基于5G 技术的机车大容量无线转储系统研究

王永军

（神华包神铁路集团有限责任公司，陕西 榆林 719300）

0 引言

随着我国轨道交通信息化技术的快速发展，车载设备智能化水平不断提升，产生了多数据源与超大容量的车载数据。为保证机车的安全运行，在机务运、检、修中对车载数据进行分析非常必要。目前神华包神铁路集团有限责任公司机务地面已部署了各类车载设备专家分析系统，以对车载数据进行快速分析与处置，而如何将这些海量的车载数据快速下载至地面是现阶段迫切需要解决的问题。

针对车载数据的下载，传统的解决方案是待机车回库后，由工作人员上车将数据转储到便携式存储介质（U 盘、硬盘、笔记本电脑）中，这种方法不仅速度慢、时间长，还存在着人力浪费甚至下载过程中断等问题，难以满足数据高速、高效下载的需求。近两年来，CMD 系统（中国机车远程监测与故障诊断系统）在各路局机务段被推广应用，无线下载是CMD 系统功能一大亮点[1-2]，但其使用的2.4 GHz 和5.8 GHz 频段WLAN 网络只能满足500 MB 以内数据下载需求，无法满足以千兆字节为单位的大容量数据下载需求。为解决大容量车载数据下载转储的问题，给机务应用提供具有更大数据传输带宽和更高数据传输速率的数据转储方式，本文基于5G 技术，结合有源以太网（power over Ethernet，PoE）供电技术、大数据断点续传技术以及Oracle 海量数据存储技术，设计了一套满足机车大容量数据无线转储的软硬件系统，实现了机车大容量数据的快速下载。

1 机车大容量无线转储系统功能设计及架构

1.1 系统功能

机车大容量无线转储系统的设计以实现机车大容量数据无线转储为目标，旨在解决机务段大容量数据转储时间长、速度慢的问题，需实现车载主机与机车网络、6A（机车车载安全防护系统）及CMD 等车载系统的互联，从而获取各类车载数据；同时，需具备高速、大宽带的车地无线传输通道，以实现大容量数据的快速下载。系统整体应具备超高速、全自动、断点续传等功能特征，以实现车载海量数据的汇聚、高速传输与自动转储，因此系统需满足以下功能要求：

（1）高速无线转储。无线传输速率能达到1 Gb/s，实现50 GB 数据量无线转储的时间小于8 min；抗同频干扰，使无线通信上信号接收机不受无用信号的干扰，保证通信质量[3]。

（2）大容量转储断点续传。支持以文件为对象或多个文件组成的列表为对象的断点续传，本次转储未完成时，下次转储能在文件以及列表的断点处继续转储；文件转储自动去重过滤，车载端需对转储过的文件做标记，避免文件的重复转储，地面需对文件所处时间段做筛选，删除存在重复内容的文件。

（3）全自动转储。机车入段进入指定区域后，能自动搜索并连接上无线网络，自动进行文件转储，整个过程无须人工参与。

1.2 系统构架

图1 大容量无线转储系统拓扑结构Fig. 1 Topology of the large-capacity wireless dump system

机车大容量无线转储系统由车载主机、无线传输通道和地面转储服务器组成，系统拓扑结构如图1所示。车载主机通过千兆以太网线与TCMS（机车网络控制系统）、6A 以及其他一些车载设备连接在一起，获取车载记录数据，并通过千兆以太网线连接至车载转储终端设备；车载转储终端通过无线信号与地面基站连接在一起，形成无线传输通道；车载记录数据汇聚在车载主机上，通过无线传输通道，再经PoE 交换机，最终转储至地面服务器。

2 系统关键技术

机车大容量无线转储系统采用5G 高频通信技术构建车地无线转储通道，采用大数据断点续传技术解决车地无线传输异常中断后进行快速重传问题，采用Oracle海量数据存储技术对落地的大数据进行管理，采用PoE供电技术解决车载天线供电困难问题。

2.1 5G 高频通信技术

5G 高频通信技术采用免授权频段（这类频段频谱范围宽，信息容量大，传输速率高），能够实现设备之间1 Gb/s 的超高速无线数据传输[4]。使用这类频段的设备，通过扫描与自动对准技术建立稳定、高速的无线传输通道，其扫描范围在垂直±15°、水平±45°之间；同时设备之间使用定向波束，指向性好，能最大程度消除相互干扰，数据传输过程中单链路空口速率能达到1 Gb/s，最高可达3 Gb/s，最高可实现3 min 高速搬移50 GB 数据[5]。机车大容量无线转储系统采用5G 高频通信技术在60 GHz 高频率段进行通信，实现了快速的车地间数据交互。

2.2 大数据断点续传技术

在文件传输过程中无法避免因机车断电或网络不稳定而造成的文件转储失败。若每次失败都需要从头传输文件，必然会导致转储效率和成功率低，因此需使用大数据断点续传技术以保证大容量文件高效快速传输。断点续传实质是在文件转储过程中，若在某一个时间点任务中断，转储客户端先记录该时间点中断的位置（即断点），待到下次转储时，客户端率先获取该断点，从断点继续传输文件。由于大容量数据存在文件数量多、文件字节数大等特点，本系统从文件列表传输中断和单个文件传输中断两个方面来完成大数据断点续传，实现了既能从单个文件断开处续传该文件，也能从文件列表断开处续传剩余文件。

2.3 Oracle 海量数据存储技术

目前使用最广泛的关系数据库管理系统当属Oracle数据库系统，其拥有读写快速、操作方便、可移植性好等优点，是一种数据安全性强、可靠性好且满足高吞吐量的数据库[6]。Oracle 数据库存储技术有合技术与分技术两种，合技术表现为各个分层存储的数据整合在一起，而分技术则是将数据分布式存储。在数据存储与优化方面，Oracle 涉及Cache 技术、分布式技术、数据库SQL并行执行数据、数据库范式设计技术等；而在数据解析入库时，Oracle 同时支持多表插入、批量更新技术等。本系统地面服务器采用Oracle 海量数据存储技术记录所有下载文件信息，利用其快速写入与查找的优点实现地面所有文件的统一管理。

另外，制备对照药材标准品时，因工作程序的原因，粉碎后的样品距离分装有一段时间。因此，要严格控制粉碎后对照药材贮藏环境的湿度，确保粉碎后的样品能保持在一个较低的湿度范围，减少环境因素对其水分的影响，易于后续的分装工作。

2.4 PoE 供电技术

PoE 是指基于10BASE-T，100BASE-TX，1000BASE-T以太网网络的供电技术，其数据线和电源线采用同一根网线。通过这种方式，可以有效地实现IP 电话、无线接入点（access point, AP）、便携设备充电器、刷卡机、摄像头及数据采集设备等终端的集中式电源供电。对于这些终端而言，不再需要考虑其室内电源系统布线的问题，在接入网络的同时就可以实现对设备的供电，极大地简化了综合布线的复杂性，降低了系统使用的成本。本系统的车载转储终端与地面基站采用PoE 供电技术，使系统的现场安装更加方便、快捷，并节省成本[7]。

3 系统实现

机车大容量无线转储系统硬件包括车载主机、无线转储通道及地面转储系统，软件设计主要涉及大容量数据采集、存储及传输等车载主机功能。

3.1 系统硬件设计

3.1.1 车载主机

车载主机由电源插件、CPU 插件、交换机插件和2块存储插件组成（图2），具备1 TB 存储空间。其中电源插件实现整机供电，将DC 110 V 输入电压转换成DC 12 V 与DC 48 V 电压输出供其他插件使用。由于其他插件工作时电流比较大，电源插件将输出电压上抬5%，使供电性能更加稳定。CPU 插件在机车运行过程中负责实时采集车载大容量数据并存储在本地，通过与地面服务器通信，将大容量数据转储至地面。交换机插件提供7 路千兆以太网通信接口，实现车载数据高速交换。2 块存储插件组成磁盘阵列，通过背板SATA 接口与CPU 插件连接；为保证存储可靠性，存储插件的存储内容互为备份，任何一个插件异常都不会影响存储的数据内容。各插件具体参数如表1 所示。

图2 车载主机界面示意图Fig. 2 Schematic diagram of vehicle host interface

表1 车载主机插件参数表Tab.1 Parameter table of vehicle host plus-in boards

3.1.2 无线转储通道

无线转储通道由车载转储终端与地面基站组成。车载转储终端与地面基站采用同一型号设备，均为圆柱形结构（直径155 mm，高度180 mm）；车载转储终端采用千兆以太网与车载主机通信、供电，并通过60 GHz高频段的无线通信与地面基站连接，完成大容量数据的车地传输。车载转储终端与地面基站点对点通信速率可达1 Gb/s。由于采用高频定向波束，为了保证传输质量，车载转储终端需要被安装在车顶，且与地面基站之间不能有障碍物；同时，地面基站推荐安装高度为7 m，且面向轨道安装，2 个为一组，水平方向覆盖180°；车载转储终端安装时需要打孔（直径3～5 cm），用于安装与车载转储主机之间的以太网线，且与既有车载天线安装间距应大于80 cm。车载转储终端与地面基站无线传输原理如图3 所示。其中，从地面基站垂直点往前（信号发射方向）300 m 内，车载转储终端即可被可靠接入；从地面基站垂直点往前100 m 内，可实现高速传输。

图3 车载转储终端与地面基站无线传输示意图Fig. 3 Schematic diagram of wireless transmission between vehicle dump terminal and ground base station

地面转储系统由基站、网络控制器和地面转储服务器组成，其原理如图4 所示。地面转储服务器通过千兆以太网线连接至网络控制器。网络控制器是无线网络的核心，用来集中控制地面基站，包括下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理及接入安全控制等。在地面转储服务器上运行转储服务器软件，并安装FTP 服务器与Oracle 数据库。转储服务器软件主要与车载软件进行报文数据交互，控制机车对无线网络的接入，控制车地数据文件转储以及文件落地后的地面存储；FTP 服务器给车地文件传输提供服务，供车载软件以FTP 客户端身份接入并传输文件；Oracle 数据库存储所有转储文件的信息，包括文件名称、文件大小、转储时间及转储结果等信息，以实现地面文件快速检索。

图4 地面转储系统示意图Fig. 4 Schematic diagram of ground dump system

3.2 系统软件设计

机车大容量无线转储系统软件策略主要包括车载大容量数据获取策略、机车安全接入策略和大容量数据完整转储策略。

3.2.1 车载大容量数据获取策略

机车在线运行时，车载主机实时将车载设备上已存储但未下载过的视频数据通过FTP 方式下载到本地磁盘阵列中。车载主机记录已经下载完成的文件列表，在下载文件前进行去重过滤，防止同一文件被重复下载。以机车6A 系统视频文件为例，采用开机遍历与周期性遍历方式将本地所有已转储文件信息与6A 系统上所有视频文件信息进行对比，并下载6A 系统中多出的视频文件与信息不一致的文件。6A 系统中视频文件分日期文件夹存储，开机时车载软件先从本地数据库中读出所有已转储文件信息，再遍历一次6A 系统中除开当天的所有日期文件夹中视频文件信息并进行对比，下载本地数据数据库中没有记录或文件信息发生变化的文件，下载完后更新本地数据库；然后周期性遍历当天日期文件夹，下载前后两次遍历文件信息（如文件大小或文件最后写入时间）未变化的文件，下载完后更新本地数据库，实现车载大容量数据获取。6A 系统视频子系统（AV3）上视频文件获取流程如图5 所示。

图5 AV3 视频文件获取流程Fig. 5 Flow chart of the acquisition of video files from AV3

3.2.2 机车安全接入策略

机车安全接入采用地面服务器软件广播信息、车载软件接收到广播信息后申请链接、地面服务器接受或拒绝链接申请的控制流程策略。地面服务器软件在无线网络中广播信息，广播信息主要含地面服务器IP 地址；车载软件接收后向地面服务器IP 地址发送注册请求，注册请求包含车型车号信息；地面服务器软件接收到注册请求后判断该机车是否允许接入，若允许则向车载数据源IP 地址和端口发送允许接入信息，允许接入信息包含文件转储FTP 用户名和密码，若不允许则发送拒绝接入信息，以实现机车在可控范围内安全接入。车载软件与地面服务器建立连接后，定时向地面服务器发送心跳，地面服务器的广播信息作为地面服务器心跳；如果车地心跳中断1 min 以上，则认为车地通信中断，需要重新建立车地连接。机车安全接入流程如图6 所示。

图6 机车安全接入策略示意图Fig. 6 Schematic diagram of locomotive security access strategy

3.2.3 大容量数据转储策略

机车回段后，车载主机和地面服务器建立连接，生成所有本次需要上传的文件列表，其中包括上次回段未完成上传和本次已下载未上传的文件，通过FTP 上传到地面服务器上。车载转储主机记录已经上传完成的文件列表，在上传文件前进行去重过滤，防止同一文件进行重复上传。车载软件采用文件断点续传策略保证大容量数据的完整传输。文件断点续传分文件列表断点续传与FTP 文件断点续传。当车载主机每次与地面服务器建立连接时，车载软件读取本地数据库获取本地文件中需转储却未转储的文件列表，优先转储该部分文件以实现文件列表断点续传；同时，每开始转储一个文件时，首先从地面FTP 服务器上判断地面是否存在该文件，若存在则获取地面该文件大小信息，车载软件从该文件断点继续传输文件，若不存在则从0 开始传输文件以实现FTP 文件断点续传。

4 应用验证

图7 现场应用场景示意图Fig. 7 Schematic diagram of on-site application scenarios

该大容量无线转储系统已在包神铁路的HXD1 型机车6A 系统视频文件转储中进行了应用验证，现场应用场景如图7所示。机车从入段到入库，大概有500 m距离，车速一般小于5 km/h，之间存在6～10 min 可利用时间，大容量无线转储系统即工作在这一时间段，实现数据高速无线转储。现场应用结果显示，该大容量无线转储系统在无线连接稳定情况下，能实现稳定90 MB/s 速率的车地无线传输，8 min 就能完成50 GB 的大容量数据自动转储。

5 结语

通过现场部署验证证明，大容量无线转储系统能很好地实现大容量数据的高速、稳定传输，解决大容量车载数据传输速率慢、耗时长的问题。但在实际应用中发现，该无线传输通道在带宽提高后（达到1 Gb/s 速率），使用操作系统提供的数据传输接口函数却无法达到最高速率，如Windows 下的FTP 操作API 函数只能达到20 MB/s 的速率，需使用更加底层的数据流传输方式才能达到90 MB/s 的速率，而当速率达到90 MB/s 时文件传输存在数据丢包的风险。未来的数据传输方向必然会朝着高宽带、高速率的方向发展，如何在高宽带、高速率的条件下仍然保证可靠的数据传输是需要同步研究解决的一个问题。