鐵路軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)智能傳輸系統(tǒng)研制及應(yīng)用研究

侯智雄，王昊，郝蕊

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京100081；2.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）

中國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布了最新的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016年）指出，到2020年中國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)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(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，列車的安全可靠運(yùn)行越發(fā)重要，軌道檢測(cè)車是保障列車安全運(yùn)行最重要、最有效的檢測(cè)工具，可以合成軌道不平順值，可全方位檢測(cè)軌道狀態(tài)，為工務(wù)系統(tǒng)線路維修提供真實(shí)可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)。鐵路通信技術(shù)在機(jī)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(yùn)行的關(guān)鍵［2］。地面系統(tǒng)如果能夠及時(shí)獲得軌道檢測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)列車的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程故障診斷，為列車調(diào)度決策提供更好的實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，避免事故發(fā)生［3］。但是由于檢測(cè)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(cè)模式都采用列車停靠站時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)中的安全隱患。依據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)迫切需要解決的問題，基于軌道檢測(cè)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?zé)o線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)軌道檢測(cè)車上檢測(cè)合成數(shù)據(jù)傳輸至地面系統(tǒng)，利用無線傳輸、斷點(diǎn)續(xù)傳、斷點(diǎn)重連等技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜁r(shí)效性，利用對(duì)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(cè)車中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大降低了檢測(cè)系統(tǒng)維護(hù)成本，更加方便、高效地保障了軌道交通安全運(yùn)行。

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)通過2G/3G/4G無線移動(dòng)網(wǎng)接入，支持移動(dòng)、電信、聯(lián)通3大運(yùn)營(yíng)商，可在任意時(shí)間任意地點(diǎn)無縫接入網(wǎng)絡(luò)，要在當(dāng)前信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)遵循鐵路數(shù)據(jù)傳送的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，幀的有效數(shù)據(jù)封裝，遵循成熟的一系列國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)方面，主要使用高速綜合檢測(cè)列車進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)檢測(cè)，普速線路使用軌道檢測(cè)車進(jìn)行軌道狀態(tài)檢測(cè)。無論是綜合檢測(cè)列車還是軌道檢測(cè)車，車輛檢測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還沒有檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面的有效實(shí)例。近年來，國(guó)外一些公司也在探索在檢測(cè)列車檢測(cè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的車地?zé)o線傳輸，目前基本都是通過各國(guó)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線傳輸［4］（見圖1）。

圖1 基于移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)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?zé)o線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于軌道檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在動(dòng)態(tài)檢測(cè)過程中，將軌道檢測(cè)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(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)重組、超限判斷和趨勢(shì)分析，從而實(shí)現(xiàn)缺陷預(yù)警，保證鐵路生產(chǎn)和運(yùn)行的安全。無線傳輸組件為檢測(cè)車輛上重要組件，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集端即可對(duì)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(shí)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(gè)LTE模塊，支持安裝4個(gè)SIM卡使用，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并支持負(fù)載分擔(dān)。通過移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，防塵、防水、抗振、耐高溫，在惡劣氣候和嚴(yán)酷環(huán)境下仍然能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP54；且專為動(dòng)車組車內(nèi)的無線上網(wǎng)或數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，支持2.4G和5G雙頻Wi-Fi并存，支持更多用戶同時(shí)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(dòng)兼容3G網(wǎng)絡(luò)，可用無線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，同時(shí)提供GPS和北斗定位功能。

基于以上設(shè)備優(yōu)點(diǎn)，故選擇AR503EDGW-Lc系列無線網(wǎng)關(guān)作為軌道檢測(cè)系統(tǒng)車地?cái)?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(duì)設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)收集和集中處理［5］。采集端將車載檢測(cè)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(chǔ)、查詢，終端設(shè)備的管理、同步等功能，并需持續(xù)確認(rèn)客戶端和地面服務(wù)器端的通信匹配，車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)見圖2。

圖2 軌道檢測(cè)車地?zé)o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(shí)現(xiàn)將車載檢測(cè)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(cè)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(huì)將此4類文件實(shí)時(shí)傳輸至地面服務(wù)器端，除此之外采集端和服務(wù)器端會(huì)有交互的控制類數(shù)據(jù)及斷點(diǎn)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(diǎn)續(xù)傳，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，同時(shí)采集端實(shí)時(shí)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(cè)控制邏輯模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/上傳模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)界面與底層數(shù)據(jù)交互［7］；軌道檢測(cè)控制邏輯模塊實(shí)現(xiàn)采集端驅(qū)動(dòng)程序及數(shù)據(jù)采集功能［8］；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的合成及數(shù)據(jù)濾波處理；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)波形數(shù)據(jù)和超限數(shù)據(jù)的發(fā)送；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/上傳模塊實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳［9］；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)采集端與地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互、身份驗(yàn)證、斷點(diǎn)重連機(jī)制、命令數(shù)據(jù)的傳輸［10］。采集端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程見圖4。

圖4 采集端系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，通過10001端口與采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過10002端口實(shí)現(xiàn)與地面管理軟件的交互，實(shí)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(cè)采集端的遠(yuǎn)程連接；（2）連接成功后完成身份驗(yàn)證；（3）配置采集端運(yùn)行參數(shù)；（4）接收采集端運(yùn)行信息和檢測(cè)數(shù)據(jù)；（5）檢測(cè)采集端上是否有尚未傳輸?shù)臋z測(cè)數(shù)據(jù)，若有則傳輸至服務(wù)器端；（6）實(shí)現(xiàn)對(duì)于采集端設(shè)備的管理，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)；（7）操作日志和故障日志記錄。

圖5 服務(wù)器端管理軟件實(shí)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(huì)做相應(yīng)處理。

4 樣機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

在某檢測(cè)車輛上安裝軌道檢測(cè)系統(tǒng)車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，軌道檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)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(cè)車運(yùn)行實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線傳輸，為實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)車上無人值守完成了技術(shù)儲(chǔ)備。

表1 車地?cái)?shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型

軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)于2018年11月在南方某運(yùn)營(yíng)線路進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)軌道檢測(cè)系統(tǒng)采集端數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，驗(yàn)證車地?zé)o線傳輸數(shù)據(jù)完整性、時(shí)效性。檢測(cè)人員在車上通過軌道檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于采集端的車上干預(yù)控制，網(wǎng)管平臺(tái)通過Web瀏覽器實(shí)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(jí)、軌檢運(yùn)行狀態(tài)查看、重啟軌檢系統(tǒng)及檢測(cè)設(shè)置等功能（見圖6）。

隨著檢測(cè)車輛的運(yùn)行，車上生成的檢測(cè)數(shù)據(jù)可及時(shí)傳至地面服務(wù)器（見圖7），經(jīng)實(shí)車測(cè)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(duì)比完全一致，驗(yàn)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(duì)應(yīng)。

回傳至地面服務(wù)器軌道檢測(cè)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(duì)比完全一致（見圖9），數(shù)據(jù)無丟失。

圖6 采集系統(tǒng)運(yùn)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(duì)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(duì)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(duì)比

回傳至地面服務(wù)器軌道檢測(cè)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(duì)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(duì)比

回傳至地面服務(wù)器軌道檢測(cè)鋼軌不平順曲線數(shù)據(jù)，與車上采集端曲線數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比

經(jīng)檢測(cè)車輛實(shí)車動(dòng)態(tài)測(cè)試，車上采集端生成的軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)可以隨軌道檢測(cè)車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)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(hào)強(qiáng)度變化，試驗(yàn)線傳輸速率平均為150 kb/s，車上數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)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(duì)車上采集的數(shù)據(jù)選擇性下載，并可以遠(yuǎn)程對(duì)采集端進(jìn)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?cái)?shù)據(jù)傳輸軟件、地面服務(wù)器端軟件，地面檢測(cè)人員可以通過地面服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)車上檢測(cè)數(shù)據(jù)的上傳、下載，經(jīng)過實(shí)車測(cè)試傳輸數(shù)據(jù)完整無誤，采集端存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與地面接收到的數(shù)據(jù)對(duì)比完全一致，完成項(xiàng)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?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還具備地面數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程對(duì)于采集設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)端系統(tǒng)升級(jí)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。