軌道行業(yè)無線監(jiān)測的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：為了確保我國城市軌道交通行業(yè)運(yùn)營安全，基于無線信號監(jiān)測的數(shù)字孿生系統(tǒng)也獲得了快速發(fā)展。為了更好地保軌道行業(yè)的安全發(fā)展，對數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了軌道行業(yè)無線系統(tǒng)應(yīng)用場景及面臨的挑戰(zhàn)，并對軌道行業(yè)無線監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)及其具體應(yīng)用進(jìn)行了探討。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用，可以及時掌握施工的進(jìn)度，并對施工的質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測，極大地提高了施工的質(zhì)量、交付的效率和網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生系統(tǒng)；軌道行業(yè)；無線監(jiān)測

一、前言

近些年來，我國城市軌交行業(yè)的建設(shè)如火如荼，無線信號作為軌道行業(yè)的重要組成部分、智能化升級的組成部分、數(shù)據(jù)通道的傳輸設(shè)備，其重要性也逐步提升。隨著軌道行業(yè)的智慧化提上日程，基于軌道行業(yè)無線信號監(jiān)測的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用也在逐步進(jìn)入到軌道行業(yè)，對保障運(yùn)營安全起到越來越大的作用。

二、數(shù)字孿生系統(tǒng)概述

數(shù)字孿生系統(tǒng)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的建模及仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和云計算能力的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、設(shè)備具有了智能屬性，而數(shù)字孿生系統(tǒng)也逐步擴(kuò)展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的產(chǎn)品的整個周期，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)。數(shù)字孿生最重要的意義在于，它實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)到CPS（信息物理系統(tǒng)）的反饋。數(shù)字孿生貫穿產(chǎn)品的全生命周期，在不同階段引入不同生產(chǎn)要素，產(chǎn)生不同的表現(xiàn)形態(tài)[1]。在軌道行業(yè)的無線領(lǐng)域建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，主要有三個步驟。

（一）基于場景的無線信號模型設(shè)計

構(gòu)建軌道行業(yè)室分場景、漏纜場景、CBTC空間無線場景的模型，此三個模型基本囊括了地鐵空間的無線場景。無線通信模型包括室內(nèi)有線天饋網(wǎng)絡(luò)、漏纜信號系統(tǒng)、基站及RRU系統(tǒng)等子模型。該子模型與站臺、站廳、隧道的建筑子模型集合形成無線信號與建筑模型的融合數(shù)字孿生模型。

（二）基于數(shù)字孿生的無線信號監(jiān)測

數(shù)字孿生系統(tǒng)對于監(jiān)控環(huán)節(jié)起作用的方式之一是需要感知無線信號的狀態(tài)并且將該信號量化，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)動。量化的維度包括信號強(qiáng)度、駐波參數(shù)、鏈路插損、干擾頻率、鏈路可用率等維度，不同的場景需要對應(yīng)的參數(shù)評估。

（三）基于數(shù)字孿生的分析及決策

數(shù)字孿生系統(tǒng)通過無線感知后，經(jīng)過人工智能進(jìn)行分析，得到整個無線系統(tǒng)及各個子系統(tǒng)的健康狀態(tài)報告，指導(dǎo)運(yùn)維和系統(tǒng)優(yōu)化?；谲壍佬袠I(yè)無線信號檢測的數(shù)字孿生主要應(yīng)用于服務(wù)階段，針對無線信號，利用傳感設(shè)備，進(jìn)行數(shù)字孿生建模及實(shí)時監(jiān)測、反饋并能夠提供預(yù)測信息的數(shù)字孿生系統(tǒng)，有助于提升軌交系統(tǒng)的智能化改造和升級。將傳統(tǒng)的“故障修”升級為“狀態(tài)修”。設(shè)計效果見圖1。

三、軌道行業(yè)無線系統(tǒng)應(yīng)用場景及挑戰(zhàn)

地鐵無線信號覆蓋場一般包含站廳、站臺、地下區(qū)間隧道、廣域空間等區(qū)域。地鐵站廳連接地面及站臺層，站廳層為購票區(qū)域、站臺層為旅客候車區(qū)。包括如下無線系統(tǒng)。

（一）軌道行業(yè)室分系統(tǒng)

針對軌道行業(yè)的站臺和站廳的專網(wǎng)信號覆蓋方式，一般采用室分系統(tǒng)，該系統(tǒng)指的是室內(nèi)分布系統(tǒng)，主要是將基站信號引入室內(nèi)，解決室內(nèi)盲區(qū)覆蓋問題，可以有效解決信號延伸和覆蓋，改善室內(nèi)通信質(zhì)量。室分系統(tǒng)無源器件主要包括電橋、耦合器、合路器、功分器、負(fù)載、衰減器、濾波器等；有源器件主要包括直放站、干線放大器等。對于室分系統(tǒng)來說，器件類型較多，包括合路器、功分器、饋纜、室分天線等多種類型的無源器件，且故障點(diǎn)多，驗收方式粗放，易出現(xiàn)設(shè)備規(guī)格異常、輸入輸出接反、接頭脫落、天線異常等故障現(xiàn)象，一旦發(fā)生故障需要爬天花梳理線纜的隸屬關(guān)系，維修困難、維修時間長。

（二）軌道行業(yè)漏纜系統(tǒng)

泄漏同軸電纜不僅廣泛應(yīng)用于鐵路和車輛之間的無線電通信，還廣泛應(yīng)用于與移動物體有關(guān)的遠(yuǎn)程單元和控制單元以及便攜式無線電話。軌道行業(yè)的漏纜系統(tǒng)中承載了專用無線、車地?zé)o線、公安無線等無線網(wǎng)絡(luò)，是車輛運(yùn)行及軌交系統(tǒng)安防的“生命線”。對于漏纜來說，由于工程問題、無源器件老化問題、自然環(huán)境因素等導(dǎo)致漏纜射頻特性異常，影響通信信號的質(zhì)量，甚至可能造成通信中斷。

（三）車地?zé)o線通信系統(tǒng)

CBTC列車自動控制系統(tǒng)信號可以實(shí)現(xiàn)車—地之間的雙向通信，并且傳輸信息量大，傳輸速度快，所用頻段可能采用2.4G的unlicense頻段或者1.8GHz的頻段，該頻段可能與Wi-Fi或者其他行業(yè)專網(wǎng)無線信號產(chǎn)生同頻或者鄰頻干擾，特別是在具有地面站、露天站的站臺、站廳區(qū)域，受干擾的概率更高。

四、軌道行業(yè)無線監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)

軌道行業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)包含MetaSys軌道行業(yè)無線信號數(shù)字孿生平臺、AnteSense室分智能監(jiān)測系統(tǒng)、OmniReach無線智能監(jiān)測系統(tǒng)、CableSense漏纜監(jiān)測系統(tǒng)4個網(wǎng)元，主要應(yīng)用場景為軌道行業(yè)專網(wǎng)無線信號全生命周期的健康狀態(tài)監(jiān)控，補(bǔ)齊了軌道交通領(lǐng)域無線檢測細(xì)分場景的應(yīng)用短板。MetaSys數(shù)字孿生軟件與AnteSense、OmniReach、CableSense產(chǎn)品相融合，形成整套的軌道交通行業(yè)監(jiān)測解決方案，該系統(tǒng)基于超高頻感知、射頻識別、身份驗證、軟件無線電技術(shù)等智能硬件技術(shù)，實(shí)時感知軌交專網(wǎng)室分、無線及漏纜無線信號的質(zhì)量數(shù)據(jù)，提升了軌道行業(yè)無線信號監(jiān)控方案，提供了工程現(xiàn)場無線信號的度量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了無線信號從“故障修”到“狀態(tài)修”的運(yùn)維理念升級，補(bǔ)齊了軌道細(xì)分領(lǐng)域無線信號質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測的短板，獲得行業(yè)認(rèn)可。

（一）軌道行業(yè)工業(yè)MetaSys數(shù)字孿生系統(tǒng)功能

主要結(jié)合二維圖形、視覺技術(shù)形成交通行業(yè)精確到亞米級別數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型采用地理空間3D建模技術(shù)，構(gòu)建軌道線路的無線室分信號、CBTC信號、漏纜信號的3D模型，提供了無線信號監(jiān)測的3D可視化平臺。采用人工智能數(shù)據(jù)過濾技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于無線空間信號監(jiān)測數(shù)據(jù)的過濾和分析，提取干擾信號、異常信號的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，評估鏈路可用度，提升交通行業(yè)的安全系數(shù)。

（二）AnteSense軌道室分智能監(jiān)測系統(tǒng)原理

AnteSense軌道室分智能監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)造性將無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于室分信號與漏纜信號的感知。通過主機(jī)將覆蓋信號與檢測信號實(shí)現(xiàn)合并傳輸，并且配套了超高頻無源物聯(lián)網(wǎng)天線，獲取室分天饋系統(tǒng)中的鏈路衰減數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，達(dá)到了實(shí)時感知室分信號質(zhì)量的效果。該系統(tǒng)可以支持40dB以上的室分鏈路探測，可支撐室分網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量在數(shù)字孿生系統(tǒng)中精確建模、預(yù)測和優(yōu)化。

（三）OmniReach軌道無線智能監(jiān)測系統(tǒng)原理

OmniReach軌道無線智能監(jiān)測系統(tǒng)通過融合多制式協(xié)議棧處理技術(shù)、編解碼技術(shù)、多頻軟件無線電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)頻譜掃描、多頻段（2.4G、5.8G、1.8G）、多制式的解碼特性，更準(zhǔn)確地分析無線干擾信號的信息，實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)測領(lǐng)域的創(chuàng)新。該平臺競爭力主要在多協(xié)議棧處理技術(shù)，共硬一臺設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)LTE、Wi-Fi、專網(wǎng)無線信號的多協(xié)議解碼，解析無線信號的preamble、信道參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、頻段信息，更全面分析無線環(huán)境。相對于競品只能分析出干擾信號功率，該系統(tǒng)可以洞悉、區(qū)分全網(wǎng)所有被測信號，分析更全面，特別是對于同頻信號的偵測具有無可比擬的優(yōu)勢。

（四）CableSense軌道漏纜監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

CableSense采用的無源物聯(lián)網(wǎng)無線信號作為激勵源，通過定制標(biāo)簽對漏纜傳輸特性進(jìn)行檢測，檢測環(huán)節(jié)包括接頭、拖拽、踩踏、過度彎折及磕碰形成的物理損傷等，檢測顆粒度可以達(dá)到dB級別。

五、軌道行業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

（一）AnteSense軌道室分智能監(jiān)測系統(tǒng)

軌道行業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的AnteSense采用無源物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。系統(tǒng)工作流程如下。

1.系統(tǒng)建模

通過AnteSense后臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺定制對應(yīng)的站臺、站廳建模，建模成功后，形成空間模型、室分信號鏈路模型的融合模型。

2.天線錄入

系統(tǒng)正常部署之前，需要將智能天線的EPC信息與天線、區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系錄入AnteSense的平臺端，支撐數(shù)字孿生系統(tǒng)對于每一個室分網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行標(biāo)注。

3.制定策略

系統(tǒng)部署完成后，通過AnteSense主機(jī)進(jìn)行鏈路監(jiān)測策略的制定，包括監(jiān)測周期、告警等級、告警處理策略等。

4.鏈路監(jiān)測

主機(jī)根據(jù)策略，按周期進(jìn)行激勵信號的發(fā)送、與智能天線交互，獲得對應(yīng)的每一個室分信號的無源網(wǎng)絡(luò)的插損信息，通過對比建設(shè)原理和驗收數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)的結(jié)論[2]。

5.問題排查

若數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)生致命告警，需要對對應(yīng)的無源網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)、饋纜、天線進(jìn)行逐一更換和排查，并觀測數(shù)字孿生系統(tǒng)狀態(tài)，直至完成問題的排查。

AnteSense的系統(tǒng)優(yōu)勢及特點(diǎn)如下：

一是管理范圍寬：每個單元可有效監(jiān)測一個多頻合路器、POI所連接的所有室分器件、電纜、天線及其節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

二是定位粒度細(xì)：系統(tǒng)故障定位精度可達(dá)到一個器件、一個天線或一條電纜的兩個節(jié)點(diǎn)。

三是監(jiān)測無損化：監(jiān)測探針部署在鏈路最末端，系統(tǒng)工作時無需逐段斷開鏈路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排查檢測，不會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

四是排查速度快：一次檢測過程可實(shí)現(xiàn)對一個合路器、POI所連接的所有室分器件、電纜、天線及其節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查[3]。

五是協(xié)調(diào)難度小：探針工作無需電源，監(jiān)測主機(jī)可與RRU共享電源，不會增加對物業(yè)的特殊要求。

六是部署效率高：采用外置探針，每個監(jiān)測單元增加一個監(jiān)測合路器和一臺檢測主機(jī)的安裝和連接工作量[4]，外置探針的安裝平均1枚/分鐘。

（二）OmniReach無線智能監(jiān)測系統(tǒng)

軌道行業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的OmniReach采用軟件無線電作為基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。系統(tǒng)工作流程如下。

1.系統(tǒng)建模

通過OmniReach后臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺定制對應(yīng)的軌旁CBTC信號建模，建模成功后，形成空間模型、軌旁CBTC鏈路模型的融合模型。

2.建立指紋

系統(tǒng)正常部署之前，需要將OmniReach產(chǎn)品部署在線路中進(jìn)行對應(yīng)運(yùn)行線路的空間無線信號的指紋采集工作，獲取對應(yīng)的、連續(xù)位置的無線信號干擾頻段、功率、鏈路利用率信息，并進(jìn)行標(biāo)注。

3.設(shè)備部署

OmniReach部署時可利用車載天線。系統(tǒng)部署車輛后，隨車輛進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，部署方式與被檢測信號相關(guān)。

4.鏈路監(jiān)測

主機(jī)通過車載天線實(shí)時收集無線信號信息，并將監(jiān)測信息與GPS車輛定位信息進(jìn)行融合對應(yīng)，形成全線路的無線信號的數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控信息。若某個位置出現(xiàn)同頻、異頻干擾，主機(jī)與指紋信息通過大數(shù)據(jù)分析，以告警的方式呈現(xiàn)干擾位置、干擾強(qiáng)度、干擾SSID、干擾頻點(diǎn)[5]。

5.問題排查

若數(shù)字孿生系統(tǒng)中發(fā)生致命告警，需要排查對應(yīng)的地理位置，清除干擾源。

OminReach的系統(tǒng)優(yōu)勢及特點(diǎn)如下：

一是CBTC信號測量和解碼：支持CBTC跳頻、窄帶信號（2.4G）、LTE-M無線信號（1.8G） 測量和解碼

二是CBTC無線環(huán)境圖譜：基于SVM概率密度估計的無線信號分布模型構(gòu)建無線圖譜。

三是CBTC無線覆蓋分析：分析CBTC無線信號覆蓋健康度，及時發(fā)現(xiàn)異常覆蓋情況。

四是干擾分析及定位算法：實(shí)現(xiàn)同頻、鄰頻干擾分析，快速定位干擾信號來源。

（三）CableSense漏纜監(jiān)測系統(tǒng)

軌道行業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)中的CableSense采用無源物聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)架構(gòu)與系統(tǒng)特點(diǎn)與AnteSense相類似，不贅述。

六、軌道行業(yè)無線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

該系統(tǒng)應(yīng)用在某地鐵800M專用無線系統(tǒng)。在項目實(shí)施過程中，通過AnteSense室分智能監(jiān)測系統(tǒng)及時掌握施工進(jìn)度，同時監(jiān)測施工質(zhì)量，其間還可以發(fā)現(xiàn)器件規(guī)格、器件安裝、施工工藝等問題，極大地提高了施工的質(zhì)量、交付的效率和網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量 。應(yīng)用效果見圖4。

七、結(jié)語

綜上所述，本文介紹了一種軌道行業(yè)無線監(jiān)測的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。該系統(tǒng)在某地鐵800M專用無線系統(tǒng)項目的實(shí)施過程中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。通過應(yīng)用實(shí)踐證明了該系統(tǒng)能夠及時掌握施工進(jìn)度，并對施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對于發(fā)現(xiàn)的各種問題可以及時反饋和處理，有效地確保了施工的質(zhì)量以及交付的效率。在未來的研究中，還將進(jìn)一步結(jié)合軌道行業(yè)發(fā)展的新要求對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以更好地滿足軌道行業(yè)發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司

■ 責(zé)任編輯：張津平