GSM-R网络自动检测地面控制系统设计与实现

段贺辉

（北京铁科英迈技术有限公司 电务检测研究部，北京 100081）

1 概述

GSM-R网络检测主要是测试GSM-R移动通信系统［1］的网络状态和应用状况。我国铁路对GSM-R网络检测采用综合检测列车和电务检测车配置的通信检测系统［2］，按照固定运行时刻表，每月定时定线对相关线路进行测试。由于GSM-R网络状态及特性与应用时间有很大关系，在不同时间段，网络用户量不同，公网对其产生的干扰因素［3］也不同。另外，由于无线通信网络的测试结果取决于测试指标统计［4］，大量测试指标统计的结果更能真实体现网络状态。目前，GSM-R网络的测试频度相对较低，测试样本数也相对较少，因此，这种测试在时间上有很大局限性，不能完全反映GSM-R网络的真实特性与实际运用状态。

GSM-R网络自动检测［5］设备体积小，上电即可工作，可将其安装至旅客列车，在检测时间和检测频度上均可得到保障，能充分反映GSM-R网络状态［6］。为提升测试样本数，真实体现GSM-R网络状态，需要大量测试终端和多样性测试任务来完成GSM-R网络检测。基于此，需搭建综合地面控制系统以保障检测设备正常、有序地执行任务，实时反映检测设备的运行状态，实时接收检测数据并呈现给用户。GSM-R网络自动检测地面控制系统利用车地无线传输技术构建，可实现测试任务的预发送、测试任务的实时控制（包括任务的修改、启动、停止和取消等操作）、检测设备的告警监控及状态管理、检测数据实时接收并按索引存储、记录并跟踪列车位置等。用户可通过该系统了解检测设备的运行情况及测试任务的执行情况，对检测数据进行实时分析，掌握当前位置GSM-R网络的运用状态。

2 设计目标

（1）实现分级管理功能。系统按照功能对用户进行分级设计，设置一级用户、二级用户和管理员用户，一级用户针对中国国家铁路集团有限公司设计，可以查看全路的检测数据和检测设备的运行状态，掌握全路测试情况；二级用户针对铁路局集团公司设计，可对本单位管内的设备进行管理、控制和数据分析等；管理员用户可对系统进行管理、运维，保证系统稳定、高效地运行。

（2）检测设备管理与监控。检测设备在安装前，将其属性信息（列车号、测试模块类型、SIM卡号等）在地面控制系统进行登记，待安装运行后，设备注册连接到地面控制系统，将状态及告警信息实时上报至该系统，系统根据状态及告警做出智能判断，将高危的告警信息及时通知至管理员用户。

（3）测试任务管理及实时控制。设备管理人员根据列车的运行计划制定测试任务，当检测设备向地面控制系统注册后，系统将预先制定的测试任务下发至该设备，检测设备根据任务的始末时间自行完成任务，当管理人员需要改变测试任务状态时，可主动参与测试任务的执行。设备管理人员可根据列车实际运行信息对既定的测试任务进行调整。

（4）列车位置跟踪与记录。检测设备将获取的位置信息（包括经纬度和公里标）上传至地面控制系统，系统根据位置信息在地理信息系统（GIS）中显示列车位置及运行轨迹，当列车停车或断电后，系统会保留当前列车位置，当其再次收到列车有效的位置信息后，刷新列车当前位置。在GIS中绘制列车运行轨迹时，需要区分同线路不同列车的轨迹，以防混淆。

（5）检测数据接收与发布。检测设备在执行测试任务的同时，将检测数据实时回传至地面控制系统，该系统将检测数据汇总后并按用户功能分发至相关用户。

3 系统设计方案

3.1 系统组成

地面控制系统在系统集成方面，需要文件传输（FTP）服务器、GIS服务器和数据库服务器来支持系统运行，各服务器通过交换机实现网络互通及数据一体化。软件系统包括：操作系统、数据库系统、文件管理系统、硬件设备驱动程序、.NET Framework运行环境及应用程序可执行文件。系统采用客户端/服务器（C/S）架构设计，各级用户通过客户端访问系统（见图1）。

图1 系统组成

3.2 系统架构

系统分为数据层、存储服务层、应用服务层和应用业务层。其中，数据层包括列车与设备属性信息、测试任务、用户信息、线路基础数据及检测数据、同步定位数据和地理信息数据；存储服务层包括数据库存储服务、FTP文件服务、GIS信息服务；应用服务层包括用户信息维护、设备信息及位置跟踪、列车信息及位置跟踪、测试任务查询与操控、基础数据维护、检测数据分析与发布等；应用业务层包括用户管理与维护、设备及列车管理与跟踪、测试任务管理、基础数据和GIS信息管理、检测数据管理与分析等。系统总体架构见图2。

图2 系统总体架构

为保证系统各结构层有效、安全地交互及通信，系统采用微软通信原理（WCF）数据通信框架［7］，整合了原有Windows通信的.net Remoting、WebService、Socket机制，并融合超文本传输协议（HTTP）和FTP相关技术，通过客户端以代理的方式向服务端交互，用户可自行制定契约来进行通信；在安全方面，WCF具备传输层次安全性（Transport-level security）和消息层次安全性（Message-level security）2种。采用WCF服务，既便于实现模块式开发和系统集成，又保证了数据的安全。在GIS开发方面嵌入Mapinfo图层［8］管理插件，使用可视化的离线图层文件，既可提高GIS的访问速率，又便于实现对图层进行二次开发。

4 关键技术

（1）数据层：该层实现了列车与设备属性信息、测试任务、用户信息的存储及管理，为用户和列车信息维护、设备信息维护和状态采集、测试任务查询和操控提供数据支撑；实现了线路基础数据、检测数据、同步定位数据和地理信息数据的存储及管理，为检测列车跟踪与数据分析服务奠定基础。

（2）存储服务层：用于存储基础信息、检测设备及任务信息、测试记录及检测数据等，该层使用数据库服务存储记录及列表信息，使用FTP文件服务存储检测数据、基础数据等大文件信息，使用GIS信息服务存储访问GIS过程使用的离线图层文件等，便于GIS刷新及实时绘制。

（3）应用服务层：该层用于各类数据的解析、处理及综合运用，当收到应用业务层发出的请求后，根据请求获取各类数据并计算，将结果呈现至应用业务层，主要体现在基础信息维护、检测任务操控、检测数据处理与分析、列车位置及状态跟踪等方面。

（4）应用业务层：用于用户的操作及信息的管理等，将GIS信息、任务信息、数据分析结果等直接呈现给用户。

以上各结构层实现流程见图3。在系统实现中，采用异步传输控制协议（TCP）通信［9］技术、检测数据综合分析处理技术及WCF通信技术保障系统的稳定、安全、可靠。

图3 系统实现流程

异步TCP通信技术采用异步TCP通信方式，实现一对多通信服务，可同时管理多台检测设备的测试任务并监控其运行状态。地面控制系统开启TCP监听服务后，待检测设备向其注册连接后，建立1条独立通道与检测设备进行交互，在交互过程中，系统采用多线程并发控制机制，使心跳连接、设备位置状态、任务管控、数据接收等各项服务同时进行，保证检测设备有序、稳定地完成测试任务。该模块需配合数据综合分析处理模块完成数据分析及设备监控等工作，为其提供检测数据和设备位置状态数据。

检测数据综合分析处理技术运用线路基础数据，结合检测数据并依据数据分析算法完成检测数据的分析和判断，将检测数据按照索引进行分类存储，将分析结果入库存储并提供反馈接口，便于用户了解线路测试情况并对检测结果进行反馈等；运用GIS图层原始数据，结合设备位置状态数据和设备状态指令标识信息完成对检测设备的管理和监控；将检测数据结合线路基础数据和GIS信息进行综合分析，将测试指标分级显示，使用户通过GIS展示了解整体线路的网络质量。

采用WCF通信技术，用户根据契约向地面控制系统注册连接，建立连接后，通过该服务可进行检测设备的管理维护和跟踪定位、测试任务的管理控制，并对线路基础数据和GIS图层等原始数据进行管理和编辑。用户可根据既有权限对检测数据进行访问、对检测结果进行反馈等。

5 系统验证

GSM-R网络自动检测地面控制系统研制完成后，将系统应用布置于公共网络环境下，检测设备采用移动4G网络通信模块并安装于综合检测列车进行试验和验证。验证的主要功能包括：多检测设备的注册连接及测试任务的发送、管理和控制，检测设备对任务的执行和数据实时展示情况，地面控制系统对检测设备的定位、检测数据的分析［10］及GIS展示等。

（1）多检测设备的注册连接及测试任务的发送、管理和控制。具体如下：①分别在2列综合检测列车安装检测设备，且向地面控制系统注册连接后，各检测设备与地面控制系统的位置及设备状态交互正常，互不影响。②在地面控制系统启动“测试任务配置模块”并向数据库中添加2条测试任务，分别为任务A和任务B，均配置开始时间、结束时间、开始公里标、结束公里标、线路信息、行车方向及任务配置等信息，分别发送至对应的检测设备。根据任务的始末时间对任务进行实时控制，包括任务的提前开启、提前结束、取消测试任务等操作，各指令交互正常。

（2）检测设备对任务的执行、数据实时展示和设备定位。结合设备位置信息与检测数据的实时展示情况，判断设备执行的状态以及数据回传是否滞后等，对2台设备所检测的2条线路分别配置测试任务，待任务执行后，根据列车位置及数据实时展示界面，结合综合检测列车的运行时刻表分析数据回传情况。经分析，该系统实时接收检测设备的位置状态信息和检测数据展示的当前位置相对吻合。

（3）检测数据的分析及GIS展示。用户通过客户端访问地面控制系统，获取检测数据并通过2种形式呈现，分别为数据测试曲线和GIS展示。检测数据的曲线呈现见图4，各项指标按照公里标对齐显示；检测数据的GIS呈现见图5，可将测试的小区电平、话音质量、载干比、时间提前量等信息按测试指标进行分级，不同级别用不同颜色标识出来，由于各项指标经纬度是重合的，在展示时可对指标进行位置偏移来区分（可对经度、纬度分别做偏移），偏移量可通过窗口设定。

图4 检测数据的曲线呈现

图5 检测数据的GIS呈现

6 结束语

GSM-R网络自动检测地面控制系统结合前端检测设备的综合运用，提高了GSM-R网络动态检测的技术水平，具有广阔应用前景。该系统可实现对同一线路的多时间段重复检测，检测数据的统计结果具有更高可信度，能够帮助中国国家铁路集团有限公司了解GSM-R网络的整体运用状况，能够帮助铁路局集团公司对管辖范围内的局部网络进行优化。