基于5G高速網絡的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)研究

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，機務運用領域存在海量機車車載記錄數(shù)據(jù)。由于人工分析能力不足，車載數(shù)據(jù)與現(xiàn)場經驗、“110”信息、故障履歷、配件技術參數(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行單獨轉儲及子項分析，存在分析效率低、覆蓋面不足的弊端［1-2］。僅機車監(jiān)控方面，平均一臺車每天產生約20 GB的視頻數(shù)據(jù)。由于視頻數(shù)據(jù)采用人工轉儲方式，且多為事后分析，經常會出現(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［3-5］提出了一種基于WLAN的機車數(shù)據(jù)下載方式，指出通過地面無線訪問節(jié)點（access point，AP）位置和角度調整，使無線網絡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完成機車數(shù)據(jù)記錄文件及音視頻數(shù)據(jù)下載的要求。文獻［6］提出了一套基于5G通信技術的車地傳輸系統(tǒng)，但其只是對車載與車地傳輸做了研究，未體現(xiàn)地面配套施工設計與數(shù)據(jù)落地后的智能應用情況，無法完全滿足鐵路智能運維需求。目前，國外已經基于數(shù)據(jù)傳輸技術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用環(huán)境的研究和應用［8］。

針對上述問題和挑戰(zhàn)，本文基于文獻［6］，綜合機車車載系統(tǒng)、地面?zhèn)鬏斂刂葡到y(tǒng)及運用信息綜合智能分析系統(tǒng)功能，采用5G通信技術、車地一體化物聯(lián)網技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術、多維數(shù)據(jù)聯(lián)動分析技術，構建了一套基于5G高速網絡的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)，實現(xiàn)機車數(shù)據(jù)高速傳輸、多系統(tǒng)聯(lián)動智能分析、快速定位機車故障并輸出分析結果。該系統(tǒng)通過端到端高速微波鏈路傳輸、波束賦形、斷點續(xù)傳、數(shù)據(jù)加密與校驗、大數(shù)據(jù)人工智能分析等技術提升了車載數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性，更好地挖掘數(shù)據(jù)應有價值，降低數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)難度，擴大數(shù)據(jù)分析的覆蓋面，提升分析效率和質量，能做到及時分析、有據(jù)可查、提前防控，以確保出庫機車質量。

1 基于5G高速網絡的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)設計

基于5G高速網絡的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)由車載系統(tǒng)、車地傳輸系統(tǒng)和地面智能應用系統(tǒng)3部分組成，系統(tǒng)架構如圖1所示。車載系統(tǒng)完成對機車視頻、車載微機系統(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，并與車載天線設備互聯(lián)，支持1GE/2.5GE/10GE速率傳輸。車地傳輸系統(tǒng)實時監(jiān)視5G鏈路中機車連接狀態(tài)，當機車處于無線基站覆蓋范圍時，將自動發(fā)起并建立車載主機與地面5G基站的高速連接，并將機車運行過程中的視頻、設備狀態(tài)信息等車載數(shù)據(jù)轉儲到地面高速緩存。地面智能應用系統(tǒng)實現(xiàn)對已采集機車數(shù)據(jù)的多維聯(lián)動智能分析，快速定位機車故障并輸出分析結果，全面支撐機車運用、檢修和維護工作。

圖1 基于5G高速網絡的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)架構圖Fig.1 Architecture diagram of the locomotive data application system based on 5G high speed network

該機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)結合云計算、大數(shù)據(jù)、微服務、多維數(shù)據(jù)聯(lián)動分析、斷點續(xù)傳等技術，在5G通信技術基礎上，實現(xiàn)6A、LKJ、TCMS、CMD等系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速自動轉儲；同時系統(tǒng)可配套完成機車大容量數(shù)據(jù)分析與應用。該系統(tǒng)可實現(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)的關聯(lián)互通和一體化分析；實現(xiàn)對LKJ違章項點、運行曲線、全程記錄、安全因素、關鍵事件與音視頻的聯(lián)動分析；實現(xiàn)視頻智能識別、對司機行為違章項點的智能分析，并自動檢索司乘人員違章信息。

2 車載系統(tǒng)設計

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

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

2.1 車載系統(tǒng)硬件設計

車載系統(tǒng)硬件包括車載主機與車載5G終端。車載主機內置固態(tài)硬盤（SSD），支持2路2.5GE接口，具備千兆以太網接口及USB接口。車載5G終端是車地轉儲解決方案中的車載終端設備，集成了相控陣天線，可提供1路2.5GE業(yè)務接口。

2.1.1 車載主機

車載主機通過千兆以太網接口實時接收6A、CMD和LKJ等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具備1 TB存儲容量。車載主機由電源插件、CPU插件（主板）、交換機插件和2塊存儲插件組成。其中，CPU插件（主板）用于實現(xiàn)車地無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>

車載主機結構見圖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路千兆以太網接口支持PoE功能，PoE輸出功率不小于71 W。

圖3 車載主機結構圖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與車載主機通信并獲取供電，采用高頻無線通信技術完成大容量數(shù)據(jù)的車地傳輸，其點對點通信速率可達1Gb/s，用于接收車載轉儲天線發(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線，連接PoE設備以獲取電源；天線尾部引出光纖，連接光纖交換機以傳輸數(shù)據(jù)；防護等級≥IP67，可直接安裝在室外。

2.2 車載系統(tǒng)功能設計

機車的整車網絡控制系統(tǒng)與牽引、制動、列車供電、安全防護等系統(tǒng)通過多功能車輛總線（MVB）或以太網相連，以進行控制指令和設備狀態(tài)信息的交互［9］。通過機車整車網絡控制系統(tǒng)與現(xiàn)有機車車載設備進行對接，可實現(xiàn)機車安全視頻（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基站構建的5G傳輸網絡進行采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，實現(xiàn)不停車情況下大容量數(shù)據(jù)的高速自動轉儲。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集功能

車載主機通過以太網接口采集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，并通過車載主機內置SSD硬盤將所采集的數(shù)據(jù)進行存儲；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置SSD硬盤中；通過以太網接口采集車載微機系統(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)轉儲采用記錄文件形式，記錄在內置SSD硬盤中。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸功能

車載主機持續(xù)采集機車各系統(tǒng)數(shù)據(jù)并緩存在車載主機內置SSD硬盤中，同時實時檢測5G空口連接狀態(tài)；建立連接后，與地面轉儲軟件平臺配合發(fā)起文件轉儲并完成數(shù)據(jù)完整性校驗。傳輸由無線通信心跳功能觸發(fā)，傳輸內容包括6A系統(tǒng)AV3的視頻數(shù)據(jù)、車載微機系統(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)設計

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

3.1 軌旁5G基站設計

地面軌旁5G基站設備的規(guī)劃不僅受地面站的覆蓋規(guī)劃、地面軌旁5G基站設備數(shù)量規(guī)劃的影響，還受機車進出整備車間線路環(huán)境的影響，主要涉及地面高速緩存、網絡及資源等。為了保證數(shù)據(jù)下載速率，機車入庫或與整備車間相關的并發(fā)進路軌道數(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］?；谀壳拌F路各站段對5G轉儲業(yè)務的實際需求與機車實際運用場景［11］，本文選擇朝向整備場和朝向進車線分別部署兩套地面軌旁5G基站的設計，如圖4所示。

圖4 軌旁5G基站設備施工布置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，但當機車入段時，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基站設備。這樣，當機車在進車線入段區(qū)、整備作業(yè)區(qū)、整備完成待發(fā)區(qū)時，可實現(xiàn)全方位的信號覆蓋，即機車無論從哪個方向入庫，均可實現(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技術，建立穩(wěn)定、高速的傳輸通道。為了保證信號的覆蓋范圍，設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，為了保證傳輸質量，地面軌旁5G基站安裝高度設置為7 m（安裝高度大于機車高度，小于2倍機車高度），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）覆蓋方向和角度設計Fig.5 Design of coverage direction and angle of ground base station(RBS)

3.2 地面無線轉儲管理平臺設計

地面無線轉儲管理平臺承擔著地面高速轉儲程序與車載主機數(shù)據(jù)傳輸程序之間通信的任務，負責將車載數(shù)據(jù)轉儲到地面文件服務器并開放給各類型的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，無線轉儲平臺主程序功能結構如圖6所示。

圖6 無線轉儲平臺主程序功能結構Fig.6 Functional structure of the main program of the wireless dump platform

數(shù)據(jù)轉儲模塊主要處理車地報文交互以及調用數(shù)據(jù)庫處理模塊、日志管理模塊對轉儲過程和轉儲文件信息進行記錄。數(shù)據(jù)交互模塊負責向地面智能應用系統(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儲服務器軟件運行日志，并定期清理日期較久的日志記錄。文件壓縮/解壓縮模塊主要負責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)交互模塊所調用。安全認證模塊實現(xiàn)網絡內機車車載終端設備的接入、無線網絡的車載5G終端與地面基站之間多重身份互認證，以建立安全、保密的傳輸通道。在機車進入地面5G基站無線信號覆蓋范圍內時，車載5G終端與地面基站通過小區(qū)ID和密鑰接入認證、MAC地址白名單認證、應用層的設備ID身份認證這3種方式實現(xiàn)接入安全認證［12］，以防止非法設備接入。無線數(shù)據(jù)下載業(yè)務流程如圖7所示。

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

地面無線轉儲管理平臺通過與無線轉儲服務器軟件交互，展示實時轉儲狀態(tài)以及轉儲文件統(tǒng)計查詢等功能。當機車進入段內5G網絡覆蓋區(qū)域時自動與地面無線轉儲管理平臺連接，將緩存池中數(shù)據(jù)通過5G網絡高速轉儲到無線轉儲服務器，及時、有效、可靠地將數(shù)據(jù)保存。若機車在數(shù)據(jù)回傳尚未完成時離開5G網絡覆蓋區(qū)域，地面無線轉儲管理平臺會記錄數(shù)據(jù)傳輸中斷的位置；當機車再次進入5G網絡覆蓋區(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)完整轉儲。當多臺機車入段同步轉儲時，地面無線轉儲管理平臺對已完成傳輸?shù)逆溌愤M行自動斷開，以保證機車數(shù)據(jù)的同步效率和及時性，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的視頻轉儲。

地面無線轉儲管理平臺采用波束賦形、波束跟蹤等技術自動對準、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，并實現(xiàn)無線鏈路連接的實時防護（當無線鏈路發(fā)生故障時可立即報警，通知作業(yè)人員對故障點進行修復）。

4 地面智能應用系統(tǒng)設計

地面智能應用系統(tǒng)可對已轉儲的視頻數(shù)據(jù)、LKJ數(shù)據(jù)、TCMS數(shù)據(jù)、6A數(shù)據(jù)等進行智能分析和處理，對司機行為進行智能分析。該系統(tǒng)采用C/S架構設計，由前端的聯(lián)動客戶端和后端數(shù)據(jù)與服務類組件構成。

4.1 系統(tǒng)功能架構

地面智能應用系統(tǒng)從功能上設計為通用類組件、聯(lián)動分析類組件和統(tǒng)計分析類組件3大板塊，如圖8所示。通用組件模塊負責集成地面智能應用系統(tǒng)基礎功能庫，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展性。聯(lián)動分析組件負責將用戶操作界面（user interface，UI）操作的、對應機車輛的LKJ基礎信息與運行曲線數(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)務數(shù)據(jù)關聯(lián)，并進行動態(tài)的聯(lián)動播放展示。統(tǒng)計類分析組件通過對聯(lián)動系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)進行整合，提供各類專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析界面靜態(tài)顯示。

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

4.2 核心功能設計

地面智能應用系統(tǒng)的核心功能包括3項，即數(shù)據(jù)轉儲關聯(lián)、檢索查閱分析和智能識別。

LKJ、視頻數(shù)據(jù)轉儲關聯(lián)功能，即基于LKJ解析結果，自識別關聯(lián)匹配視頻文件，實現(xiàn)LKJ數(shù)據(jù)與視頻文件時間同步匹配關聯(lián)，完成聯(lián)動分析。其以一條LKJ記錄為起始點，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)時間點自動檢索與運行記錄關聯(lián)的機車視頻序列，并實時更新時間軸、視頻列表等控件的內容。如圖9所示，圖中紅框部分為LKJ全程記錄事件項點，點擊對應事件項點，即可聯(lián)動當前時間點視頻畫面對當前時刻機車駕駛時的LKJ數(shù)據(jù)與視頻畫面進行分析。

圖9 LKJ運行記錄、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，實現(xiàn)對LKJ全程記錄、LKJ運行曲線、視頻等數(shù)據(jù)的同步分析，如圖10所示。通過點擊LKJ運行記錄，選擇菜單欄中LKJ運行曲線功能，即可展示當前時刻LKJ運行曲線數(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、視頻司機行為智能識別功能，即基于乘務員行車操作規(guī)范建立LKJ、視頻數(shù)據(jù)分析模型，實現(xiàn)自動分析、識別LKJ和視頻數(shù)據(jù)中的違章項點。識別項點主要包括：主司機偏頭、主司機離崗、玩手機、未探頭手比（升弓確認）、未后部瞭望、未探頭手比（進入調車）、未探頭手比（出段）、未探頭手比（入段）、主司機未手比（發(fā)車信號）、主司機未手比（過分相）、主司機未手比（LKJ側線輸入）、主司機未手比、主司機未手比（一度停車）。如圖11所示，進行司機行為智能識別之前需先完成數(shù)據(jù)獲取、預處理準備工作，然后通過深度學習模型對視頻幀進行單幀分析（單臺服務器分析效率大約為40 GB/天），并針對分析結果實現(xiàn)全自動關聯(lián)LKJ數(shù)據(jù)（展示在圖10軟件界面下半區(qū)域），最后由人工進行校核簽署，實現(xiàn)分析的閉環(huán)。

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

5 應用分析

本文所研究的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)已于2020年在我國鐵路某機務段進行工程化應用，并已完成2臺HXD1型機車的車載設備裝車調試與驗證工作。近一年的驗證結果顯示，其車載數(shù)據(jù)下載速率最高達到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，數(shù)據(jù)轉儲時間平均減少約30 min，且能保證數(shù)據(jù)100%的完整性。表1示出應用項目中2020年5月1日至7日單趟機車人工下載與5G自動下載轉儲數(shù)據(jù)情況進行對比。

通過表1對比結果可以看出，5G數(shù)據(jù)自動傳輸系統(tǒng)可替代機務段目前所有的數(shù)據(jù)轉儲設備，實現(xiàn)當前機車所有類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸；同時可防止因插拔造成設備接觸不良、松動，導致數(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，進一步提高了數(shù)據(jù)轉儲工作效率。

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

自2020年5月20日起，該項目開始對地面智能應用子系統(tǒng)進行測試驗證。在此之前，機務段每天投入6人進行機車視頻與LKJ數(shù)據(jù)的抽調分析，對每臺車抽調約10%的數(shù)據(jù)量進行分析。在地面智能應用子系統(tǒng)投入測試后，實現(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)場實際使用情況，地面智能應用子系統(tǒng)累計升級迭代了5個軟件版本，確定了13個違章智能分析項點并開展了多次測試，最終測試的各項點準確率如表2所示。

由表2結果可見，該系統(tǒng)的應用在擴大分析覆蓋面的同時，實現(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 地面智能應用子系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計Tab.2 Data analysis statistics of ground intelligent application subsystem

6 結語

本文基于5G高速網絡，研究了車載系統(tǒng)、傳輸控制系統(tǒng)及綜合運用信息分析系統(tǒng)功能，提出了一套多維一體化的機務數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)并進行設計實現(xiàn)。目前該系統(tǒng)已在國內某機務段進行全面實施與驗證，結果表明，這種模式提高了機車數(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車數(shù)據(jù)轉儲人員和數(shù)據(jù)分析人員的工作量，縮短了機車整備時間，提高了機車質量分析效率。

基于本系統(tǒng)，后續(xù)我們將通過功能拓展方式實現(xiàn)機車制動系統(tǒng)、走行部系統(tǒng)等其他數(shù)據(jù)接入轉儲系統(tǒng)，進一步提升機車整車數(shù)據(jù)落地和智能分析的能力。