董振國(guó)

鐵路信號(hào)設(shè)備是調(diào)度指揮列車運(yùn)行，保證運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵設(shè)施。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的故障隱患，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)及指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分必要［1］。信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括道岔缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)”）［2-4］。

目前，信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用PLC+ADSL組網(wǎng)模式，電力線通信（Power line Communication， PLC）可復(fù)用信號(hào)設(shè)備供電線纜，工程部署簡(jiǎn)單，但傳輸距離較短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)室外到室內(nèi)的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸；而非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line， ADSL）能夠很好地解決遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題，因此二者結(jié)合可建立良好的數(shù)據(jù)傳輸通道。但隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的日臻成熟，信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接入的設(shè)備種類及數(shù)量越來(lái)越多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求也逐步提升，ADSL的上行速率和帶寬已無(wú)法滿足信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。為此，提出將室外既有網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備改為5G網(wǎng)關(guān)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)鐵路5G專網(wǎng)回傳至服務(wù)器，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，滿足海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨?，同時(shí)降低系統(tǒng)硬件部署成本和工程實(shí)施復(fù)雜度。

1 PLC+ADSL組網(wǎng)模式分析

PLC是利用既有電力線纜，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。其最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，使用電力線纜就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且硬件成本較低，傳輸速率較快［5］。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸數(shù)公里。但在電力線上負(fù)荷很重的情況下，線路阻抗達(dá)到1 Ω，就對(duì)載波信號(hào)造成削減，傳輸距離銳減至幾十米［6］。由此電力線纜無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，僅可用于室外采集數(shù)據(jù)的匯聚，故需通過(guò)ADSL通信技術(shù)完成遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

雖然PLC+ADSL組網(wǎng)方式能夠滿足道岔缺口、信號(hào)設(shè)備PHM等數(shù)據(jù)傳輸需求，但也存在一些問(wèn)題，例如：①室內(nèi)/外均需部署采集設(shè)備，占用芯線資源較多，甚至需額外敷設(shè)線纜；②需對(duì)電纜的連通性進(jìn)行核對(duì)，工程實(shí)施繁瑣；③ADSL帶寬資源有限，大規(guī)模站場(chǎng)需多條ADSL線路才能滿足通信需求；④各車站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獨(dú)立存儲(chǔ)，不利于上級(jí)人員查看下屬車站的缺口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。在大規(guī)模部署信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)時(shí)，PLC+ADSL組網(wǎng)方式所表現(xiàn)出來(lái)的工程部署復(fù)雜、數(shù)據(jù)延遲、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高等問(wèn)題也愈發(fā)明顯。

綜上所述，無(wú)論從技術(shù)、成本還是工程實(shí)施的角度，PLC+ADSL組網(wǎng)方式都已無(wú)法滿足信號(hào)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展需求。隨著信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)的逐步推廣，以及對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)研究的不斷深入，如何提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性及采集數(shù)據(jù)時(shí)間戳的精度，降低系統(tǒng)部署及維護(hù)的復(fù)雜度就成為了當(dāng)務(wù)之急。

2 鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，國(guó)鐵集團(tuán)和國(guó)家能源集團(tuán)下屬單位紛紛從政策、技術(shù)、裝備等各個(gè)層面加大了鐵路5G專網(wǎng)的建設(shè)力度，為利用5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

1）政策層面：依據(jù)中央“新基建”的一系列整體布局，國(guó)鐵集團(tuán)提出了5G專網(wǎng)的系統(tǒng)目標(biāo)，并與工信部就高鐵5G建設(shè)達(dá)成共識(shí)。其中國(guó)家能源集團(tuán)在包神鐵路管內(nèi)8個(gè)站區(qū)實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，包神鐵路集團(tuán)與中國(guó)電信、華為公司合作建設(shè)的首個(gè) 5G智慧包神項(xiàng)目試驗(yàn)站點(diǎn)，也已在包頭萬(wàn)水泉南站開(kāi)通運(yùn)行。

2）技術(shù)層面：5G通信技術(shù)所具備的大帶寬、低時(shí)延、高精度授時(shí)、靈活組網(wǎng)、切片等技術(shù)特點(diǎn)，能夠很好地契合鐵路移動(dòng)通信專網(wǎng)，并承載調(diào)度通信、列車控制、高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)接入、高精度時(shí)間同步等各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的建設(shè)需求［7-8］。5G通信技術(shù)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的軟、硬管道隔離，實(shí)現(xiàn)了在一張承載網(wǎng)上為不同服務(wù)質(zhì)量需求的業(yè)務(wù)提供連接服務(wù)和性能保障，滿足這些業(yè)務(wù)場(chǎng)景在移動(dòng)性、帶寬、時(shí)延、可靠性、安全性等方面的差異化需求。

3）裝備層面：各信號(hào)設(shè)備檢測(cè)儀表廠家不斷推出各種具備5G通信能力的檢測(cè)儀表及終端，促進(jìn)了5G技術(shù)在鐵路信號(hào)設(shè)備檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如由中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司聯(lián)合華為技術(shù)有限公司共同開(kāi)發(fā)的“5G+AI”鐵路智慧機(jī)務(wù)系統(tǒng)已正式投入使用［9］。

3 鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

鐵路移動(dòng)通信業(yè)務(wù)具備“點(diǎn)、線、移動(dòng)端”相結(jié)合的特征。鐵路5G專網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景包括車地通信、鐵路站場(chǎng)等熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和鐵路咽喉區(qū)/沿線的地面設(shè)施監(jiān)控等［10］。車地通信對(duì)業(yè)務(wù)可靠性要求高，業(yè)務(wù)類別包括語(yǔ)音調(diào)度、多媒體調(diào)度、行車安全數(shù)據(jù)、車上作業(yè)人員語(yǔ)音等通信；鐵路站場(chǎng)等熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋需要更大的帶寬和容量，業(yè)務(wù)類別包括車上視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、站場(chǎng)維護(hù)作業(yè)多媒體通信、編組站通信等；鐵路咽喉區(qū)/沿線地面設(shè)施監(jiān)控，則對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)終端連接數(shù)量有較高的要求，業(yè)務(wù)類別主要是地面基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送。常見(jiàn)的鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)圖1。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

隨著鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)及鐵路5G應(yīng)用場(chǎng)景的深入挖掘，5G技術(shù)正在鐵路行業(yè)的各個(gè)場(chǎng)景逐步落地應(yīng)用。目前信號(hào)設(shè)備PHM技術(shù)正處于快速發(fā)展期，5G的出現(xiàn)正好契合了其發(fā)展需求，并提供了技術(shù)條件。因此，信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)也成為了鐵路5G專網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景之一。

例如：在工務(wù)、電務(wù)等專業(yè)維護(hù)道岔過(guò)程中，往往需要反復(fù)操作道岔，此時(shí)該組道岔會(huì)產(chǎn)生密集的缺口監(jiān)測(cè)視頻數(shù)據(jù)；春運(yùn)期間，大型樞紐站的運(yùn)量增加，信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)某些監(jiān)測(cè)指標(biāo)的采集頻率有所增加，數(shù)據(jù)量隨之加大，此時(shí)可借助5G技術(shù)特點(diǎn)，將自身的控制數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分開(kāi)傳輸，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源分配機(jī)制，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，從而提高視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，使視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)向高分辨率、智能化的方向發(fā)展。

4 PLC+5G融合通信的應(yīng)用部署

1）道岔缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部安裝缺口監(jiān)測(cè)分機(jī)，采集道岔缺口視頻數(shù)據(jù)，先通過(guò)PLC載波網(wǎng)絡(luò)匯聚至位于車站咽喉區(qū)的網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備，再轉(zhuǎn)換成ADSL信號(hào)回傳至室內(nèi)。應(yīng)用5G融合通信后，可將網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備的PLC轉(zhuǎn)ADSL功能升級(jí)為PLC轉(zhuǎn)5G網(wǎng)功能，即可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)方式的升級(jí)。

2）信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)在室外信號(hào)設(shè)備內(nèi)部安裝傳感器及采集設(shè)備，通過(guò)PLC載波網(wǎng)絡(luò)，將采集數(shù)據(jù)匯聚至車站咽喉區(qū)的5G網(wǎng)關(guān)處，網(wǎng)關(guān)將采集數(shù)據(jù)上報(bào)至位于路局/電務(wù)段監(jiān)控中心的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器；室內(nèi)電源屏、繼電器、集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485串行總線接口匯聚至室內(nèi)5G網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)數(shù)據(jù)上報(bào)?，F(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員可通過(guò)車站與路局/電務(wù)段之間的監(jiān)測(cè)專網(wǎng)，遠(yuǎn)程訪問(wèn)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，查看系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)、告警信息。PLC+5G融合通信在信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)中的應(yīng)用部署見(jiàn)圖2。

圖2 PLC+5G融合通信在信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)中的應(yīng)用部署

在包神鐵路的萬(wàn)水泉南站南場(chǎng)，部署了PLC+5G組網(wǎng)方式的信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。充分利用既有道岔缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PLC載波通信芯線資源，一方面用5G網(wǎng)關(guān)取代了原本復(fù)雜昂貴的室內(nèi)站機(jī)和室外網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備，大幅降低了工程部署復(fù)雜度及成本；另一方面利用5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性及高精度授時(shí)技術(shù)，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性及關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的一致性，使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確定義數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔缺口監(jiān)測(cè)視頻數(shù)據(jù)和道岔開(kāi)程數(shù)據(jù)等存在時(shí)間關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)分析。

5 PLC+5G融合通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）提高數(shù)據(jù)上報(bào)的實(shí)時(shí)性。以ITU-T G.992.1標(biāo)準(zhǔn)為例，ADSL技術(shù)在一對(duì)銅線上通信時(shí)，上行速率僅為512 kb/s～1 Mb/s，在大規(guī)模部署信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)時(shí)，受限于ADSL通道帶寬，設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要打包處理后定時(shí)上報(bào)，如隔2 min上報(bào)一次數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)側(cè)查看的數(shù)據(jù)存在滯后性，使得整個(gè)PHM系統(tǒng)對(duì)信號(hào)設(shè)備故障的響應(yīng)時(shí)間延遲。而采用5G專網(wǎng)來(lái)替代ADSL通信，可實(shí)現(xiàn)在1 s以內(nèi)實(shí)時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)，大幅提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

2）提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。現(xiàn)階段信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)如要新增采集設(shè)備，需考慮既有系統(tǒng)備用芯線使用情況、網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備能夠接入的PLC終端設(shè)備數(shù)量、網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備到室內(nèi)ADSL信道的數(shù)量及帶寬、站機(jī)的資源配置等眾多因素。而采用PLC +5G的組網(wǎng)模式，系統(tǒng)的擴(kuò)展只需考慮信號(hào)設(shè)備附近配線箱盒的備用芯線即可，極大地降低了系統(tǒng)擴(kuò)展的難度。

3）提高組網(wǎng)部署的靈活性。如果只在車站以PLC+ADSL的組網(wǎng)方式部署監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)路局下轄所有車站信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)及管理。欲實(shí)現(xiàn)跨站區(qū)的數(shù)據(jù)查詢與綜合分析，需在路局層面部署應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)先傳輸?shù)杰囌疽患?jí)，再由部署在路局/電務(wù)段的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。

采用PLC+5G專網(wǎng)融合通信后，系統(tǒng)既可只在路局/電務(wù)段層面部署應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，車站只部署終端，車站運(yùn)維人員通過(guò)路局電務(wù)段與車站間的監(jiān)測(cè)專網(wǎng)，遠(yuǎn)程訪問(wèn)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查看與故障處理；也可在路局/電務(wù)段層面和車站層面同時(shí)部署應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，室外信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可同時(shí)回傳至路局/電務(wù)段以及車站。路局、電務(wù)段、車站工作人員查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，只需訪問(wèn)部署在本地的應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器，避免既有系統(tǒng)架構(gòu)中路局/電務(wù)段與車站間的網(wǎng)絡(luò)資源占用，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)及管理，更便于進(jìn)行跨站區(qū)的數(shù)據(jù)查詢與綜合分析。

4）提升系統(tǒng)的可靠性。在PLC+ADSL的組網(wǎng)方式下，一旦車站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備或站機(jī)出現(xiàn)故障，車站和路局/電務(wù)段均無(wú)法獲取到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法及時(shí)處理故障，容易造成安全隱患。PLC+5G專網(wǎng)融合通信的方式，由于車站和路局/電務(wù)段的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直接接收、存儲(chǔ)來(lái)自5G物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)互為備份，確保一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)仍可獲取到故障信息，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

5）降低系統(tǒng)部署成本。在PLC+ADSL的通信制式需在室外部署網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備，室內(nèi)部署站機(jī)系統(tǒng)，而PLC+5G融合通信的組網(wǎng)架構(gòu)，使用較低成本的5G網(wǎng)關(guān)，即可代替室外網(wǎng)轉(zhuǎn)設(shè)備及室內(nèi)站機(jī)系統(tǒng)，大幅降低了系統(tǒng)部署及運(yùn)維成本。

6）降低工程實(shí)施復(fù)雜度。在工程實(shí)施方面，PLC+5G融合技術(shù)的應(yīng)用，減少了對(duì)站場(chǎng)室內(nèi)外備用芯線資源的使用，避免了線纜施工、校對(duì)等工作。

6 結(jié)論

1）在介紹鐵路5G專網(wǎng)建設(shè)情況及鐵路5G專網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，提出了基于PLC+5G融合通信的鐵路信號(hào)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)模式，并以道岔缺口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)為例，分析了PLC+5G融合通信在鐵路信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用模式。

2）通過(guò)與PLC+ADSL的組網(wǎng)模式進(jìn)行比較，進(jìn)一步闡述了PLC+5G融合通信組網(wǎng)模式的優(yōu)勢(shì)。

3）該P(yáng)LC+5G組網(wǎng)模式已成功應(yīng)用在包神鐵路萬(wàn)水泉南站南場(chǎng)，得益于5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性及高精度授時(shí)技術(shù)，包神鐵路信號(hào)設(shè)備PHM系統(tǒng)可在時(shí)域上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析。實(shí)踐證明：PLC+5G融合通信能夠解決PLC+ADSL組網(wǎng)模式的諸多問(wèn)題，具有較高的工程推廣價(jià)值。