姚 莉，陶 凱，張文軒，劉國躍，王 凡

（1.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

目前，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施日常運(yùn)營檢測主要依靠高速綜合檢測列車、綜合巡檢車、運(yùn)營動(dòng)車組搭載式檢測設(shè)備等移動(dòng)檢測裝備進(jìn)行運(yùn)營檢測，具有多列車并發(fā)工作、運(yùn)行時(shí)間長、檢測速度快、檢測數(shù)據(jù)量大、結(jié)果需及時(shí)處理等特點(diǎn)[1]。以高速綜合檢測列車為例，其對高速鐵路運(yùn)營線路進(jìn)行每月兩次的等速檢測，檢測過程中發(fā)現(xiàn)的檢測數(shù)據(jù)偏差和超限需要實(shí)時(shí)處理，檢測結(jié)束后生成的檢測結(jié)果和報(bào)告需要及時(shí)分發(fā)到沿線的養(yǎng)護(hù)維修單位，對傳輸穩(wěn)定性、應(yīng)用時(shí)效性和數(shù)據(jù)安全性都有較高要求。因此，亟需對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案進(jìn)行研究，建立全新的動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚應(yīng)用。

近年來我國5G移動(dòng)通信（簡稱：5G）技術(shù)發(fā)展迅速，其廣連接、大帶寬、低時(shí)延等技術(shù)特性與檢測數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求相適應(yīng)，能夠有效解決鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚問題。因此，本文在5G相關(guān)的技術(shù)成果基礎(chǔ)上，提出鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案。通過檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚、安全傳輸，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更安全、更智能的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測服務(wù)提供安全、有效的技術(shù)保障。

1 存在問題及研究現(xiàn)狀

1.1 存在問題

近年來，隨著鐵路信息化建設(shè)的深入，基礎(chǔ)設(shè)施檢測業(yè)務(wù)不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)檢測對象和設(shè)備種類也逐漸增加。單次檢測任務(wù)中，工務(wù)、供電、電務(wù)等專業(yè)的各類檢測設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生海量的動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)，其中，主要以非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主。

目前，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)主要通過人工拷貝的方式接入鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測地面數(shù)據(jù)中心（簡稱：地面數(shù)據(jù)中心），并以刻錄光盤的方式下發(fā)給站段添乘人員，檢測分析及報(bào)告編制等的數(shù)據(jù)歸集工作對人工依賴性高，導(dǎo)致整體效率較低[2]。

檢測數(shù)據(jù)歸集模式的主要問題包括：

（1）歸集時(shí)效性差，人工歸集全量檢測數(shù)據(jù)在檢測任務(wù)結(jié)束若干天后才能完成；

（2）數(shù)據(jù)規(guī)范性、完整性、準(zhǔn)確性難以保障，人工歸集過程缺少自動(dòng)化流程，數(shù)據(jù)丟失、拷貝錯(cuò)誤等問題難以避免，影響后期數(shù)據(jù)治理及分析的準(zhǔn)確性[3]。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，中國鐵道鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所已研發(fā)了基于4G移動(dòng)通信（簡稱：4G）技術(shù)的車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)。利用車載無線傳輸客戶端，通過4G網(wǎng)絡(luò)將多專業(yè)檢測結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)接收服務(wù)器，在48 h內(nèi)完成檢測數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)[4]，通過4G網(wǎng)絡(luò)初步實(shí)現(xiàn)了車載數(shù)據(jù)到地面的自動(dòng)化數(shù)據(jù)匯聚。

在供電6C檢測體系研究中，該研究所嘗試通過4G網(wǎng)絡(luò)解決接觸網(wǎng)檢測數(shù)據(jù)的傳輸問題，車載接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測裝置（3C檢測系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了5 s固定周期的接觸網(wǎng)檢測缺陷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)接收，同時(shí)，提供車地遠(yuǎn)程控制、缺陷報(bào)警等功能。

2 總體架構(gòu)

為解決上述問題，本文結(jié)合綜合檢測列車數(shù)據(jù)傳輸及車地交互運(yùn)用要求，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案總體架構(gòu)，包括車載無線傳輸系統(tǒng)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)、檢測數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)3部分，提供綜合檢測全量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析及共享應(yīng)用能力，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案總體架構(gòu)

車載無線傳輸系統(tǒng)與車載綜合系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，車載綜合系統(tǒng)由數(shù)據(jù)集中管理子系統(tǒng)和集中控制子系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)集中管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)車載檢測數(shù)據(jù)的歸集和存儲(chǔ)，集中控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)車載檢測系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和操作控制[5]。

2.1 車載無線傳輸系統(tǒng)

車載無線傳輸系統(tǒng)支持檢測數(shù)據(jù)、控制指令、日志信息等內(nèi)容在車地間基于4G/5G網(wǎng)絡(luò)的雙向交互，同時(shí)，提供數(shù)據(jù)傳輸過程的安全控制及管理功能，包括傳輸內(nèi)容管理、傳輸配置管理、傳輸級別管理、遠(yuǎn)程控制服務(wù)等功能，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)分級分類的傳輸管理與控制，如表1所示，從而保障將車載無線傳輸設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)高效、完整地發(fā)送到地面數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)。

表1 車載無線傳輸系統(tǒng)功能清單

系統(tǒng)通過提供指令傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、文件傳輸、消息接收等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 車載無線傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

車載無線傳輸系統(tǒng)提供完整的數(shù)據(jù)傳輸及管理功能，支持3G～5G網(wǎng)絡(luò)頻段，傳輸速率不低于10 Mbps，滿足動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳輸效率及安全性要求。

2.2 統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)

該系統(tǒng)支持車地?cái)?shù)據(jù)交互聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接收在線無線傳輸設(shè)備向地面發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車載無線傳輸設(shè)備的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。系統(tǒng)在內(nèi)外網(wǎng)同時(shí)部署，外網(wǎng)服務(wù)端接收來自互聯(lián)網(wǎng)的各類檢測車、固定監(jiān)測設(shè)備、空天遙測等數(shù)據(jù)，通過安全平臺(tái)傳輸?shù)絻?nèi)網(wǎng)中，由內(nèi)網(wǎng)接收服務(wù)接收，并供內(nèi)網(wǎng)中的應(yīng)用使用。

系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的客戶端接入方案，滿足不同網(wǎng)絡(luò)、不同環(huán)境、不同類型的數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)，包含4個(gè)功能模塊，分別為協(xié)議網(wǎng)關(guān)、傳輸服務(wù)、服務(wù)注冊中心和管理平臺(tái)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)架構(gòu)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)接收文件、指令、消息的能力，滿足動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的匯聚時(shí)效性要求，為各類業(yè)務(wù)場景下的數(shù)據(jù)歸集提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，性能指標(biāo)如表2所示。

表2 地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)性能指標(biāo)

2.3 檢測數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)

檢測數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)提供數(shù)據(jù)源管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)服務(wù)和系統(tǒng)配置與管理6項(xiàng)功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢服務(wù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量稽查和數(shù)據(jù)下載服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)和共享交互，為故障診斷、狀態(tài)評價(jià)和趨勢預(yù)測等智能分析業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐[6]，平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 檢測數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)架構(gòu)

檢測數(shù)據(jù)綜合分析平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量峰值大于300 Mbps，日常工作負(fù)載下支持的數(shù)據(jù)吞吐量大于100 Mbps，檢測數(shù)據(jù)共享API接口響應(yīng)時(shí)間小于5 s。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 檢測數(shù)據(jù)歸集

檢測數(shù)據(jù)歸集主要是將各車載檢測系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測原始數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果數(shù)據(jù)等通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)歸集到地面統(tǒng)一數(shù)據(jù)歸集系統(tǒng)的存儲(chǔ)服務(wù)器中，并實(shí)現(xiàn)基于檢測任務(wù)的分專業(yè)檢測文件的規(guī)范存儲(chǔ)[7]。

歸集的檢測數(shù)據(jù)從類型上分為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也以非結(jié)構(gòu)化的文件形式存儲(chǔ)[8]。檢測文件基于檢測任務(wù)、檢測專業(yè)等信息進(jìn)行規(guī)范化存儲(chǔ)[9]，如圖5所示。

圖5 檢測文件存儲(chǔ)目錄結(jié)構(gòu)

3.2 檢測數(shù)據(jù)傳輸

檢測數(shù)據(jù)在檢測任務(wù)執(zhí)行過程中由檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)生成，在車載端完成數(shù)據(jù)歸集后，利用5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)從車到地的安全高效傳輸[10]，具體數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容如表3、表4所示。

表3 檢測數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

表4 其他數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

根據(jù)時(shí)效性要求，動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)分別通過文件、數(shù)據(jù)流、控制指令3類傳輸通道進(jìn)行傳輸，具體數(shù)據(jù)傳輸流如圖6所示。

圖6 動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳輸流示意

4 應(yīng)用效果

本文研究的基于5G技術(shù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯聚方案將作為第2代綜合檢測列車研發(fā)方案的重要組成部分，應(yīng)用于車載無人檢測業(yè)務(wù)場景中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚及應(yīng)用，全面提升綜合檢測服務(wù)水平。

基于5G技術(shù)的檢測數(shù)據(jù)車載無線傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在國家鐵道環(huán)形實(shí)驗(yàn)基地和京張（北京—張家口）高速鐵路進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)，系統(tǒng)主界面如圖7所示，系統(tǒng)功能、性能測試均滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)已在CRH380AJ-2 818高速鐵路綜合檢測列車上試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)傳輸速率均值達(dá)到10.1 Mbps，為車地間穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)交互打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖7 車載無線傳輸系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于5G技術(shù)的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯聚方案總體架構(gòu)，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分闡述，為解決動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)匯聚過程中時(shí)效性、規(guī)范性、安全性等相關(guān)問題提供了思路和解決方案，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施智能化檢測發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。未來，5G及大數(shù)據(jù)技術(shù)將進(jìn)一步為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測領(lǐng)域帶來技術(shù)革新，加速推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施檢測業(yè)務(wù)向精準(zhǔn)修、智能修、預(yù)防修全面轉(zhuǎn)型。