鐵路通信信號檢測控制與編輯系統(tǒng)設計與實現

段賀輝，許慶陽，楊 吉

（1.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

隨著高速鐵路網的基本建成，以及鐵路列車運營速度的提升，基礎設施保障顯得尤為重要，亟需提升高速綜合檢測列車的作業(yè)效率、智能化和集成化水平。在鐵路通信、信號檢測方面，依托于高速綜合檢測列車通信信號檢測系統(tǒng)[1-2]，每月對高速鐵路和部分普速干線鐵路通信信號進行檢測，通過對各項測試結果進行分析可掌握鐵路通信、信號基礎設施運用狀態(tài)。高速綜合檢測列車通信信號檢測系統(tǒng)（簡稱：通信信號檢測系統(tǒng)）運用過程中發(fā)現如下不足：自動化程度低，在換線檢測時，需要人工進行線路重選、基礎數據庫添加等操作后再啟動測試，檢測人員工作強度大；智能化程度低，缺少對系統(tǒng)自身運行狀態(tài)監(jiān)測的功能，檢測人員需要手動完成日報、日志、漏檢的填報；通信信號檢測頻次低，測試樣本難以滿足檢測標準要求[3]，難以準確評價鐵路移動通信系統(tǒng)（GSM-R，Global System for Mobile Communications - Railway）運行質量[4]。

結合新一代高速綜合檢測列車“更集成、更智能”的設計目標，設計了集中控制系統(tǒng)和數據歸集系統(tǒng)，實現了通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、任務自動控制、數據集中管理等功能。但在通信、信號檢測方面，由于檢測項目繁多、傳感器復雜，給集中控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理造成負擔，尤其在檢測任務分發(fā)方面，很難實現統(tǒng)一控制。

因此，本文設計鐵路通信信號檢測控制與編輯系統(tǒng)（簡稱：檢測編輯系統(tǒng)），對通信信號檢測系統(tǒng)各檢測項目進行匯聚后，統(tǒng)一與集中控制系統(tǒng)進行交互，在便于集中控制系統(tǒng)對通信信號檢測管理的同時，也可在集中控制系統(tǒng)缺失的情況下，實現通信信號檢測的自動化。

1 總體架構

檢測編輯系統(tǒng)采用C/S架構設計，如圖1所示。

圖1 檢測編輯系統(tǒng)總體架構

1.1 系統(tǒng)交互層

依賴C#語言開發(fā)，采用WinForm技術進行界面設計，后端采用SQL Server數據庫作數據存儲，各系統(tǒng)間及下位機通信采用Socket方式，通過Log4net進行日志記錄，采用EPPlus作數據導出。

1.2 業(yè)務處理層

完成檢測數據的解析存儲，管理下位機超限閾值、參數配置及文件升級包等，管理檢測臺賬，對超限數據進行有效性標識等。

1.3 展示控制層

用于人機交互，包括通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、檢測位置跟蹤、檢測記錄數據展示、超限編輯，以及檢測臺賬的增刪改查，一鍵關機等功能。

2 系統(tǒng)功能模塊

檢測編輯系統(tǒng)作為集中控制系統(tǒng)與通信信號檢測系統(tǒng)的通信接口，傳遞集中控制系統(tǒng)指令，收集通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息、檢測結果，處理超限數據。檢測編輯系統(tǒng)設計數據存儲模塊、數據交互與處理模塊、顯示與操控模塊，模塊之間相互關聯(lián)，在模塊間協(xié)同作業(yè)同時完成各自的功能。檢測編輯系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

圖2 檢測編輯系統(tǒng)功能框架

2.1 數據存儲模塊

用于存儲與各系統(tǒng)交互的數據、檢測基礎數據等，包括SQL Sever數據庫、磁盤文件這2類文件。用于管理檢測過程中的測試數據，包括檢測任務信息、超限數據、檢測記錄等；檢測基礎數據包括檢測臺賬、參數配置文件。本系統(tǒng)以FreeSql方式訪問數據庫[5]，記錄測試任務信息，建立超限數據和檢測記錄索引關系，實現數據之間的關聯(lián)和定位。在超限數據和檢測記錄方面，創(chuàng)建標識字段，指明數據的有效性和可用性；在報告生成環(huán)節(jié)進行有效數據提取；對于參數配置文件和檢測臺賬等大文件數據，采用磁盤文件方式管理，通過數據庫索引指向磁盤文件[6]，提升文件的訪問速率，同時減少數據庫文件的占用空間。

2.2 數據交互與處理模塊

實現與各系統(tǒng)交互、數據解析和數據歸集等。本系統(tǒng)在執(zhí)行過程中，需要同時完成與集中控制系統(tǒng)、數據歸集系統(tǒng)及通信信號檢測系統(tǒng)（即：下位機）采集軟件的交互，基于交互的多樣性及并發(fā)性，該模塊采用異步TCP通信方式設計[7]，以事件驅動的方式實現多點并發(fā)交互。交互內容如下：（1）與集中控制系統(tǒng)：檢測編輯系統(tǒng)接收提取任務控制指令，分發(fā)至各下位機采集軟件，同時將各下位機采集軟件的狀態(tài)信息，轉發(fā)至集中控制系統(tǒng)；（2）與下位機采集軟件：監(jiān)聽并連接下位機的注冊服務，發(fā)送任務指令、監(jiān)控鏈路狀態(tài)并收集下位機系統(tǒng)運行狀態(tài)信息；（3）與數據歸集系統(tǒng)：將數據庫增量文件、磁盤文件實時匯聚至數據歸集系統(tǒng)。

2.3 顯示與操控模塊

實現檢測結果數據與下位機運行狀態(tài)等信息的呈現，同時具備超限復核、檢測控制等。顯示與操控功能模塊是人機交互接口，實時顯示行車信息、超限記錄、下位機運行狀態(tài)，管理檢測臺賬數據，編輯超限數據，生成檢測日報等。

3 系統(tǒng)工作流程

檢測編輯系統(tǒng)初始化后，連接數據庫系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)、下位機采集軟件等外部系統(tǒng)，待各系統(tǒng)連接正常，對下位機采集軟件進行版本核查并執(zhí)行版本更新操作，準備就緒；監(jiān)聽集中控制系統(tǒng)任務指令并轉發(fā)至下位機采集軟件，同時，接收下位機采集軟件上報的下位機運行狀態(tài)及其任務執(zhí)行狀態(tài)、超限數據、檢測記錄等；當次檢測數據經過人工復核并被進行有效性標記后，將有效數據根據任務索引生成檢測日報。檢測編輯系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 檢測編輯系統(tǒng)工作流程

4 關鍵技術

4.1 FreeSql及數據庫觸發(fā)機制

FreeSql是一款對象關系映射（ORM，Object Relational Mapping）程序的國產框架，支持.NetStandard運行平臺，如.NetFramework 4.0+、.NetCore 2.1+、Xamarin等，使用由實體類表示數據庫表或視圖等可查詢和保存數據的模型執(zhí)行數據訪問，兼容多數據庫平臺，支持同步/異步數據庫操作方法、鏈式查詢方法，以及讀寫分離、分表分庫等操作。該技術可在多數據源模式下，更好地協(xié)調處理各數據源的多樣性，保證記錄數據的唯一性和準確性，在避免數據庫訪問沖突、提升數據庫的查詢和修改效率的同時，保障了檢測編輯系統(tǒng)在數據庫處理方面的穩(wěn)定性和高效性。采用數據庫觸發(fā)機制[8]，新的檢測結果及下位機告警數據入庫時，可實時觸發(fā)本系統(tǒng)進行界面刷新，向用戶及時發(fā)出告警信號，使用戶及時了解告警信息并進行系統(tǒng)修復等。

4.2 異步TCP通信及多點連接

采用異步TCP通信，實現一對多通信服務[9]，同時管理多臺下位機的測試任務并監(jiān)控其運行狀態(tài)。檢測編輯系統(tǒng)開啟TCP監(jiān)聽服務，待下位機采集軟件向其注冊連接后，建立一條獨立通道與下位機進行交互，在交互過程中，本系統(tǒng)采用多線程并發(fā)控制機制，使設備運行狀態(tài)、任務管控、數據交互等各項服務同時進行，保證下位機有序、穩(wěn)定地完成測試任務。在管理下位機的同時，連接集中控制系統(tǒng)，向其匯聚下位機的運行狀態(tài)及其任務執(zhí)行狀態(tài)。

4.3 文件版本管理

本系統(tǒng)通過記錄各下位機終端文件版本信息，與集中控制系統(tǒng)交互過程中獲取的新版本文件進行比對，當集中控制系統(tǒng)文件版本較高時，獲取新的文件并覆蓋本地磁盤原版本文件；下位機啟動后與檢測編輯系統(tǒng)進行版本比對，根據版本信息進行版本升級并執(zhí)行重啟操作，文件版本更新流程如圖4所示。

圖4 文件版本更新流程

4.4 斷線重連機制

為保障測試任務的唯一性和檢測數據的完整性，設計斷線重連機制，保證檢測編輯系統(tǒng)與下位機采集軟件在某一方故障并重新建立連接后，下位機采集軟件可及時收到測試任務并進行重復性判斷，使得同一任務的順利執(zhí)行，具體流程如下：（1）下位機采集軟件啟動并與檢測編輯系統(tǒng)建立連接，請求新版本文件數據并自行更新；（2）下位機采集軟件上報狀態(tài)監(jiān)測數據，包括下位機運行狀態(tài)、告警信息、故障信息等；（3）斷線分2種情況，一種為故障重啟，連接后需要先同步文件信息，后接收任務數據并執(zhí)行檢測，另一種為網絡中斷，直接請求任務數據即可。通過斷線重連機制可保障檢測任務執(zhí)行的可持續(xù)性，檢測編輯系統(tǒng)與下位機采集軟件完整交互流程如圖5所示。

圖5 檢測編輯系統(tǒng)與下位機采集軟件交互流程

5 試驗驗證

在實驗室和動態(tài)檢測環(huán)境下，對檢測編輯系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性進行動/靜態(tài)試驗，從下位機采集軟件運行狀態(tài)及測試任務執(zhí)行狀態(tài)反饋的實時性、下位機檢測結果與本系統(tǒng)呈現結果的一致性、數據記錄的準確性等方面，對關鍵技術進行驗證。

5.1 下位機采集軟件運行狀態(tài)監(jiān)測

搭建實驗室模擬測試環(huán)境，驗證下位機采集軟件對集中控制系統(tǒng)下發(fā)的任務執(zhí)行情況、故障信息反饋及斷線重連機制等。

（1）下位機接通電源，通過檢測編輯系統(tǒng)查看下位機采集軟件運行狀態(tài)，如圖6（a）所示，下位機在線以藍色圖標展示；

圖6 下位機采集軟件狀態(tài)監(jiān)測結果

（2）集中控制系統(tǒng)下發(fā)測試任務，通過檢測編輯系統(tǒng)轉發(fā)至下位機采集軟件，各下位機采集軟件執(zhí)行任務并上報下位機運行狀態(tài)，如圖6（b）所示，任務執(zhí)行以綠色圖標展示；

（3）任務執(zhí)行中，強制重啟通信檢測下位機，通過檢測編輯系統(tǒng)查看狀態(tài)變化為：圖6（b） →圖6（c）→ 圖6（b），顯示了下位機采集軟件的離線（灰色代表離線）、在線變化過程；

（4）任務執(zhí)行中，對下位機中通信檢測模塊設置故障信息，檢測編輯系統(tǒng)狀態(tài)展示為圖6（d）（紅色代表故障）。

5.2 檢測結果一致性

在綜合檢測列車安裝集中控制系統(tǒng)、檢測編輯系統(tǒng)及下位機采集軟件，進行動態(tài)綜合試驗[10]，在試驗過程中，對比下位機采集軟件上報的檢測結果與檢測編輯系統(tǒng)呈現結果的一致性，選取部分路段，對比結果如圖7所示，其中，圖7（a）為下位機中信號檢測模塊采集軟件識別的檢測結果，圖7（b）為檢測編輯系統(tǒng)呈現的檢測結果。

圖7 超限數據一致性對比

5.3 數據記錄的實時性

在下位機采集軟件執(zhí)行當次檢測任務后，自動進行測試指標統(tǒng)計，將統(tǒng)計結果上報至檢測編輯系統(tǒng)，在2次任務切換時，檢測編輯系統(tǒng)實時呈現當次檢測任務的統(tǒng)計結果。選擇2條線路對測試樣本數進行一致性對比分析，對比結果如表1所示，經過對比，檢測編輯系統(tǒng)的記錄數據與下位機采集軟件的實測數據結果一致。

表1 記錄數據與實測數據樣本數對比

5.4 檢測日報生成

在動態(tài)綜合試驗過程中，對檢測日報一鍵生成功能進行驗證，點擊創(chuàng)建通信（信號）報告選項，根據提示，選擇當日檢測任務，本系統(tǒng)會自動填充報告基本信息，包括下位機運行狀態(tài)、實際檢測里程、檢測結果、記錄人員等信息，日報生成后，自動存儲至SQL數據庫服務器。

6 結束語

通信信號檢測控制與編輯系統(tǒng)的設計開發(fā)，建立了集中控制系統(tǒng)與通信信號檢測系統(tǒng)的交互通道，實現了通信信號檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測、任務自動控制、檢測結果復核，以及檢測日報的一鍵生成等，通過實驗室和綜合檢測列車的動/靜態(tài)試驗，對所設計開發(fā)的系統(tǒng)的實時性及檢測結果的準確性進行了試驗和結果分析。試驗結果表明，該系統(tǒng)實現了通信信號檢測系統(tǒng)的自動化和智能化，提升了通信信號檢測效率和質量，滿足新一代高速綜合檢測列車的要求。