GSM-R網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)的研制

魏新忠，陳繼仲，蘇林武，擺曉軍，李 源，劉亦偉

1 研制背景

2021年底至2022年初，新型列控系統(tǒng)在烏魯木齊鐵路局范圍內(nèi)的格庫線及和若線進行現(xiàn)場試驗。試驗反映出，按照CTCS-0級線路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和建設(shè)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)，在不進行專項優(yōu)化補強的情況下，難以完全滿足新型列控業(yè)務(wù)的需求。雖然目前通過已有的鐵路GSM-R 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，可以協(xié)助發(fā)現(xiàn)并解決部分通信異常和業(yè)務(wù)流程異常的問題，但要全面深入分析無線超時原因，維護人員仍面臨諸多問題：①監(jiān)測接口不全，部分問題無法進一步查明原因；②空口數(shù)據(jù)復(fù)雜度高，可讀性差；③數(shù)據(jù)量龐大，干擾數(shù)據(jù)眾多；④數(shù)據(jù)分析范圍廣，分析工作繁雜，缺乏自動化分析工具，運維人員難以應(yīng)對；⑤數(shù)據(jù)統(tǒng)計不全，沒有可視化呈現(xiàn)。

為此，研制適用于新型列控系統(tǒng)的“GSM-R網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)”（簡稱“系統(tǒng)”），在保障和若線新型列控系統(tǒng)試運行順利進行的同時，探索GSM-R 網(wǎng)絡(luò)運維新模式，向數(shù)據(jù)自動化分析、統(tǒng)計分析可視化的方向發(fā)展，進一步提升GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的整體運維水平。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)采用分層式結(jié)構(gòu)，從下至上分為數(shù)據(jù)采集層、系統(tǒng)資源層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)分析層和智能展現(xiàn)層等5層，如圖1所示。

圖1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)智能綜合監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的分層式結(jié)構(gòu)中，每層不但可以作為系統(tǒng)的組件為大系統(tǒng)提供服務(wù)，也可以對外提供各層的服務(wù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層為系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)，是綜合監(jiān)測系統(tǒng)大數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)來源，也是綜合監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)，可產(chǎn)生和收集GSM-R 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)，也是綜合監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口。

2.2 系統(tǒng)資源層

系統(tǒng)資源層提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等各類資源，為綜合監(jiān)測系統(tǒng)提供硬件基礎(chǔ)和資源管理。GSM-R 網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)部署在云平臺上，各層各組件共享云平臺的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源；同時，云平臺為各個物理實體和虛機資源提供統(tǒng)一的監(jiān)控管理，從而實現(xiàn)資源的合理分配調(diào)度［1-2］。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)融合、清洗、中間件、數(shù)據(jù)分析及預(yù)測等服務(wù)，在系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，由多個部分組成。數(shù)據(jù)服務(wù)層下端與系統(tǒng)資源層接口，從系統(tǒng)資源層獲取原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的關(guān)系對數(shù)據(jù)進行清洗和預(yù)處理；根據(jù)專家的分析經(jīng)驗，從已經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)中提取有用信息，實現(xiàn)常見故障的自動分析；中間件服務(wù)包括GIS 服務(wù)、權(quán)限及審計服務(wù)、數(shù)據(jù)備份恢復(fù)服務(wù)、案例庫管理服務(wù)等［3］。

2.4 數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)分析層提供側(cè)重于業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，主要實現(xiàn)針對鐵路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用和數(shù)據(jù)的綜合查詢、統(tǒng)計、告警、應(yīng)用等功能，具體為新型列控系統(tǒng)無線通信超時專項分析、鐵路無線電干擾監(jiān)測分析、進路預(yù)告發(fā)送失敗專項分析、設(shè)備性能狀態(tài)趨勢預(yù)測分析、其他專項分析、綜合查詢及指標(biāo)統(tǒng)計、業(yè)務(wù)告警、GIS應(yīng)用、案例庫應(yīng)用等。

2.5 智能展現(xiàn)層

智能展現(xiàn)層是人機交互的入口，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)駕駛艙和智能信息推送功能，提供數(shù)據(jù)展示、告警推送等服務(wù)。數(shù)據(jù)駕駛艙可根據(jù)登錄角色的不同為用戶實時動態(tài)地展示各類分析結(jié)果，同時按照用戶角色展示不同維度的統(tǒng)計結(jié)果；智能推送功能可以實現(xiàn)多終端的協(xié)同推送，使用戶可以隨時隨地獲得所需的綜合監(jiān)測信息。

此外，系統(tǒng)管理監(jiān)控貫穿于各個層，實時采集各個層的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，統(tǒng)一匯總；結(jié)合各層的狀態(tài)對系統(tǒng)的運行情況進行評估和監(jiān)測，并將結(jié)果反饋給系統(tǒng)資源層，實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)整，同時監(jiān)測結(jié)果也可通過智能展現(xiàn)層進行告警、顯示和查詢。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)采用了多源數(shù)據(jù)融合、空口數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)處理中臺、超時數(shù)據(jù)自動故障分析、數(shù)據(jù)駕駛艙等技術(shù)。

3.1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

傳統(tǒng)電路域的三接口監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，僅對移動通信基站（BTS）和基站控制器（BSC）之間的Abis 接口、移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）與基站控制器（BSC）之間的A 接口，以及MSC 與無線閉塞中心（RBC）之間的PRI 接口數(shù)據(jù)進行匯總［4］。在實際工作中，經(jīng)常出現(xiàn)車載側(cè)記錄與基站側(cè)記錄不一致的情況，不能確認(rèn)無線超時是由車載發(fā)送出現(xiàn)了問題，還是BTS 接收出現(xiàn)了問題造成的。此外，在增加了承載新型列控業(yè)務(wù)的GPRS 通道后，分組域數(shù)據(jù)需要經(jīng)過服務(wù)于GPRS 支持節(jié)點（SGSN）與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（BSS）間的Gb 接口、SGSN 與網(wǎng)關(guān)GPRS 支持節(jié)點（GGSN）間的Gn接口、GPRS 與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的Gi 接口傳輸［5］。同樣，分組域的超時分析也需要通過空口監(jiān)測數(shù)據(jù)來進一步判斷是由車載設(shè)備還是地面設(shè)備造成無線通信超時。因此，不管是傳統(tǒng)電路域的無線超時分析，還是分組域的無線超時分析，均存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不全的問題，使得無線超時問題無法進一步查明原因。

由于通過傳統(tǒng)三接口監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的業(yè)務(wù)需求，因此本系統(tǒng)采用了多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集除了傳統(tǒng)的地面三接口數(shù)據(jù)外，還包括鐵路無線電干擾監(jiān)測采集，地面Gb、Gn、Gi接口分組域的信令及業(yè)務(wù)采集，車載ATP 的Um、Igsm-r接口的電路域和GPRS分組域信令和業(yè)務(wù)監(jiān)測采集，7 號信令的監(jiān)測采集，以及外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，如網(wǎng)管的告警信息、設(shè)備維修維護信息等［6-7］。

多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)不僅豐富了監(jiān)測接口，而且能夠利用各接口業(yè)務(wù)信息的一致性，解決各個數(shù)據(jù)源間的數(shù)據(jù)同步問題，使各接口數(shù)據(jù)可以進行智能化合成，為超時分析提供比單一監(jiān)測數(shù)據(jù)更精確、更完全、更可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的使用提高了分析效率和可靠性，為無線超時問題的深入準(zhǔn)確分析提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 空口數(shù)據(jù)解析技術(shù)

針對無線超時分析中遇到的車載、地面原因歸屬困難問題，系統(tǒng)將空口監(jiān)測數(shù)據(jù)引入故障分析中，從而實現(xiàn)故障的進一步定位［8］。采用空口監(jiān)測數(shù)據(jù)解析技術(shù)還解決了以下問題。

1）空口協(xié)議復(fù)雜，包含多層協(xié)議。系統(tǒng)對空口監(jiān)測數(shù)據(jù)按照協(xié)議棧進行分層處理，將數(shù)據(jù)分為信令層（包括GSM-R通信協(xié)議的各層）、鏈路層和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層。分層后的數(shù)據(jù)可以與不同接口的數(shù)據(jù)靈活對應(yīng)分析，如電路域中的信令層數(shù)據(jù)與Abis信令、A 接口信令對應(yīng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)與PRI接口數(shù)據(jù)對應(yīng)。數(shù)據(jù)分層處理后大幅降低了分析難度，有效提高了分析效率，為自動分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）原始數(shù)據(jù)均為16 進制數(shù)，需按位處理，沒有可讀性。根據(jù)3GPP 和C3 列控?zé)o線信息傳輸中使用的各類協(xié)議，采用空口數(shù)據(jù)解析技術(shù)，先將16 進制數(shù)據(jù)解析為可交互的文本信息，再將不同協(xié)議數(shù)據(jù)分別顯示，從而提高了數(shù)據(jù)的可讀性，并為數(shù)據(jù)后續(xù)自動化處理打下基礎(chǔ)。

3）監(jiān)測范圍內(nèi)的用戶數(shù)不止一個，監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含了可檢測范圍內(nèi)所有用戶的數(shù)據(jù)，多個用戶的空口數(shù)據(jù)混雜在一起。采用空口數(shù)據(jù)解析技術(shù)，首先利用頻點、時隙、信道等不同條件篩選出部分用戶數(shù)據(jù)；再通過信令解析、應(yīng)用層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等技術(shù)，實現(xiàn)了單用戶數(shù)據(jù)追蹤，能夠使分析人員從繁雜的數(shù)據(jù)篩選工作中解放出來，大幅提高了數(shù)據(jù)分析效率。

3.3 數(shù)據(jù)處理中臺技術(shù)

為盡量消除無線超時分析中的“數(shù)據(jù)孤島”問題，系統(tǒng)接入了各個通信接口間大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)量龐大、干擾數(shù)據(jù)眾多的新問題。而隨著無線超時分析的深入，越來越多的系統(tǒng)引入了自動化分析功能，干擾數(shù)據(jù)的存在大大降低了自動化分析的準(zhǔn)確度。由此對自動化分析提出了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)清洗的需求。為了降低數(shù)據(jù)分析難度、清除干擾數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)服務(wù)層引入了數(shù)據(jù)處理中臺技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量［9］。

數(shù)據(jù)處理中臺實現(xiàn)了對各個接口監(jiān)測數(shù)據(jù)的清洗、過濾、標(biāo)記、整合等操作處理［10］。清洗和預(yù)處理可以實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的噪點數(shù)據(jù)清除和干擾數(shù)據(jù)濾波。此外，在數(shù)據(jù)服務(wù)層，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的邏輯還實現(xiàn)了用戶識別、話單合成、接口關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)整合等功能。原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)層對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分類存儲功能。

數(shù)據(jù)處理中臺可針對上層分析服務(wù)提供專門的數(shù)據(jù)服務(wù)，減少直接處理海量數(shù)據(jù)的壓力；同時提供了大量的數(shù)據(jù)開發(fā)組件和數(shù)據(jù)治理組件，以支持?jǐn)?shù)據(jù)處理和管理功能的實現(xiàn)。通過在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)、數(shù)據(jù)安全等多個方面進行控制和整合，從而增強了數(shù)據(jù)服務(wù)的能力，提升了數(shù)據(jù)應(yīng)用的價值。

數(shù)據(jù)處理中臺基于Hadoop 分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)建立，通過Hive 數(shù)據(jù)倉庫處理工具，使用類SQL 的hiveSQL 語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢［11］。同時具備查詢結(jié)果的可視化顯示功能，查詢結(jié)果可以在Hive 的可視化平臺Hue 中進行顯示。展示內(nèi)容可包括數(shù)據(jù)庫列表區(qū)、數(shù)據(jù)庫內(nèi)表單列表區(qū)、多行查詢語句輸入?yún)^(qū)、歷史查詢顯示區(qū)、查詢結(jié)果顯示區(qū)、查詢結(jié)果下載方式選擇區(qū)、查詢表格中字段的顯示區(qū)等。

3.4 超時數(shù)據(jù)自動故障分析技術(shù)

針對數(shù)據(jù)分析范圍廣、分析工作繁雜、缺乏自動化分析工具等問題，平臺引入了結(jié)合空口監(jiān)測的GPRS分組域超時數(shù)據(jù)自動故障分析技術(shù)［12］。

首先，根據(jù)業(yè)務(wù)類型將電路域和分組域的數(shù)據(jù)分開，例如C3 列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采用電路域承載，而新型列控系統(tǒng)的列控和進路預(yù)告信息則采用分組域承載。分類后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)類型通過定期掃描或人工導(dǎo)入的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚，其中電路域承載的數(shù)據(jù)使用Abis、A 接口、PRI 接口和BMS（基站側(cè)空口監(jiān)測）、AMS（車載側(cè)空口監(jiān)測）的監(jiān)測數(shù)據(jù)；分組域承載的數(shù)據(jù)使用Gb、Gn、Gi接口監(jiān)測數(shù)據(jù)和BMS、AMS的空口監(jiān)測數(shù)據(jù)。

其次，針對電路域數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可自動生產(chǎn)話單，自動繪制上下行電平，利用空口數(shù)據(jù)及PRI接口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)C3列控系統(tǒng)車地?zé)o線數(shù)據(jù)交互超時的自動分析。針對新型列控業(yè)務(wù)使用的分組域數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)BMS、AMS 數(shù)據(jù)的特點，實現(xiàn)分組域數(shù)據(jù)的單用戶跟蹤。與傳統(tǒng)電路域不同，新型列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用TBF（臨時塊流）承載，每次數(shù)據(jù)發(fā)送前移動終端根據(jù)發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長度申請TBF，并在數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后釋放TBF。因此，只有在用戶需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時才存在該用戶對應(yīng)的TBF，無需連續(xù)占用資源。

此外，GPRS 業(yè)務(wù)的小區(qū)切換完全由移動終端決定，基站側(cè)沒有小區(qū)切換相關(guān)的信令，因此無法根據(jù)用戶的頻點和時隙進行單用戶數(shù)據(jù)追蹤。為此系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的源地址、目的地址、端口號等信息，逐段定位出應(yīng)用數(shù)據(jù)當(dāng)前使用的頻點、時隙、TFI（臨時塊流編號）；再通過判斷隨機接入、立即指配、上下行TBF 分配、時隙重分配、TBF釋放等信令，對數(shù)據(jù)進行向前和向后的雙向追蹤，最終獲得完整的單用戶數(shù)據(jù)。

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，新型列控業(yè)務(wù)在RLC/MAC 層采用了確認(rèn)模式進行數(shù)據(jù)交互。在該模式下，上行數(shù)據(jù)的確認(rèn)完全由基站側(cè)決定，因此造成了大量的空口數(shù)據(jù)重傳。為此，系統(tǒng)通過使用TCP 的源地址、目的地址和序列號等信息，將空口業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與Gb 接口的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)自動對應(yīng)，剔除空口重傳的干擾信息，實現(xiàn)了異常數(shù)據(jù)的自動發(fā)現(xiàn)。

通過超時數(shù)據(jù)自動故障分析技術(shù)，對車載設(shè)備與地面BSS 之間無線超時故障進行定位、原因分析、自動生成分析報告［13］，實現(xiàn)了新型列控系統(tǒng)列控數(shù)據(jù)車地?zé)o線交互超時事件和進路預(yù)告發(fā)送異常事件的自動分析功能。

3.5 數(shù)據(jù)駕駛艙技術(shù)

在以往的無線超時分析中，往往是發(fā)生一件分析一件，分析后沒有對超時事件進行歸類統(tǒng)計。而對超時事件的歸類統(tǒng)計不但可以幫助用戶快速查找既有案例，了解本局超時發(fā)生的分布類型，還能幫助用戶發(fā)現(xiàn)造成超時發(fā)生的主要矛盾，從而針對主要矛盾集中力量解決問題。因此，系統(tǒng)制定了各種統(tǒng)計規(guī)則，如按照線路、基站異常類型、基站排行、電臺異常類型等，從多個維度對超時事件進行匯總統(tǒng)計，并利用數(shù)據(jù)駕駛艙技術(shù)實現(xiàn)對超時事件的可視化呈現(xiàn)［14］。

以數(shù)據(jù)駕駛艙對基站、電臺的異常統(tǒng)計的展示為例，經(jīng)對基站異常按照不同維度進行統(tǒng)計，得出基站排行榜，其中異常發(fā)生前5 名的基站示例見圖2。

圖2 基站的異常排行榜示例

基站異常類型占比、電臺異常類型月占比統(tǒng)計了下行電平突降，上、下行連續(xù)質(zhì)差大于5 級，上、下行電平連續(xù)偏低，上、下行電平均偏低，上下行電平不平衡等多種異常類型。基站異常類型占比見圖3。

圖3 基站異常類型占比

不同線路、不同日期，基站異常的總次數(shù)使用折線圖進行顯示，各線路基站異常數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 各線路基站異常數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）GSM-R網(wǎng)絡(luò)綜合監(jiān)測系統(tǒng)通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)匯總了分組域接口監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決了數(shù)據(jù)不全問題；通過空口數(shù)據(jù)解析技術(shù)將數(shù)據(jù)解析為可讀文本，解決了數(shù)據(jù)復(fù)雜度高、可讀性差、各層數(shù)據(jù)混雜問題；通過數(shù)據(jù)處理中臺技術(shù)對干擾數(shù)據(jù)進行清洗，解決了數(shù)據(jù)處理壓力大、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化程度低的問題；通過數(shù)據(jù)自動故障分析技術(shù)實現(xiàn)分組域用戶追蹤和自動信令分析，降低了超時分析復(fù)雜度；通過對既有超時案例多種角度統(tǒng)計和數(shù)據(jù)駕駛艙技術(shù)對統(tǒng)計結(jié)果進行可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)了多終端融合的人機交互。

2）該系統(tǒng)有效地解決了C3及新型列控系統(tǒng)無線超時數(shù)據(jù)分析中面臨的主要問題，大大提高了無線超時數(shù)據(jù)分析的效率及準(zhǔn)確度。