段賀輝，許慶陽，楊 吉

（1.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081；2.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）

隨著高速鐵路網(wǎng)的基本建成，以及鐵路列車運營速度的提升，基礎(chǔ)設(shè)施保障顯得尤為重要，亟需提升高速綜合檢測列車的作業(yè)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(tǒng)[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(jié)果進行分析可掌握鐵路通信、信號基礎(chǔ)設(shè)施運用狀態(tài)。高速綜合檢測列車通信信號檢測系統(tǒng)（簡稱：通信信號檢測系統(tǒng)）運用過程中發(fā)現(xiàn)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(chǔ)數(shù)據(jù)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(tǒng)自身運行狀態(tài)監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)要求[3]，難以準(zhǔn)確評價鐵路移動通信系統(tǒng)（GSM-R，Global System for Mobile Communications - Railway）運行質(zhì)量[4]。

結(jié)合新一代高速綜合檢測列車“更集成、更智能”的設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計了集中控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)，實現(xiàn)了通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、任務(wù)自動控制、數(shù)據(jù)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(fù)雜，給集中控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理造成負擔(dān)，尤其在檢測任務(wù)分發(fā)方面，很難實現(xiàn)統(tǒng)一控制。

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

1 總體架構(gòu)

檢測編輯系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。

圖1 檢測編輯系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)交互層

依賴C#語言開發(fā)，采用WinForm技術(shù)進行界面設(shè)計，后端采用SQL Server數(shù)據(jù)庫作數(shù)據(jù)存儲，各系統(tǒng)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(shù)據(jù)導(dǎo)出。

1.2 業(yè)務(wù)處理層

完成檢測數(shù)據(jù)的解析存儲，管理下位機超限閾值、參數(shù)配置及文件升級包等，管理檢測臺賬，對超限數(shù)據(jù)進行有效性標(biāo)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(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、檢測位置跟蹤、檢測記錄數(shù)據(jù)展示、超限編輯，以及檢測臺賬的增刪改查，一鍵關(guān)機等功能。

2 系統(tǒng)功能模塊

檢測編輯系統(tǒng)作為集中控制系統(tǒng)與通信信號檢測系統(tǒng)的通信接口，傳遞集中控制系統(tǒng)指令，收集通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息、檢測結(jié)果，處理超限數(shù)據(jù)。檢測編輯系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)交互與處理模塊、顯示與操控模塊，模塊之間相互關(guān)聯(lián)，在模塊間協(xié)同作業(yè)同時完成各自的功能。檢測編輯系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

圖2 檢測編輯系統(tǒng)功能框架

2.1 數(shù)據(jù)存儲模塊

用于存儲與各系統(tǒng)交互的數(shù)據(jù)、檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，包括SQL Sever數(shù)據(jù)庫、磁盤文件這2類文件。用于管理檢測過程中的測試數(shù)據(jù)，包括檢測任務(wù)信息、超限數(shù)據(jù)、檢測記錄等；檢測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括檢測臺賬、參數(shù)配置文件。本系統(tǒng)以FreeSql方式訪問數(shù)據(jù)庫[5]，記錄測試任務(wù)信息，建立超限數(shù)據(jù)和檢測記錄索引關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和定位。在超限數(shù)據(jù)和檢測記錄方面，創(chuàng)建標(biāo)識字段，指明數(shù)據(jù)的有效性和可用性；在報告生成環(huán)節(jié)進行有效數(shù)據(jù)提?。粚τ趨?shù)配置文件和檢測臺賬等大文件數(shù)據(jù)，采用磁盤文件方式管理，通過數(shù)據(jù)庫索引指向磁盤文件[6]，提升文件的訪問速率，同時減少數(shù)據(jù)庫文件的占用空間。

2.2 數(shù)據(jù)交互與處理模塊

實現(xiàn)與各系統(tǒng)交互、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)歸集等。本系統(tǒng)在執(zhí)行過程中，需要同時完成與集中控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)及通信信號檢測系統(tǒng)（即：下位機）采集軟件的交互，基于交互的多樣性及并發(fā)性，該模塊采用異步TCP通信方式設(shè)計[7]，以事件驅(qū)動的方式實現(xiàn)多點并發(fā)交互。交互內(nèi)容如下：（1）與集中控制系統(tǒng)：檢測編輯系統(tǒng)接收提取任務(wù)控制指令，分發(fā)至各下位機采集軟件，同時將各下位機采集軟件的狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)發(fā)至集中控制系統(tǒng)；（2）與下位機采集軟件：監(jiān)聽并連接下位機的注冊服務(wù)，發(fā)送任務(wù)指令、監(jiān)控鏈路狀態(tài)并收集下位機系統(tǒng)運行狀態(tài)信息；（3）與數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)：將數(shù)據(jù)庫增量文件、磁盤文件實時匯聚至數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)。

2.3 顯示與操控模塊

實現(xiàn)檢測結(jié)果數(shù)據(jù)與下位機運行狀態(tài)等信息的呈現(xiàn)，同時具備超限復(fù)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(tài)，管理檢測臺賬數(shù)據(jù)，編輯超限數(shù)據(jù)，生成檢測日報等。

3 系統(tǒng)工作流程

檢測編輯系統(tǒng)初始化后，連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)、下位機采集軟件等外部系統(tǒng)，待各系統(tǒng)連接正常，對下位機采集軟件進行版本核查并執(zhí)行版本更新操作，準(zhǔn)備就緒；監(jiān)聽集中控制系統(tǒng)任務(wù)指令并轉(zhuǎn)發(fā)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(tài)及其任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)、超限數(shù)據(jù)、檢測記錄等；當(dāng)次檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過人工復(fù)核并被進行有效性標(biāo)記后，將有效數(shù)據(jù)根據(jù)任務(wù)索引生成檢測日報。檢測編輯系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 檢測編輯系統(tǒng)工作流程

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 FreeSql及數(shù)據(jù)庫觸發(fā)機制

FreeSql是一款對象關(guān)系映射（ORM，Object Relational Mapping）程序的國產(chǎn)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(shù)據(jù)庫表或視圖等可查詢和保存數(shù)據(jù)的模型執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問，兼容多數(shù)據(jù)庫平臺，支持同步/異步數(shù)據(jù)庫操作方法、鏈?zhǔn)讲樵兎椒ǎ约白x寫分離、分表分庫等操作。該技術(shù)可在多數(shù)據(jù)源模式下，更好地協(xié)調(diào)處理各數(shù)據(jù)源的多樣性，保證記錄數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性，在避免數(shù)據(jù)庫訪問沖突、提升數(shù)據(jù)庫的查詢和修改效率的同時，保障了檢測編輯系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫處理方面的穩(wěn)定性和高效性。采用數(shù)據(jù)庫觸發(fā)機制[8]，新的檢測結(jié)果及下位機告警數(shù)據(jù)入庫時，可實時觸發(fā)本系統(tǒng)進行界面刷新，向用戶及時發(fā)出告警信號，使用戶及時了解告警信息并進行系統(tǒng)修復(fù)等。

4.2 異步TCP通信及多點連接

采用異步TCP通信，實現(xiàn)一對多通信服務(wù)[9]，同時管理多臺下位機的測試任務(wù)并監(jiān)控其運行狀態(tài)。檢測編輯系統(tǒng)開啟TCP監(jiān)聽服務(wù)，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(tǒng)采用多線程并發(fā)控制機制，使設(shè)備運行狀態(tài)、任務(wù)管控、數(shù)據(jù)交互等各項服務(wù)同時進行，保證下位機有序、穩(wěn)定地完成測試任務(wù)。在管理下位機的同時，連接集中控制系統(tǒng)，向其匯聚下位機的運行狀態(tài)及其任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。

4.3 文件版本管理

本系統(tǒng)通過記錄各下位機終端文件版本信息，與集中控制系統(tǒng)交互過程中獲取的新版本文件進行比對，當(dāng)集中控制系統(tǒng)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(tǒng)進行版本比對，根據(jù)版本信息進行版本升級并執(zhí)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(wù)的唯一性和檢測數(shù)據(jù)的完整性，設(shè)計斷線重連機制，保證檢測編輯系統(tǒng)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(wù)并進行重復(fù)性判斷，使得同一任務(wù)的順利執(zhí)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(tǒng)建立連接，請求新版本文件數(shù)據(jù)并自行更新；（2）下位機采集軟件上報狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括下位機運行狀態(tài)、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(wù)數(shù)據(jù)并執(zhí)行檢測，另一種為網(wǎng)絡(luò)中斷，直接請求任務(wù)數(shù)據(jù)即可。通過斷線重連機制可保障檢測任務(wù)執(zhí)行的可持續(xù)性，檢測編輯系統(tǒng)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(tǒng)與下位機采集軟件交互流程

5 試驗驗證

在實驗室和動態(tài)檢測環(huán)境下，對檢測編輯系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性進行動/靜態(tài)試驗，從下位機采集軟件運行狀態(tài)及測試任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)反饋的實時性、下位機檢測結(jié)果與本系統(tǒng)呈現(xiàn)結(jié)果的一致性、數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性等方面，對關(guān)鍵技術(shù)進行驗證。

5.1 下位機采集軟件運行狀態(tài)監(jiān)測

搭建實驗室模擬測試環(huán)境，驗證下位機采集軟件對集中控制系統(tǒng)下發(fā)的任務(wù)執(zhí)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(tǒng)查看下位機采集軟件運行狀態(tài)，如圖6（a）所示，下位機在線以藍色圖標(biāo)展示；

圖6 下位機采集軟件狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果

（2）集中控制系統(tǒng)下發(fā)測試任務(wù)，通過檢測編輯系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)至下位機采集軟件，各下位機采集軟件執(zhí)行任務(wù)并上報下位機運行狀態(tài)，如圖6（b）所示，任務(wù)執(zhí)行以綠色圖標(biāo)展示；

（3）任務(wù)執(zhí)行中，強制重啟通信檢測下位機，通過檢測編輯系統(tǒng)查看狀態(tài)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(wù)執(zhí)行中，對下位機中通信檢測模塊設(shè)置故障信息，檢測編輯系統(tǒng)狀態(tài)展示為圖6（d）（紅色代表故障）。

5.2 檢測結(jié)果一致性

在綜合檢測列車安裝集中控制系統(tǒng)、檢測編輯系統(tǒng)及下位機采集軟件，進行動態(tài)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(jié)果與檢測編輯系統(tǒng)呈現(xiàn)結(jié)果的一致性，選取部分路段，對比結(jié)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(jié)果，圖7（b）為檢測編輯系統(tǒng)呈現(xiàn)的檢測結(jié)果。

圖7 超限數(shù)據(jù)一致性對比

5.3 數(shù)據(jù)記錄的實時性

在下位機采集軟件執(zhí)行當(dāng)次檢測任務(wù)后，自動進行測試指標(biāo)統(tǒng)計，將統(tǒng)計結(jié)果上報至檢測編輯系統(tǒng)，在2次任務(wù)切換時，檢測編輯系統(tǒng)實時呈現(xiàn)當(dāng)次檢測任務(wù)的統(tǒng)計結(jié)果。選擇2條線路對測試樣本數(shù)進行一致性對比分析，對比結(jié)果如表1所示，經(jīng)過對比，檢測編輯系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)與下位機采集軟件的實測數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

表1 記錄數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)樣本數(shù)對比

5.4 檢測日報生成

在動態(tài)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(chuàng)建通信（信號）報告選項，根據(jù)提示，選擇當(dāng)日檢測任務(wù)，本系統(tǒng)會自動填充報告基本信息，包括下位機運行狀態(tài)、實際檢測里程、檢測結(jié)果、記錄人員等信息，日報生成后，自動存儲至SQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

6 結(jié)束語

通信信號檢測控制與編輯系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，建立了集中控制系統(tǒng)與通信信號檢測系統(tǒng)的交互通道，實現(xiàn)了通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、任務(wù)自動控制、檢測結(jié)果復(fù)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(tài)試驗，對所設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)的實時性及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性進行了試驗和結(jié)果分析。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了通信信號檢測系統(tǒng)的自動化和智能化，提升了通信信號檢測效率和質(zhì)量，滿足新一代高速綜合檢測列車的要求。