铁路轨道检测数据智能传输系统研制及应用研究

侯智雄，王昊，郝蕊

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京100081）

中国国家发展和改革委员会发布了最新的《中长期铁路网规划》（2016年）指出，到2020年中国铁路网规模将达到15万km，其中高速铁路3万km，能够覆盖80%以上的大城市[1]。

随着中国高速铁路的飞速发展，列车的安全可靠运行越发重要，轨道检测车是保障列车安全运行最重要、最有效的检测工具，可以合成轨道不平顺值，可全方位检测轨道状态，为工务系统线路维修提供真实可靠的科学数据。铁路通信技术在机车检修系统中的作用尤为突出，是确保铁路系统正常运行的关键［2］。地面系统如果能够及时获得轨道检测的相关数据，就能够实现列车的实时监测以及远程故障诊断，为列车调度决策提供更好的实际数据支撑，避免事故发生［3］。但是由于检测业务类型复杂、数据按线路分段、数据种类较多、数据量大，现有的检测模式都采用列车停靠站时由添乘人员人工拷贝数据、刻录光盘的方式采集获取数据，人工工作量较大，车上需要人员一直值班，造成地面处理中心无法及时发现铁路系统中的安全隐患。依据以上现场迫切需要解决的问题，基于轨道检测车中业务数据的车地传输，提出结合4G无线网络和地面服务器的车地无线传输方式，实现轨道检测车上检测合成数据传输至地面系统，利用无线传输、断点续传、断点重连等技术保证数据传输的完整性和时效性，利用对于传输数据重组、数据加密解密、数据压缩解压等技术保证数据传输的安全和高效。目前，该无线传输系统已经成功应用于铁路基础设施检测车中，运行稳定可靠，大大降低了检测系统维护成本，更加方便、高效地保障了轨道交通安全运行。

车地无线传输系统通过2G/3G/4G无线移动网接入，支持移动、电信、联通3大运营商，可在任意时间任意地点无缝接入网络，要在当前信号最稳定的网络和最快的网络做出选择。传输数据过程中的技术标准遵循铁路数据传送的技术标准，帧的有效数据封装，遵循成熟的一系列国网标准。

1 国内外研究现状

目前，我国在铁路基础设施状态检测方面，主要使用高速综合检测列车进行基础设施状态检测，普速线路使用轨道检测车进行轨道状态检测。无论是综合检测列车还是轨道检测车，车辆检测数据均由专职人员分段上车手工拷贝数据，再交由地面人员进行数据分析，还没有检测数据实时传输至地面的有效实例。近年来，国外一些公司也在探索在检测列车检测设备上实现对检测数据的车地无线传输，目前基本都是通过各国移动通信运营商网络实现车地无线传输［4］（见图1）。

图1 基于移动通信运营商网络设备传输架构

2 系统研制

2.1 总体思路

车地无线传输系统设计用于轨道检测系统，能够实现在动态检测过程中，将轨道检测装置中采集端采集和处理的数据以加密文件形式，通过3G/4G网络实时传送到地面数据分析服务中心，地面中心接收到采集数据后，进行数据重组、超限判断和趋势分析，从而实现缺陷预警，保证铁路生产和运行的安全。无线传输组件为检测车辆上重要组件，实现从数据采集端即可对地面传输数据，无需在车上安装服务器及相应软件再转发数据，减少了系统整体设备数量，为车上不安装或少安装设备创造条件。

2.2 硬件

无线传输系统硬件设备由网络设备和采集设备组成，4G传输设备采用华为AR503EDGW-Lc系列无线网关，实现采集设备的4G网络连接。无线网关具有2个LTE模块，支持安装4个SIM卡使用，可同时进行数据传输，并支持负载分担。通过移动通信运营商的3G/4G无线网络，将这些数据信息传送到地面中心的服务器。设备支持系统终端和地面中心之间的大容量、安全、连续、可靠的双向通信。AR503系列敏捷网关遵循工业级标准，防尘、防水、抗振、耐高温，在恶劣气候和严酷环境下仍然能稳定可靠的运行，防护等级达到IP54；且专为动车组车内的无线上网或数据传输设计，支持2.4G和5G双频Wi-Fi并存，支持更多用户同时接入；采用高速4G网络TDD/FDD LTE作为数据承载网络，向下自动兼容3G网络，可用无线网络为用户提供长距离数据传输功能，同时提供GPS和北斗定位功能。

基于以上设备优点，故选择AR503EDGW-Lc系列无线网关作为轨道检测系统车地数据无线传输系统网络传输设备。

2.3 软件

无线传输系统的软件研发主要分为采集端和服务器端2部分，对设备状态自动收集和集中处理［5］。采集端将车载检测数据通过无线传输设备向地面服务器端发送，而服务器端软件要保证文件的传输、存储、查询，终端设备的管理、同步等功能，并需持续确认客户端和地面服务器端的通信匹配，车地无线传输网络设备架构见图2。

图2 轨道检测车地无线传输网络设备架构

3 系统关键技术研制

3.1 采集端软件

采集端实现将车载检测数据通过无线传输设备向地面服务器端发送，轨道检测系统采集端生成4种数据文件:波形文件、超限文件、曲线数据文件、TQI数据文件，采集端软件会将此4类文件实时传输至地面服务器端，除此之外采集端和服务器端会有交互的控制类数据及断点续传文件数据通过4G网络传输。系统支持网络重连和断点续传，保证数据传输的完整性，同时采集端实时监控与地面服务器通信，采集端数据交互流程见图3。

图3 采集端数据交互流程

采集端处理软件分为数据采集模块、用户接口模块、轨道检测控制逻辑模块、数据处理模块、实时数据提取模块、数据存储/上传模块、远程数据传输模块。数据采集模块实现从CAN口、串口等接口接收惯性组件、图像数据、里程校正信息等数据［6］；用户接口模块实现系统界面与底层数据交互［7］；轨道检测控制逻辑模块实现采集端驱动程序及数据采集功能［8］；数据处理模块实现对原始数据的合成及数据滤波处理；实时数据提取模块实现对波形数据和超限数据的发送；数据存储/上传模块实现本地数据存储及数据的实时上传［9］；远程数据传输模块实现采集端与地面服务器的数据交互、身份验证、断点重连机制、命令数据的传输［10］。采集端系统实现流程见图4。

图4 采集端系统实现流程

3.2 服务器端管理软件

服务器端管理软件通过广域网络接口与地面采集端链接并实现数据交互，通过10001端口与采集端进行数据交互，通过10002端口实现与地面管理软件的交互，实现流程见图5。服务器端管理软件完成的主要功能:（1）等待轨道检测采集端的远程连接；（2）连接成功后完成身份验证；（3）配置采集端运行参数；（4）接收采集端运行信息和检测数据；（5）检测采集端上是否有尚未传输的检测数据，若有则传输至服务器端；（6）实现对于采集端设备的管理，运行状态监测；（7）操作日志和故障日志记录。

图5 服务器端管理软件实现流程

服务器端发送的数据类型见表1，不同数据类型代表服务器往采集端发送的不同类型数据，数据采集设备收到后会做相应处理。

4 样机系统动态试验验证

在某检测车辆上安装轨道检测系统车地无线数据传输系统，轨道检测系统检测合成的数据包括波形数据、超限数据、曲线数据、TQI数据，可随检测车运行实时将上述数据发送至地面，且车上数据均由数据采集端直接发送至地面系统，无需安装服务器设备及软件，既减少了车载设备数量又实现了检测数据的实时无线传输，为实现检测系统车上无人值守完成了技术储备。

表1 车地数据传输数据类型

轨道检测数据传输系统于2018年11月在南方某运营线路进行动态试验，对轨道检测系统采集端数据无线传输系统进行整体测试，验证车地无线传输数据完整性、时效性。检测人员在车上通过轨道检测系统网管平台实现对于采集端的车上干预控制，网管平台通过Web浏览器实现轨检设备的参数设置、配置文件上传下载、数据文件上传下载、轨检应用程序升级、轨检运行状态查看、重启轨检系统及检测设置等功能（见图6）。

随着检测车辆的运行，车上生成的检测数据可及时传至地面服务器（见图7），经实车测试，车上采集端合成的波形数据、超限数据、曲线数据、TQI数据与传回地面的数据对比完全一致，验证无线传输系统数据传输正常，可保证数据传输完整性。

回传至地面服务器数据列表见图8，车上采集端数据与服务器数据完全对应。

回传至地面服务器轨道检测钢轨不平顺波形数据，与车上采集端波形数据通过波形分析软件对比完全一致（见图9），数据无丢失。

图6 采集系统运行界面

图7 车上采集端合成数据

图8 回传至地面服务器数据列表

图9 车上地面波形数据对比

回传至地面服务器超限数据，与车上采集端超限数据对比完全一致（见图10），数据无丢失。

图10 车上地面超限数据对比

回传至地面服务器轨道检测钢轨不平顺TQI数据，车上采集端TQI数据与地面服务器TQI数据对比完全一致（见图11），数据无丢失。

图11 车上地面TQI数据对比

回传至地面服务器轨道检测钢轨不平顺曲线数据，与车上采集端曲线数据对比完全一致（见图12），数据无丢失。

图12 车上地面曲线数据对比

经检测车辆实车动态测试，车上采集端生成的轨道检测数据可以随轨道检测车辆运行实时传输至地面服务器端，且车上生成数据与地面服务器端接收数据完全一致，数据无丢失。传输速率随着线路周边基站信号强度变化，试验线传输速率平均为150 kb/s，车上数据可以实时全部传输至地面。地面操作人员也可通过服务器端软件对车上采集的数据选择性下载，并可以远程对采集端进行配置。

5 结束语

数据无线传输组件包括采集端车地数据传输软件、地面服务器端软件，地面检测人员可以通过地面服务器端软件实现车上检测数据的上传、下载，经过实车测试传输数据完整无误，采集端存储数据与地面接收到的数据对比完全一致，完成项目要求开发内容。地面服务器端软件有可视化操作界面，方便操作人员使用。车地数据传输系统还具备地面数据中心远程对于采集设备的控制、状态监控、远端系统升级等功能。数据无线传输组件为地面数据中心研发轨道病害智能分析系统打下了坚实基础。