姚全樂，李 飛，王 超，王成福，劉 琦

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，機(jī)務(wù)運(yùn)用領(lǐng)域存在海量機(jī)車車載記錄數(shù)據(jù)。由于人工分析能力不足，車載數(shù)據(jù)與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)、“110”信息、故障履歷、配件技術(shù)參數(shù)等多元數(shù)據(jù)難以融合，故障查找與處理效率低下；并且，車載數(shù)據(jù)文件及音視頻等大容量車載文件全部依賴人工進(jìn)行單獨(dú)轉(zhuǎn)儲及子項(xiàng)分析，存在分析效率低、覆蓋面不足的弊端［1-2］。僅機(jī)車監(jiān)控方面，平均一臺車每天產(chǎn)生約20 GB的視頻數(shù)據(jù)。由于視頻數(shù)據(jù)采用人工轉(zhuǎn)儲方式，且多為事后分析，經(jīng)常會出現(xiàn)因視頻數(shù)據(jù)丟失而造成事后分析難以排查、追蹤事故原因的情況。文獻(xiàn)［3-5］提出了一種基于WLAN的機(jī)車數(shù)據(jù)下載方式，指出通過地面無線訪問節(jié)點(diǎn)（access point，AP）位置和角度調(diào)整，使無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率得到了一定的提升。但是，這種傳統(tǒng)的無線下載方式的傳輸速率仍然無法滿足在有效時間內(nèi)完成機(jī)車數(shù)據(jù)記錄文件及音視頻數(shù)據(jù)下載的要求。文獻(xiàn)［6］提出了一套基于5G通信技術(shù)的車地傳輸系統(tǒng)，但其只是對車載與車地傳輸做了研究，未體現(xiàn)地面配套施工設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)落地后的智能應(yīng)用情況，無法完全滿足鐵路智能運(yùn)維需求。目前，國外已經(jīng)基于數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開展了端到端多路徑并行數(shù)據(jù)傳輸研究［7］，但尚缺乏針對鐵路系統(tǒng)這種高安全性和可靠性應(yīng)用環(huán)境的研究和應(yīng)用［8］。

針對上述問題和挑戰(zhàn)，本文基于文獻(xiàn)［6］，綜合機(jī)車車載系統(tǒng)、地面?zhèn)鬏斂刂葡到y(tǒng)及運(yùn)用信息綜合智能分析系統(tǒng)功能，采用5G通信技術(shù)、車地一體化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、多維數(shù)據(jù)聯(lián)動分析技術(shù)，構(gòu)建了一套基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車數(shù)據(jù)高速傳輸、多系統(tǒng)聯(lián)動智能分析、快速定位機(jī)車故障并輸出分析結(jié)果。該系統(tǒng)通過端到端高速微波鏈路傳輸、波束賦形、斷點(diǎn)續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密與校驗(yàn)、大數(shù)據(jù)人工智能分析等技術(shù)提升了車載數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性，更好地挖掘數(shù)據(jù)應(yīng)有價值，降低數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)難度，擴(kuò)大數(shù)據(jù)分析的覆蓋面，提升分析效率和質(zhì)量，能做到及時分析、有據(jù)可查、提前防控，以確保出庫機(jī)車質(zhì)量。

1 基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、車地傳輸系統(tǒng)和地面智能應(yīng)用系統(tǒng)3部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。車載系統(tǒng)完成對機(jī)車視頻、車載微機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)信息、6A系統(tǒng)數(shù)據(jù)和LKJ系統(tǒng)信息等的采集與存儲，并與車載天線設(shè)備互聯(lián)，支持1GE/2.5GE/10GE速率傳輸。車地傳輸系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)視5G鏈路中機(jī)車連接狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車處于無線基站覆蓋范圍時，將自動發(fā)起并建立車載主機(jī)與地面5G基站的高速連接，并將機(jī)車運(yùn)行過程中的視頻、設(shè)備狀態(tài)信息等車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到地面高速緩存。地面智能應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對已采集機(jī)車數(shù)據(jù)的多維聯(lián)動智能分析，快速定位機(jī)車故障并輸出分析結(jié)果，全面支撐機(jī)車運(yùn)用、檢修和維護(hù)工作。

圖1 基于5G高速網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of the locomotive data application system based on 5G high speed network

該機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、微服務(wù)、多維數(shù)據(jù)聯(lián)動分析、斷點(diǎn)續(xù)傳等技術(shù)，在5G通信技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)6A、LKJ、TCMS、CMD等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速自動轉(zhuǎn)儲；同時系統(tǒng)可配套完成機(jī)車大容量數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的綜合聯(lián)動分析，如LKJ與音視頻數(shù)據(jù)、6A監(jiān)測數(shù)據(jù)、車載TCMS（或EDRM）數(shù)據(jù)等多種類型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)互通和一體化分析；實(shí)現(xiàn)對LKJ違章項(xiàng)點(diǎn)、運(yùn)行曲線、全程記錄、安全因素、關(guān)鍵事件與音視頻的聯(lián)動分析；實(shí)現(xiàn)視頻智能識別、對司機(jī)行為違章項(xiàng)點(diǎn)的智能分析，并自動檢索司乘人員違章信息。

2 車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)包含車載主機(jī)及配套的數(shù)據(jù)采集與傳輸程序、車載5G終端和線纜若干。車載主機(jī)采用雙存儲冗余設(shè)計(jì)，具備持續(xù)采集與緩存機(jī)車各系統(tǒng)數(shù)據(jù)、5G空口連接狀態(tài)檢測與連接建立、數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲、斷點(diǎn)續(xù)傳及數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)功能，并通過線纜與車載5G終端連接；車載5G終端內(nèi)置天線，用于接收車載主機(jī)的數(shù)據(jù)并傳輸給地面軌旁5G基站（RBS）。其構(gòu)成及功能如圖2所示。

圖2 車載子系統(tǒng)構(gòu)成與功能圖Fig.2 Structure and function diagram of on-board system

2.1 車載系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

車載系統(tǒng)硬件包括車載主機(jī)與車載5G終端。車載主機(jī)內(nèi)置固態(tài)硬盤（SSD），支持2路2.5GE接口，具備千兆以太網(wǎng)接口及USB接口。車載5G終端是車地轉(zhuǎn)儲解決方案中的車載終端設(shè)備，集成了相控陣天線，可提供1路2.5GE業(yè)務(wù)接口。

2.1.1 車載主機(jī)

車載主機(jī)通過千兆以太網(wǎng)接口實(shí)時接收6A、CMD和LKJ等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具備1 TB存儲容量。車載主機(jī)由電源插件、CPU插件（主板）、交換機(jī)插件和2塊存儲插件組成。其中，CPU插件（主板）用于實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線鏈路通暢條件下的高速數(shù)據(jù)發(fā)送；2塊存儲插件組成磁盤整列，互為備份，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

車載主機(jī)結(jié)構(gòu)見圖3，其主要性能參數(shù)包括：供電電源電壓范圍為DC 66～154 V；輸出電壓為DC 12 V/6 A，DC 48 V/3 A；有2路千兆以太網(wǎng)接口支持PoE功能，PoE輸出功率不小于71 W。

圖3 車載主機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of on-board host

2.1.2 車載5G終端

車載5G終端采用千兆以太網(wǎng)與車載主機(jī)通信并獲取供電，采用高頻無線通信技術(shù)完成大容量數(shù)據(jù)的車地傳輸，其點(diǎn)對點(diǎn)通信速率可達(dá)1Gb/s，用于接收車載轉(zhuǎn)儲天線發(fā)送的大容量數(shù)據(jù)。

車載5G終端性能參數(shù)及配置如下：工作電壓為56 V，由PoE供電；天線尾部引出以太網(wǎng)線，連接PoE設(shè)備以獲取電源；天線尾部引出光纖，連接光纖交換機(jī)以傳輸數(shù)據(jù)；防護(hù)等級≥IP67，可直接安裝在室外。

2.2 車載系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)車的整車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與牽引、制動、列車供電、安全防護(hù)等系統(tǒng)通過多功能車輛總線（MVB）或以太網(wǎng)相連，以進(jìn)行控制指令和設(shè)備狀態(tài)信息的交互［9］。通過機(jī)車整車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有機(jī)車車載設(shè)備進(jìn)行對接，可實(shí)現(xiàn)機(jī)車安全視頻（6A視頻）數(shù)據(jù)以及LKJ、CMD系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并通過車載5G終端及軌旁5G基站構(gòu)建的5G傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)不停車情況下大容量數(shù)據(jù)的高速自動轉(zhuǎn)儲。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集功能

車載主機(jī)通過以太網(wǎng)接口采集6A系統(tǒng)AV3（視頻存儲板）的視頻數(shù)據(jù)，每15 min保存一個視頻文件，并通過車載主機(jī)內(nèi)置SSD硬盤將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；通過RS485接口采集LKJ系統(tǒng)TAX數(shù)據(jù)并以文件形式記錄在內(nèi)置SSD硬盤中；通過以太網(wǎng)接口采集車載微機(jī)系統(tǒng)（TCMS）數(shù)據(jù)以及CMD系統(tǒng)文件和6A系統(tǒng)CPP文件，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲采用記錄文件形式，記錄在內(nèi)置SSD硬盤中。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

車載主機(jī)持續(xù)采集機(jī)車各系統(tǒng)數(shù)據(jù)并緩存在車載主機(jī)內(nèi)置SSD硬盤中，同時實(shí)時檢測5G空口連接狀態(tài)；建立連接后，與地面轉(zhuǎn)儲軟件平臺配合發(fā)起文件轉(zhuǎn)儲并完成數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)。傳輸由無線通信心跳功能觸發(fā)，傳輸內(nèi)容包括6A系統(tǒng)AV3的視頻數(shù)據(jù)、車載微機(jī)系統(tǒng)（TCMS）數(shù)據(jù)、CMD系統(tǒng)文件、6A系統(tǒng)文件及LKJ文件等數(shù)據(jù)信息。

3 車地傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車地傳輸系統(tǒng)由軌旁5G基站和地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺組成。車地傳輸系統(tǒng)具備自動建立5G超寬帶無線鏈路的功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠、安全的轉(zhuǎn)儲；同時還具備數(shù)據(jù)自動管理與智能調(diào)度分發(fā)的功能。

3.1 軌旁5G基站設(shè)計(jì)

地面軌旁5G基站設(shè)備的規(guī)劃不僅受地面站的覆蓋規(guī)劃、地面軌旁5G基站設(shè)備數(shù)量規(guī)劃的影響，還受機(jī)車進(jìn)出整備車間線路環(huán)境的影響，主要涉及地面高速緩存、網(wǎng)絡(luò)及資源等。為了保證數(shù)據(jù)下載速率，機(jī)車入庫或與整備車間相關(guān)的并發(fā)進(jìn)路軌道數(shù)、整備區(qū)股道數(shù)、咽喉區(qū)距離、咽喉區(qū)信號燈數(shù)量、過咽喉區(qū)時間等都是需要考慮的因素［10］。基于目前鐵路各站段對5G轉(zhuǎn)儲業(yè)務(wù)的實(shí)際需求與機(jī)車實(shí)際運(yùn)用場景［11］，本文選擇朝向整備場和朝向進(jìn)車線分別部署兩套地面軌旁5G基站的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 軌旁5G基站設(shè)備施工布置Fig.4 Construction layout of track-side 5G base station equipments

雖然在地面軌旁5G基站安裝了定向天線，在車頂安裝了一個5G終端且面向車頭前方，但當(dāng)機(jī)車入段時，仍無法確定哪端為入庫方向。為確保足夠的通信距離，在地面軌旁安裝了2套5G基站設(shè)備。這樣，當(dāng)機(jī)車在進(jìn)車線入段區(qū)、整備作業(yè)區(qū)、整備完成待發(fā)區(qū)時，可實(shí)現(xiàn)全方位的信號覆蓋，即機(jī)車無論從哪個方向入庫，均可實(shí)現(xiàn)有效通信。

地面軌旁5G基站與車載5G終端通過掃描與自動對準(zhǔn)技術(shù)，建立穩(wěn)定、高速的傳輸通道。為了保證信號的覆蓋范圍，設(shè)定天線水平掃描角度為90°，垂直掃描角度為30°。由于車地5G通信采用60 GHz高頻定向波束，為了保證傳輸質(zhì)量，地面軌旁5G基站安裝高度設(shè)置為7 m（安裝高度大于機(jī)車高度，小于2倍機(jī)車高度），且面向軌道安裝［5］。地面軌旁5G基站覆蓋半徑為300 m，地面天線與車載天線之間不能有大體積的障礙物。圖5所示為兩套地面5G基站（RBS）的覆蓋方向和角度。

圖5 地面基站（RBS）覆蓋方向和角度設(shè)計(jì)Fig.5 Design of coverage direction and angle of ground base station(RBS)

3.2 地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺設(shè)計(jì)

地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺承擔(dān)著地面高速轉(zhuǎn)儲程序與車載主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸程序之間通信的任務(wù)，負(fù)責(zé)將車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到地面文件服務(wù)器并開放給各類型的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，無線轉(zhuǎn)儲平臺主程序功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無線轉(zhuǎn)儲平臺主程序功能結(jié)構(gòu)Fig.6 Functional structure of the main program of the wireless dump platform

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲模塊主要處理車地報(bào)文交互以及調(diào)用數(shù)據(jù)庫處理模塊、日志管理模塊對轉(zhuǎn)儲過程和轉(zhuǎn)儲文件信息進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)交互模塊負(fù)責(zé)向地面智能應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)庫處理模塊封裝數(shù)據(jù)庫連接、文件信息入庫等功能。日志管理模塊主要功能為記錄無線轉(zhuǎn)儲服務(wù)器軟件運(yùn)行日志，并定期清理日期較久的日志記錄。文件壓縮/解壓縮模塊主要負(fù)責(zé)6A、LKJ等系統(tǒng)數(shù)據(jù)落地后的重新打包工作，可被數(shù)據(jù)交互模塊所調(diào)用。安全認(rèn)證模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)機(jī)車車載終端設(shè)備的接入、無線網(wǎng)絡(luò)的車載5G終端與地面基站之間多重身份互認(rèn)證，以建立安全、保密的傳輸通道。在機(jī)車進(jìn)入地面5G基站無線信號覆蓋范圍內(nèi)時，車載5G終端與地面基站通過小區(qū)ID和密鑰接入認(rèn)證、MAC地址白名單認(rèn)證、應(yīng)用層的設(shè)備ID身份認(rèn)證這3種方式實(shí)現(xiàn)接入安全認(rèn)證［12］，以防止非法設(shè)備接入。無線數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 無線轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)流程圖Fig.7 Flow chart of wireless dump data download

地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺通過與無線轉(zhuǎn)儲服務(wù)器軟件交互，展示實(shí)時轉(zhuǎn)儲狀態(tài)以及轉(zhuǎn)儲文件統(tǒng)計(jì)查詢等功能。當(dāng)機(jī)車進(jìn)入段內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時自動與地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺連接，將緩存池中數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)高速轉(zhuǎn)儲到無線轉(zhuǎn)儲服務(wù)器，及時、有效、可靠地將數(shù)據(jù)保存。若機(jī)車在數(shù)據(jù)回傳尚未完成時離開5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺會記錄數(shù)據(jù)傳輸中斷的位置；當(dāng)機(jī)車再次進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域時，立即從上次中斷的位置繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)完整轉(zhuǎn)儲。當(dāng)多臺機(jī)車入段同步轉(zhuǎn)儲時，地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺對已完成傳輸?shù)逆溌愤M(jìn)行自動斷開，以保證機(jī)車數(shù)據(jù)的同步效率和及時性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的視頻轉(zhuǎn)儲。

地面無線轉(zhuǎn)儲管理平臺采用波束賦形、波束跟蹤等技術(shù)自動對準(zhǔn)、自動連接，建立車載5G終端與地面5G基站（RBS）端到端高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，并實(shí)現(xiàn)無線鏈路連接的實(shí)時防護(hù)（當(dāng)無線鏈路發(fā)生故障時可立即報(bào)警，通知作業(yè)人員對故障點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)）。

4 地面智能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地面智能應(yīng)用系統(tǒng)可對已轉(zhuǎn)儲的視頻數(shù)據(jù)、LKJ數(shù)據(jù)、TCMS數(shù)據(jù)、6A數(shù)據(jù)等進(jìn)行智能分析和處理，對司機(jī)行為進(jìn)行智能分析。該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，由前端的聯(lián)動客戶端和后端數(shù)據(jù)與服務(wù)類組件構(gòu)成。

4.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

地面智能應(yīng)用系統(tǒng)從功能上設(shè)計(jì)為通用類組件、聯(lián)動分析類組件和統(tǒng)計(jì)分析類組件3大板塊，如圖8所示。通用組件模塊負(fù)責(zé)集成地面智能應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)功能庫，提供統(tǒng)一的開發(fā)、集成方式，具有高度的可重用性和可擴(kuò)展性。聯(lián)動分析組件負(fù)責(zé)將用戶操作界面（user interface，UI）操作的、對應(yīng)機(jī)車輛的LKJ基礎(chǔ)信息與運(yùn)行曲線數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、全程記錄數(shù)據(jù)、CMD數(shù)據(jù)、6A數(shù)據(jù)、ERM數(shù)據(jù)等多個維度的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行動態(tài)的聯(lián)動播放展示。統(tǒng)計(jì)類分析組件通過對聯(lián)動系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提供各類專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析界面靜態(tài)顯示。

圖8 地面智能應(yīng)用子系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.8 Functional architecture of the ground intelligent application subsystem

4.2 核心功能設(shè)計(jì)

地面智能應(yīng)用系統(tǒng)的核心功能包括3項(xiàng)，即數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲關(guān)聯(lián)、檢索查閱分析和智能識別。

LKJ、視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲關(guān)聯(lián)功能，即基于LKJ解析結(jié)果，自識別關(guān)聯(lián)匹配視頻文件，實(shí)現(xiàn)LKJ數(shù)據(jù)與視頻文件時間同步匹配關(guān)聯(lián)，完成聯(lián)動分析。其以一條LKJ記錄為起始點(diǎn)，視頻文件與LKJ數(shù)據(jù)通過時間線串聯(lián)起來。聯(lián)動分析軟件根據(jù)時間點(diǎn)自動檢索與運(yùn)行記錄關(guān)聯(lián)的機(jī)車視頻序列，并實(shí)時更新時間軸、視頻列表等控件的內(nèi)容。如圖9所示，圖中紅框部分為LKJ全程記錄事件項(xiàng)點(diǎn)，點(diǎn)擊對應(yīng)事件項(xiàng)點(diǎn)，即可聯(lián)動當(dāng)前時間點(diǎn)視頻畫面對當(dāng)前時刻機(jī)車駕駛時的LKJ數(shù)據(jù)與視頻畫面進(jìn)行分析。

圖9 LKJ運(yùn)行記錄、LKJ全程記錄與視頻聯(lián)動分析功能圖Fig.9 Linkage analysis function diagram of LKJ running recording,LKJ whole process recording and video

LKJ、視頻數(shù)據(jù)既定時間檢索查閱分析功能，即基于LKJ數(shù)據(jù)檢索查詢，實(shí)現(xiàn)對LKJ全程記錄、LKJ運(yùn)行曲線、視頻等數(shù)據(jù)的同步分析，如圖10所示。通過點(diǎn)擊LKJ運(yùn)行記錄，選擇菜單欄中LKJ運(yùn)行曲線功能，即可展示當(dāng)前時刻LKJ運(yùn)行曲線數(shù)據(jù)走勢與視頻畫面，且具備播放、暫停、停止播放等操作功能。

圖10 運(yùn)行曲線與視頻聯(lián)動分析功能圖Fig.10 Linkage analysis function diagram of running curve and video

LKJ、視頻司機(jī)行為智能識別功能，即基于乘務(wù)員行車操作規(guī)范建立LKJ、視頻數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)自動分析、識別LKJ和視頻數(shù)據(jù)中的違章項(xiàng)點(diǎn)。識別項(xiàng)點(diǎn)主要包括：主司機(jī)偏頭、主司機(jī)離崗、玩手機(jī)、未探頭手比（升弓確認(rèn)）、未后部瞭望、未探頭手比（進(jìn)入調(diào)車）、未探頭手比（出段）、未探頭手比（入段）、主司機(jī)未手比（發(fā)車信號）、主司機(jī)未手比（過分相）、主司機(jī)未手比（LKJ側(cè)線輸入）、主司機(jī)未手比、主司機(jī)未手比（一度停車）。如圖11所示，進(jìn)行司機(jī)行為智能識別之前需先完成數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理準(zhǔn)備工作，然后通過深度學(xué)習(xí)模型對視頻幀進(jìn)行單幀分析（單臺服務(wù)器分析效率大約為40 GB/天），并針對分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)全自動關(guān)聯(lián)LKJ數(shù)據(jù)（展示在圖10軟件界面下半?yún)^(qū)域），最后由人工進(jìn)行校核簽署，實(shí)現(xiàn)分析的閉環(huán)。

圖11 司機(jī)行為智能識別功能圖Fig.11 Design diagram of driver behavior intelligent recognition

5 應(yīng)用分析

本文所研究的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)已于2020年在我國鐵路某機(jī)務(wù)段進(jìn)行工程化應(yīng)用，并已完成2臺HXD1型機(jī)車的車載設(shè)備裝車調(diào)試與驗(yàn)證工作。近一年的驗(yàn)證結(jié)果顯示，其車載數(shù)據(jù)下載速率最高達(dá)到1 700 Mb/s、平均高于1 200 Mb/s，平均每趟車數(shù)據(jù)下載時間可控制在3～8 min內(nèi)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲時間平均減少約30 min，且能保證數(shù)據(jù)100%的完整性。表1示出應(yīng)用項(xiàng)目中2020年5月1日至7日單趟機(jī)車人工下載與5G自動下載轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)情況進(jìn)行對比。

通過表1對比結(jié)果可以看出，5G數(shù)據(jù)自動傳輸系統(tǒng)可替代機(jī)務(wù)段目前所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲設(shè)備，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前機(jī)車所有類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸；同時可防止因插拔造成設(shè)備接觸不良、松動，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、不全、損壞等問題。且該系統(tǒng)的自動化程度高，無需人為操作，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲工作效率。

表1 人工轉(zhuǎn)儲與5G轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)對比統(tǒng)計(jì)Tab.1 Comparison statistics of manual dump and 5G dump data

自2020年5月20日起，該項(xiàng)目開始對地面智能應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行測試驗(yàn)證。在此之前，機(jī)務(wù)段每天投入6人進(jìn)行機(jī)車視頻與LKJ數(shù)據(jù)的抽調(diào)分析，對每臺車抽調(diào)約10%的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析。在地面智能應(yīng)用子系統(tǒng)投入測試后，實(shí)現(xiàn)了100%的數(shù)據(jù)分析覆蓋率，分析數(shù)據(jù)量提升10倍以上，且每天投入3人即可滿足要求，節(jié)省了人力50%。

在此期間根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用情況，地面智能應(yīng)用子系統(tǒng)累計(jì)升級迭代了5個軟件版本，確定了13個違章智能分析項(xiàng)點(diǎn)并開展了多次測試，最終測試的各項(xiàng)點(diǎn)準(zhǔn)確率如表2所示。

由表2結(jié)果可見，該系統(tǒng)的應(yīng)用在擴(kuò)大分析覆蓋面的同時，實(shí)現(xiàn)了對司乘人員操作違章的自動分析和篩檢，有效地提升了分析效率與精準(zhǔn)度，避免了因安全事件的遺漏給行車安全帶來隱患。

表2 地面智能應(yīng)用子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)Tab.2 Data analysis statistics of ground intelligent application subsystem

6 結(jié)語

本文基于5G高速網(wǎng)絡(luò)，研究了車載系統(tǒng)、傳輸控制系統(tǒng)及綜合運(yùn)用信息分析系統(tǒng)功能，提出了一套多維一體化的機(jī)務(wù)數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)并進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已在國內(nèi)某機(jī)務(wù)段進(jìn)行全面實(shí)施與驗(yàn)證，結(jié)果表明，這種模式提高了機(jī)車數(shù)據(jù)回傳的及時性與完整性、提升了數(shù)據(jù)分析的覆蓋率與智能化水平，同時也減少了地面機(jī)車數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲人員和數(shù)據(jù)分析人員的工作量，縮短了機(jī)車整備時間，提高了機(jī)車質(zhì)量分析效率。

基于本系統(tǒng)，后續(xù)我們將通過功能拓展方式實(shí)現(xiàn)機(jī)車制動系統(tǒng)、走行部系統(tǒng)等其他數(shù)據(jù)接入轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)，進(jìn)一步提升機(jī)車整車數(shù)據(jù)落地和智能分析的能力。