wǎng)關(guān)作為軌道檢測系統(tǒng)車地數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。

2.3 軟件

無線傳輸系統(tǒng)的軟件研發(fā)主要分為采集端和服務(wù)器端2部分，對設(shè)備狀態(tài)自動收集和集中處理［5］。采集端將車載檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備向地面服務(wù)器端發(fā)送，而服務(wù)器端軟件要保證文件的傳輸、存儲、查詢，終端設(shè)備的管理、同步等功能，并需持續(xù)確認客戶端和地面服務(wù)器端的通信匹配，車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)見圖2。

圖2 軌道檢測車地無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研制

3.1 采集端軟件

采集端實現(xiàn)將車載檢測數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備向地面服務(wù)器端發(fā)送，軌道檢測系統(tǒng)采集端生成4種數(shù)據(jù)文件:波形文件、超限文件、曲線數(shù)據(jù)文件、TQI數(shù)據(jù)文件，采集端軟件會將此4類文件實時傳輸至地面服務(wù)器端，除此之外采集端和服務(wù)器端會有交互的控制類數(shù)據(jù)及斷點續(xù)傳文件數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)重連和斷點續(xù)傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，同時采集端實時監(jiān)控與地面服務(wù)器通信，采集端數(shù)據(jù)交互流程見圖3。

圖3 采集端數(shù)據(jù)交互流程

采集端處理軟件分為數(shù)據(jù)采集模塊、用戶接口模塊、軌道檢測控制邏輯模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實時數(shù)據(jù)提取模塊、數(shù)據(jù)存儲/上傳模塊、遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)從CAN口、串口等接口接收慣性組件、圖像數(shù)據(jù)、里程校正信息等數(shù)據(jù)［6］；用戶接口模塊實現(xiàn)系統(tǒng)界面與底層數(shù)據(jù)交互［7］；軌道檢測控制邏輯模塊實現(xiàn)采集端驅(qū)動程序及數(shù)據(jù)采集功能［8］；數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的合成及數(shù)據(jù)濾波處理；實時數(shù)據(jù)提取模塊實現(xiàn)對波形數(shù)據(jù)和超限數(shù)據(jù)的發(fā)送；數(shù)據(jù)存儲/上傳模塊實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)的實時上傳［9］；遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)采集端與地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互、身份驗證、斷點重連機制、命令數(shù)據(jù)的傳輸［10］。采集端系統(tǒng)實現(xiàn)流程見圖4。

圖4 采集端系統(tǒng)實現(xiàn)流程

3.2 服務(wù)器端管理軟件

服務(wù)器端管理軟件通過廣域網(wǎng)絡(luò)接口與地面采集端鏈接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過10001端口與采集端進行數(shù)據(jù)交互，通過10002端口實現(xiàn)與地面管理軟件的交互，實現(xiàn)流程見圖5。服務(wù)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(shù)；（4）接收采集端運行信息和檢測數(shù)據(jù)；（5）檢測采集端上是否有尚未傳輸?shù)臋z測數(shù)據(jù)，若有則傳輸至服務(wù)器端；（6）實現(xiàn)對于采集端設(shè)備的管理，運行狀態(tài)監(jiān)測；（7）操作日志和故障日志記錄。

圖5 服務(wù)器端管理軟件實現(xiàn)流程

服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)類型見表1，不同數(shù)據(jù)類型代表服務(wù)器往采集端發(fā)送的不同類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備收到后會做相應(yīng)處理。

4 樣機系統(tǒng)動態(tài)試驗驗證

在某檢測車輛上安裝軌道檢測系統(tǒng)車地無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，軌道檢測系統(tǒng)檢測合成的數(shù)據(jù)包括波形數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、TQI數(shù)據(jù)，可隨檢測車運行實時將上述數(shù)據(jù)發(fā)送至地面，且車上數(shù)據(jù)均由數(shù)據(jù)采集端直接發(fā)送至地面系統(tǒng)，無需安裝服務(wù)器設(shè)備及軟件，既減少了車載設(shè)備數(shù)量又實現(xiàn)了檢測數(shù)據(jù)的實時無線傳輸，為實現(xiàn)檢測系統(tǒng)車上無人值守完成了技術(shù)儲備。

表1 車地數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型

軌道檢測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)于2018年11月在南方某運營線路進行動態(tài)試驗，對軌道檢測系統(tǒng)采集端數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)進行整體測試，驗證車地無線傳輸數(shù)據(jù)完整性、時效性。檢測人員在車上通過軌道檢測系統(tǒng)網(wǎng)管平臺實現(xiàn)對于采集端的車上干預(yù)控制，網(wǎng)管平臺通過Web瀏覽器實現(xiàn)軌檢設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、配置文件上傳下載、數(shù)據(jù)文件上傳下載、軌檢應(yīng)用程序升級、軌檢運行狀態(tài)查看、重啟軌檢系統(tǒng)及檢測設(shè)置等功能（見圖6）。

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

回傳至地面服務(wù)器數(shù)據(jù)列表見圖8，車上采集端數(shù)據(jù)與服務(wù)器數(shù)據(jù)完全對應(yīng)。

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

圖6 采集系統(tǒng)運行界面

圖7 車上采集端合成數(shù)據(jù)

圖8 回傳至地面服務(wù)器數(shù)據(jù)列表

圖9 車上地面波形數(shù)據(jù)對比

回傳至地面服務(wù)器超限數(shù)據(jù)，與車上采集端超限數(shù)據(jù)對比完全一致（見圖10），數(shù)據(jù)無丟失。

圖10 車上地面超限數(shù)據(jù)對比

回傳至地面服務(wù)器軌道檢測鋼軌不平順TQI數(shù)據(jù)，車上采集端TQI數(shù)據(jù)與地面服務(wù)器TQI數(shù)據(jù)對比完全一致（見圖11），數(shù)據(jù)無丟失。

圖11 車上地面TQI數(shù)據(jù)對比

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

圖12 車上地面曲線數(shù)據(jù)對比

經(jīng)檢測車輛實車動態(tài)測試，車上采集端生成的軌道檢測數(shù)據(jù)可以隨軌道檢測車輛運行實時傳輸至地面服務(wù)器端，且車上生成數(shù)據(jù)與地面服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)完全一致，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可以實時全部傳輸至地面。地面操作人員也可通過服務(wù)器端軟件對車上采集的數(shù)據(jù)選擇性下載，并可以遠程對采集端進行配置。

5 結(jié)束語

數(shù)據(jù)無線傳輸組件包括采集端車地數(shù)據(jù)傳輸軟件、地面服務(wù)器端軟件，地面檢測人員可以通過地面服務(wù)器端軟件實現(xiàn)車上檢測數(shù)據(jù)的上傳、下載，經(jīng)過實車測試傳輸數(shù)據(jù)完整無誤，采集端存儲數(shù)據(jù)與地面接收到的數(shù)據(jù)對比完全一致，完成項目要求開發(fā)內(nèi)容。地面服務(wù)器端軟件有可視化操作界面，方便操作人員使用。車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還具備地面數(shù)據(jù)中心遠程對于采集設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)控、遠端系統(tǒng)升級等功能。數(shù)據(jù)無線傳輸組件為地面數(shù)據(jù)中心研發(fā)軌道病害智能分析系統(tǒng)打下了堅實基礎(chǔ)。