邊緣計(jì)算融合NB-IoT在高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中的關(guān)鍵技術(shù)研究

魯玉龍，沈海燕，解亞龍，盧文龍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)步伐不斷加快，隨著京沈客專、數(shù)字鄭萬(wàn)、智能京張、智能京雄等建設(shè)工程的全面推進(jìn)，聯(lián)調(diào)聯(lián)試作為高速鐵路建設(shè)過(guò)程的重要部分，對(duì)于驗(yàn)證高速鐵路質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，以及是否滿足開(kāi)通運(yùn)營(yíng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為了滿足高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)需要，經(jīng)過(guò)多年技術(shù)科研和工程建設(shè)實(shí)踐，通過(guò)開(kāi)展聯(lián)調(diào)聯(lián)試新技術(shù)研究，構(gòu)建科學(xué)全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立符合高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試特點(diǎn)的成套技術(shù)和知識(shí)體系，逐漸形成了一套以動(dòng)靜態(tài)檢測(cè)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)為主要內(nèi)容的高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收新模式。

1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試涉及線路、軌道、橋梁、隧道、路基等10 余個(gè)專業(yè)近千項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容，各專業(yè)在沿線選取若干測(cè)點(diǎn)并部署監(jiān)測(cè)傳感器，對(duì)高鐵各系統(tǒng)的性能、狀態(tài)及系統(tǒng)間適配關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、綜合檢測(cè)評(píng)定、調(diào)整和優(yōu)化。

由于高鐵線路運(yùn)營(yíng)區(qū)域偏遠(yuǎn)、地理環(huán)境復(fù)雜，各專業(yè)部署的監(jiān)測(cè)傳感器存在以下幾方面的問(wèn)題：（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散，由于高鐵線路較長(zhǎng)，只能在線路重點(diǎn)構(gòu)筑物選取若干測(cè)點(diǎn)，造成監(jiān)測(cè)設(shè)備地理位置上的分散，難以連續(xù)布放；（2）聯(lián)網(wǎng)不靈活，由于各專業(yè)測(cè)點(diǎn)位置上的分散，且普遍采用有線連接方式，傳輸距離受限，測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展不便；（3）傳輸接口多樣，各專業(yè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集方式不同，存在RS232、RS485、有線以太網(wǎng)、3/4G 無(wú)線等多種傳輸接口模式；（4）傳輸時(shí)效性不高，一些地面專業(yè)測(cè)點(diǎn)需當(dāng)天檢測(cè)列車停檢后才能上線手動(dòng)拷貝數(shù)據(jù)，因此，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳會(huì)存在非常大的延時(shí)；（5）專業(yè)不聯(lián)動(dòng)，由于專業(yè)上的差異化，聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中各專業(yè)獨(dú)立收集處理本專業(yè)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，專業(yè)間相互隔離，難以從全局統(tǒng)籌分析監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而對(duì)各鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

以上問(wèn)題的出現(xiàn)，不利于高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等新技術(shù)的開(kāi)展和應(yīng)用，嚴(yán)重制約著高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試向集約化、智能化不斷發(fā)展的步伐。

2 聯(lián)調(diào)聯(lián)試新技術(shù)研究

2.1 低功耗、廣覆蓋、大容量無(wú)線傳感技術(shù)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以NB-IoT 為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始嶄露頭角，作為一種3GPP 推出的LPWA 技術(shù)（Low Power Wide Area，低功耗廣域網(wǎng)）窄帶物聯(lián)網(wǎng)，NB-IoT 具有模組功耗低、覆蓋范圍廣、基站容量大等特點(diǎn)。為了彌補(bǔ)高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中傳統(tǒng)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的不足，借助NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將NB-IoT 與傳統(tǒng)傳感器有機(jī)結(jié)合，打造基于NB-IoT 技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)，能夠有效解決有線組網(wǎng)不靈活、范圍受限、監(jiān)測(cè)種類難以擴(kuò)展、監(jiān)測(cè)/安裝/運(yùn)維成本極高等劣勢(shì)，具有布設(shè)方式靈活、覆蓋范圍廣、節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、模組功耗低、無(wú)人值守等諸多優(yōu)勢(shì)。

2.2 邊緣計(jì)算技術(shù)

萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，設(shè)備節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的云計(jì)算模式雖然有較強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，但是，隨著設(shè)備數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)的海量增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與優(yōu)化等問(wèn)題變得尤為突出。針對(duì)于此，順應(yīng)萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用需求的發(fā)展，催生了邊緣式大數(shù)據(jù)計(jì)算模型，即邊緣計(jì)算。

邊緣計(jì)算通過(guò)在邊緣設(shè)備上增加執(zhí)行計(jì)算和數(shù)據(jù)分析的能力，將云計(jì)算模型中的部分算力下放到邊緣側(cè)，在靠近數(shù)據(jù)源頭的邊緣側(cè)，打造融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)，從而滿足數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效性、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和優(yōu)化等方面需求。運(yùn)用邊緣計(jì)算技術(shù)，可以有效提升聯(lián)調(diào)聯(lián)試監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳的延時(shí)、頻次和密度。

通過(guò)邊緣側(cè)設(shè)備承載聯(lián)調(diào)聯(lián)試各業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件并開(kāi)放應(yīng)用接口，打破專業(yè)間數(shù)據(jù)異構(gòu)化、業(yè)務(wù)不聯(lián)動(dòng)等壁壘，同時(shí)，運(yùn)用邊緣側(cè)設(shè)備的計(jì)算和分析能力，對(duì)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并開(kāi)展融合分析，有效提升聯(lián)調(diào)聯(lián)試集約化、智能化水平。

3 “邊云協(xié)同”聯(lián)調(diào)聯(lián)試傳感監(jiān)測(cè)體系

高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試同一測(cè)點(diǎn)位置不同專業(yè)的監(jiān)測(cè)檢測(cè)傳感器首先連接至邊緣側(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)承載各專業(yè)應(yīng)用程序，通過(guò)開(kāi)放接口，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)一匯集，通過(guò)邊緣式大數(shù)據(jù)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單融合與初步分析。邊緣側(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)專用通信網(wǎng)絡(luò)（NB-IoT），采用適當(dāng)?shù)男畔踩吐?lián)調(diào)聯(lián)試安全保障機(jī)制，將融合分析后的數(shù)據(jù)上傳至云端大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，做進(jìn)一步的學(xué)習(xí)、優(yōu)化，為上層應(yīng)用提供安全可控乃至個(gè)性化的測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、集中展示、決策支持等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)的“高效、實(shí)時(shí)、安全、便捷”的“管、控”一體化，打造“邊云協(xié)同”的聯(lián)調(diào)聯(lián)試傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)新體系。體系架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 “邊云協(xié)同”聯(lián)調(diào)聯(lián)試傳感監(jiān)測(cè)體系架構(gòu)

4 “端到端”的業(yè)務(wù)層級(jí)

聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)通過(guò)邊緣匯集節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)聯(lián)接，利用NBIoT 無(wú)線傳感技術(shù)廣覆蓋、大容量的特性，能夠很好地解決從測(cè)點(diǎn)傳感監(jiān)測(cè)終端到用戶業(yè)務(wù)終端的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，構(gòu)建一個(gè)從“邊端到云端”的業(yè)務(wù)生態(tài)架構(gòu)，主要分為四個(gè)層級(jí)：感知層、傳輸層、應(yīng)用層和用戶訪問(wèn)層，如圖2 所示。

圖2 “端到端”業(yè)務(wù)層級(jí)

其中，感知層主要由各種基礎(chǔ)設(shè)施測(cè)點(diǎn)傳感器和邊緣匯集節(jié)點(diǎn)組成，用于實(shí)時(shí)采集工程實(shí)體聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的狀態(tài)參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)和內(nèi)外部環(huán)境參數(shù)等，通過(guò)這些參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)掌握鐵路橋梁、隧道、路基、站房等工程實(shí)體的狀態(tài)信息。

傳輸層主要是邊緣側(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)NB-IoT 無(wú)線空口就近接入運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向上傳輸。

應(yīng)用層是聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和業(yè)務(wù)服務(wù)中心，主要承載聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理、分析，為各專業(yè)應(yīng)用提供增值服務(wù)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)治理，自主學(xué)習(xí)，開(kāi)展多專業(yè)數(shù)據(jù)融合分析，最終為聯(lián)調(diào)聯(lián)試人員提供智能診斷、系統(tǒng)和接口評(píng)價(jià)、多專業(yè)綜合平臺(tái)以及全生命周期狀態(tài)評(píng)價(jià)等服務(wù)。

用戶訪問(wèn)層可以通過(guò)業(yè)務(wù)終端、移動(dòng)終端或者集成顯示大屏，直觀地展示聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)應(yīng)用狀態(tài)信息。

5 “異構(gòu)、靈活、開(kāi)放”的部署策略

邊緣計(jì)算以其豐富的聯(lián)接功能，具備多種接口形式，能夠同時(shí)與各類以太網(wǎng)、工業(yè)總線設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通，適用于各種異構(gòu)數(shù)據(jù)接口設(shè)備聯(lián)接的場(chǎng)景。

基于NB-IoT 的高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試無(wú)線傳感測(cè)點(diǎn)可以利用運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT 網(wǎng)絡(luò)和IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，無(wú)須自建網(wǎng)絡(luò)，僅需在平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備和業(yè)務(wù)類型注冊(cè)，即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)設(shè)備的靈活接入。

邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)具有一定的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源，通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)接口和協(xié)議，底層設(shè)備可以通過(guò)調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)物理層面的聯(lián)接和軟件層面的互通。IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)開(kāi)放調(diào)用接口，可以實(shí)現(xiàn)與聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的互聯(lián)互通，一般情況下，程序接口協(xié)議可以采用CoAP、SoAP、HTTP 或MQTT 等方式。

通過(guò)對(duì)邊緣計(jì)算和NB-IoT 功能的研究，結(jié)合高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)場(chǎng)景應(yīng)用，設(shè)計(jì)出邊緣計(jì)算融合NB-IoT 的聯(lián)調(diào)聯(lián)試傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)部署策略，如圖3 所示。

圖3 NB-IoT 無(wú)線傳感技術(shù)組網(wǎng)策略

6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及場(chǎng)景應(yīng)用

依托中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司分別在2018 年京沈客運(yùn)專線遼寧段和2019 年京張高鐵開(kāi)展的高速綜合試驗(yàn)及聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、運(yùn)行試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)測(cè)點(diǎn)部署并試驗(yàn)了邊緣計(jì)算融合NB-IoT 用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

在下桃花吐大橋部署2 套橋梁振動(dòng)傳感器，東梁隧道進(jìn)口邊坡部署1 套滑坡位移傳感器，傳感器的工作方式采用PSM（低功耗模式）+主動(dòng)喚醒。在東梁隧道通信基站部署邊緣匯聚節(jié)點(diǎn)，用于接收橋梁振動(dòng)幅度和隧道邊坡位移數(shù)據(jù)，并經(jīng)運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT 網(wǎng)絡(luò)向上傳送數(shù)據(jù)。通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則，定義了橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集頻率為過(guò)車時(shí)采集發(fā)送，隧道邊坡位移數(shù)據(jù)的采集頻率為每小時(shí)采集發(fā)送一次。通過(guò)對(duì)多次接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，橋梁振動(dòng)幅度單次數(shù)據(jù)量約為460B，隧道邊坡位移單次數(shù)據(jù)量為50B。

在阜新站站房屋頂部署1 套屋頂結(jié)構(gòu)沉降傳感器，站臺(tái)風(fēng)雨棚部署2 套關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變傳感器，站內(nèi)部署邊緣匯聚節(jié)點(diǎn)。通過(guò)預(yù)設(shè)規(guī)則，定義了屋頂結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)的采集頻率為每小時(shí)采集發(fā)送，站臺(tái)風(fēng)雨棚關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集頻率為每2 小時(shí)采集發(fā)送一次。通過(guò)對(duì)多次接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，屋頂沉降單次數(shù)據(jù)量為100B，站臺(tái)風(fēng)雨棚關(guān)鍵桿件應(yīng)力應(yīng)變單次數(shù)據(jù)量為60B。

試驗(yàn)時(shí)間為期半年，試驗(yàn)驗(yàn)證了聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)通過(guò)邊緣匯集節(jié)點(diǎn)利用NB-IoT 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩囗?xiàng)性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

8 結(jié)論及意義

隨著高鐵智能化和集約化的不斷發(fā)展，聯(lián)調(diào)聯(lián)試需要大范圍、連續(xù)性、實(shí)時(shí)性和多源異構(gòu)的場(chǎng)景中，采用邊緣計(jì)算融合NB-IoT 無(wú)線傳感技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，有利于聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)點(diǎn)大規(guī)模、成體系的部署，便于開(kāi)展聯(lián)調(diào)聯(lián)試邊緣計(jì)算+物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)技術(shù)的研究。

同時(shí)，貫徹和落實(shí)國(guó)家及行業(yè)關(guān)于加大科技創(chuàng)新，推進(jìn)智能高鐵建設(shè)的政策方針，通過(guò)研究邊緣計(jì)算融合NB-IoT的高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試監(jiān)測(cè)檢測(cè)無(wú)線傳感技術(shù)，加大在鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用，為我國(guó)高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試監(jiān)測(cè)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和水平提升提供技術(shù)支撐。