基于5G高速网络的机务数据应用系统研究

姚全乐，李 飞，王 超，王成福，刘 琦

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，机务运用领域存在海量机车车载记录数据。由于人工分析能力不足，车载数据与现场经验、“110”信息、故障履历、配件技术参数等多元数据难以融合，故障查找与处理效率低下；并且，车载数据文件及音视频等大容量车载文件全部依赖人工进行单独转储及子项分析，存在分析效率低、覆盖面不足的弊端［1-2］。仅机车监控方面，平均一台车每天产生约20 GB的视频数据。由于视频数据采用人工转储方式，且多为事后分析，经常会出现因视频数据丢失而造成事后分析难以排查、追踪事故原因的情况。文献［3-5］提出了一种基于WLAN的机车数据下载方式，指出通过地面无线访问节点（access point，AP）位置和角度调整，使无线网络传输速率得到了一定的提升。但是，这种传统的无线下载方式的传输速率仍然无法满足在有效时间内完成机车数据记录文件及音视频数据下载的要求。文献［6］提出了一套基于5G通信技术的车地传输系统，但其只是对车载与车地传输做了研究，未体现地面配套施工设计与数据落地后的智能应用情况，无法完全满足铁路智能运维需求。目前，国外已经基于数据传输技术开展了端到端多路径并行数据传输研究［7］，但尚缺乏针对铁路系统这种高安全性和可靠性应用环境的研究和应用［8］。

针对上述问题和挑战，本文基于文献［6］，综合机车车载系统、地面传输控制系统及运用信息综合智能分析系统功能，采用5G通信技术、车地一体化物联网技术、大数据技术、人工智能技术、多维数据联动分析技术，构建了一套基于5G高速网络的机务数据应用系统，实现机车数据高速传输、多系统联动智能分析、快速定位机车故障并输出分析结果。该系统通过端到端高速微波链路传输、波束赋形、断点续传、数据加密与校验、大数据人工智能分析等技术提升了车载数据传输效率和安全性，更好地挖掘数据应有价值，降低数据之间的关联难度，扩大数据分析的覆盖面，提升分析效率和质量，能做到及时分析、有据可查、提前防控，以确保出库机车质量。

1 基于5G高速网络的机务数据应用系统设计

基于5G高速网络的机务数据应用系统由车载系统、车地传输系统和地面智能应用系统3部分组成，系统架构如图1所示。车载系统完成对机车视频、车载微机系统状态信息、6A系统数据和LKJ系统信息等的采集与存储，并与车载天线设备互联，支持1GE/2.5GE/10GE速率传输。车地传输系统实时监视5G链路中机车连接状态，当机车处于无线基站覆盖范围时，将自动发起并建立车载主机与地面5G基站的高速连接，并将机车运行过程中的视频、设备状态信息等车载数据转储到地面高速缓存。地面智能应用系统实现对已采集机车数据的多维联动智能分析，快速定位机车故障并输出分析结果，全面支撑机车运用、检修和维护工作。

图1 基于5G高速网络的机务数据应用系统架构图Fig.1 Architecture diagram of the locomotive data application system based on 5G high speed network

该机务数据应用系统结合云计算、大数据、微服务、多维数据联动分析、断点续传等技术，在5G通信技术基础上，实现6A、LKJ、TCMS、CMD等系统数据的高速自动转储；同时系统可配套完成机车大容量数据分析与应用。该系统可实现多系统数据的综合联动分析，如LKJ与音视频数据、6A监测数据、车载TCMS（或EDRM）数据等多种类型数据的关联互通和一体化分析；实现对LKJ违章项点、运行曲线、全程记录、安全因素、关键事件与音视频的联动分析；实现视频智能识别、对司机行为违章项点的智能分析，并自动检索司乘人员违章信息。

2 车载系统设计

车载系统包含车载主机及配套的数据采集与传输程序、车载5G终端和线缆若干。车载主机采用双存储冗余设计，具备持续采集与缓存机车各系统数据、5G空口连接状态检测与连接建立、数据高速转储、断点续传及数据完整性校验功能，并通过线缆与车载5G终端连接；车载5G终端内置天线，用于接收车载主机的数据并传输给地面轨旁5G基站（RBS）。其构成及功能如图2所示。

图2 车载子系统构成与功能图Fig.2 Structure and function diagram of on-board system

2.1 车载系统硬件设计

车载系统硬件包括车载主机与车载5G终端。车载主机内置固态硬盘（SSD），支持2路2.5GE接口，具备千兆以太网接口及USB接口。车载5G终端是车地转储解决方案中的车载终端设备，集成了相控阵天线，可提供1路2.5GE业务接口。

2.1.1 车载主机

车载主机通过千兆以太网接口实时接收6A、CMD和LKJ等系统的数据，具备1 TB存储容量。车载主机由电源插件、CPU插件（主板）、交换机插件和2块存储插件组成。其中，CPU插件（主板）用于实现车地无线链路通畅条件下的高速数据发送；2块存储插件组成磁盘整列，互为备份，以保证数据传输的可靠性。

车载主机结构见图3，其主要性能参数包括：供电电源电压范围为DC 66～154 V；输出电压为DC 12 V/6 A，DC 48 V/3 A；有2路千兆以太网接口支持PoE功能，PoE输出功率不小于71 W。

图3 车载主机结构图Fig.3 Structure of on-board host

2.1.2 车载5G终端

车载5G终端采用千兆以太网与车载主机通信并获取供电，采用高频无线通信技术完成大容量数据的车地传输，其点对点通信速率可达1Gb/s，用于接收车载转储天线发送的大容量数据。

车载5G终端性能参数及配置如下：工作电压为56 V，由PoE供电；天线尾部引出以太网线，连接PoE设备以获取电源；天线尾部引出光纤，连接光纤交换机以传输数据；防护等级≥IP67，可直接安装在室外。

2.2 车载系统功能设计

机车的整车网络控制系统与牵引、制动、列车供电、安全防护等系统通过多功能车辆总线（MVB）或以太网相连，以进行控制指令和设备状态信息的交互［9］。通过机车整车网络控制系统与现有机车车载设备进行对接，可实现机车安全视频（6A视频）数据以及LKJ、CMD系统、TCMS系统数据的采集，并通过车载5G终端及轨旁5G基站构建的5G传输网络进行采集数据的无线传输，实现不停车情况下大容量数据的高速自动转储。

2.2.1 数据采集功能

车载主机通过以太网接口采集6A系统AV3（视频存储板）的视频数据，每15 min保存一个视频文件，并通过车载主机内置SSD硬盘将所采集的数据进行存储；通过RS485接口采集LKJ系统TAX数据并以文件形式记录在内置SSD硬盘中；通过以太网接口采集车载微机系统（TCMS）数据以及CMD系统文件和6A系统CPP文件，数据转储采用记录文件形式，记录在内置SSD硬盘中。

2.2.2 数据传输功能

车载主机持续采集机车各系统数据并缓存在车载主机内置SSD硬盘中，同时实时检测5G空口连接状态；建立连接后，与地面转储软件平台配合发起文件转储并完成数据完整性校验。传输由无线通信心跳功能触发，传输内容包括6A系统AV3的视频数据、车载微机系统（TCMS）数据、CMD系统文件、6A系统文件及LKJ文件等数据信息。

3 车地传输系统设计

车地传输系统由轨旁5G基站和地面无线转储管理平台组成。车地传输系统具备自动建立5G超宽带无线链路的功能，可实现数据高速、可靠、安全的转储；同时还具备数据自动管理与智能调度分发的功能。

3.1 轨旁5G基站设计

地面轨旁5G基站设备的规划不仅受地面站的覆盖规划、地面轨旁5G基站设备数量规划的影响，还受机车进出整备车间线路环境的影响，主要涉及地面高速缓存、网络及资源等。为了保证数据下载速率，机车入库或与整备车间相关的并发进路轨道数、整备区股道数、咽喉区距离、咽喉区信号灯数量、过咽喉区时间等都是需要考虑的因素［10］。基于目前铁路各站段对5G转储业务的实际需求与机车实际运用场景［11］，本文选择朝向整备场和朝向进车线分别部署两套地面轨旁5G基站的设计，如图4所示。

图4 轨旁5G基站设备施工布置Fig.4 Construction layout of track-side 5G base station equipments

虽然在地面轨旁5G基站安装了定向天线，在车顶安装了一个5G终端且面向车头前方，但当机车入段时，仍无法确定哪端为入库方向。为确保足够的通信距离，在地面轨旁安装了2套5G基站设备。这样，当机车在进车线入段区、整备作业区、整备完成待发区时，可实现全方位的信号覆盖，即机车无论从哪个方向入库，均可实现有效通信。

地面轨旁5G基站与车载5G终端通过扫描与自动对准技术，建立稳定、高速的传输通道。为了保证信号的覆盖范围，设定天线水平扫描角度为90°，垂直扫描角度为30°。由于车地5G通信采用60 GHz高频定向波束，为了保证传输质量，地面轨旁5G基站安装高度设置为7 m（安装高度大于机车高度，小于2倍机车高度），且面向轨道安装［5］。地面轨旁5G基站覆盖半径为300 m，地面天线与车载天线之间不能有大体积的障碍物。图5所示为两套地面5G基站（RBS）的覆盖方向和角度。

图5 地面基站（RBS）覆盖方向和角度设计Fig.5 Design of coverage direction and angle of ground base station(RBS)

3.2 地面无线转储管理平台设计

地面无线转储管理平台承担着地面高速转储程序与车载主机数据传输程序之间通信的任务，负责将车载数据转储到地面文件服务器并开放给各类型的数据分析系统，无线转储平台主程序功能结构如图6所示。

图6 无线转储平台主程序功能结构Fig.6 Functional structure of the main program of the wireless dump platform

数据转储模块主要处理车地报文交互以及调用数据库处理模块、日志管理模块对转储过程和转储文件信息进行记录。数据交互模块负责向地面智能应用系统提供数据接口。数据库处理模块封装数据库连接、文件信息入库等功能。日志管理模块主要功能为记录无线转储服务器软件运行日志，并定期清理日期较久的日志记录。文件压缩/解压缩模块主要负责6A、LKJ等系统数据落地后的重新打包工作，可被数据交互模块所调用。安全认证模块实现网络内机车车载终端设备的接入、无线网络的车载5G终端与地面基站之间多重身份互认证，以建立安全、保密的传输通道。在机车进入地面5G基站无线信号覆盖范围内时，车载5G终端与地面基站通过小区ID和密钥接入认证、MAC地址白名单认证、应用层的设备ID身份认证这3种方式实现接入安全认证［12］，以防止非法设备接入。无线数据下载业务流程如图7所示。

图7 无线转储数据下载业务流程图Fig.7 Flow chart of wireless dump data download

地面无线转储管理平台通过与无线转储服务器软件交互，展示实时转储状态以及转储文件统计查询等功能。当机车进入段内5G网络覆盖区域时自动与地面无线转储管理平台连接，将缓存池中数据通过5G网络高速转储到无线转储服务器，及时、有效、可靠地将数据保存。若机车在数据回传尚未完成时离开5G网络覆盖区域，地面无线转储管理平台会记录数据传输中断的位置；当机车再次进入5G网络覆盖区域时，立即从上次中断的位置继续传输数据，以保证数据完整转储。当多台机车入段同步转储时，地面无线转储管理平台对已完成传输的链路进行自动断开，以保证机车数据的同步效率和及时性，实现系统稳定、高效的视频转储。

地面无线转储管理平台采用波束赋形、波束跟踪等技术自动对准、自动连接，建立车载5G终端与地面5G基站（RBS）端到端高速数据传输链路，并实现无线链路连接的实时防护（当无线链路发生故障时可立即报警，通知作业人员对故障点进行修复）。

4 地面智能应用系统设计

地面智能应用系统可对已转储的视频数据、LKJ数据、TCMS数据、6A数据等进行智能分析和处理，对司机行为进行智能分析。该系统采用C/S架构设计，由前端的联动客户端和后端数据与服务类组件构成。

4.1 系统功能架构

地面智能应用系统从功能上设计为通用类组件、联动分析类组件和统计分析类组件3大板块，如图8所示。通用组件模块负责集成地面智能应用系统基础功能库，提供统一的开发、集成方式，具有高度的可重用性和可扩展性。联动分析组件负责将用户操作界面（user interface，UI）操作的、对应机车辆的LKJ基础信息与运行曲线数据、视频数据、全程记录数据、CMD数据、6A数据、ERM数据等多个维度的业务数据关联，并进行动态的联动播放展示。统计类分析组件通过对联动系统后台的数据进行整合，提供各类专题数据的统计分析界面静态显示。

图8 地面智能应用子系统功能架构Fig.8 Functional architecture of the ground intelligent application subsystem

4.2 核心功能设计

地面智能应用系统的核心功能包括3项，即数据转储关联、检索查阅分析和智能识别。

LKJ、视频数据转储关联功能，即基于LKJ解析结果，自识别关联匹配视频文件，实现LKJ数据与视频文件时间同步匹配关联，完成联动分析。其以一条LKJ记录为起始点，视频文件与LKJ数据通过时间线串联起来。联动分析软件根据时间点自动检索与运行记录关联的机车视频序列，并实时更新时间轴、视频列表等控件的内容。如图9所示，图中红框部分为LKJ全程记录事件项点，点击对应事件项点，即可联动当前时间点视频画面对当前时刻机车驾驶时的LKJ数据与视频画面进行分析。

图9 LKJ运行记录、LKJ全程记录与视频联动分析功能图Fig.9 Linkage analysis function diagram of LKJ running recording,LKJ whole process recording and video

LKJ、视频数据既定时间检索查阅分析功能，即基于LKJ数据检索查询，实现对LKJ全程记录、LKJ运行曲线、视频等数据的同步分析，如图10所示。通过点击LKJ运行记录，选择菜单栏中LKJ运行曲线功能，即可展示当前时刻LKJ运行曲线数据走势与视频画面，且具备播放、暂停、停止播放等操作功能。

图10 运行曲线与视频联动分析功能图Fig.10 Linkage analysis function diagram of running curve and video

LKJ、视频司机行为智能识别功能，即基于乘务员行车操作规范建立LKJ、视频数据分析模型，实现自动分析、识别LKJ和视频数据中的违章项点。识别项点主要包括：主司机偏头、主司机离岗、玩手机、未探头手比（升弓确认）、未后部瞭望、未探头手比（进入调车）、未探头手比（出段）、未探头手比（入段）、主司机未手比（发车信号）、主司机未手比（过分相）、主司机未手比（LKJ侧线输入）、主司机未手比、主司机未手比（一度停车）。如图11所示，进行司机行为智能识别之前需先完成数据获取、预处理准备工作，然后通过深度学习模型对视频帧进行单帧分析（单台服务器分析效率大约为40 GB/天），并针对分析结果实现全自动关联LKJ数据（展示在图10软件界面下半区域），最后由人工进行校核签署，实现分析的闭环。

图11 司机行为智能识别功能图Fig.11 Design diagram of driver behavior intelligent recognition

5 应用分析

本文所研究的机务数据应用系统已于2020年在我国铁路某机务段进行工程化应用，并已完成2台HXD1型机车的车载设备装车调试与验证工作。近一年的验证结果显示，其车载数据下载速率最高达到1 700 Mb/s、平均高于1 200 Mb/s，平均每趟车数据下载时间可控制在3～8 min内，数据转储时间平均减少约30 min，且能保证数据100%的完整性。表1示出应用项目中2020年5月1日至7日单趟机车人工下载与5G自动下载转储数据情况进行对比。

通过表1对比结果可以看出，5G数据自动传输系统可替代机务段目前所有的数据转储设备，实现当前机车所有类型数据的统一传输；同时可防止因插拔造成设备接触不良、松动，导致数据丢失、不全、损坏等问题。且该系统的自动化程度高，无需人为操作，进一步提高了数据转储工作效率。

表1 人工转储与5G转储数据对比统计Tab.1 Comparison statistics of manual dump and 5G dump data

自2020年5月20日起，该项目开始对地面智能应用子系统进行测试验证。在此之前，机务段每天投入6人进行机车视频与LKJ数据的抽调分析，对每台车抽调约10%的数据量进行分析。在地面智能应用子系统投入测试后，实现了100%的数据分析覆盖率，分析数据量提升10倍以上，且每天投入3人即可满足要求，节省了人力50%。

在此期间根据现场实际使用情况，地面智能应用子系统累计升级迭代了5个软件版本，确定了13个违章智能分析项点并开展了多次测试，最终测试的各项点准确率如表2所示。

由表2结果可见，该系统的应用在扩大分析覆盖面的同时，实现了对司乘人员操作违章的自动分析和筛检，有效地提升了分析效率与精准度，避免了因安全事件的遗漏给行车安全带来隐患。

表2 地面智能应用子系统数据分析统计Tab.2 Data analysis statistics of ground intelligent application subsystem

6 结语

本文基于5G高速网络，研究了车载系统、传输控制系统及综合运用信息分析系统功能，提出了一套多维一体化的机务数据应用系统并进行设计实现。目前该系统已在国内某机务段进行全面实施与验证，结果表明，这种模式提高了机车数据回传的及时性与完整性、提升了数据分析的覆盖率与智能化水平，同时也减少了地面机车数据转储人员和数据分析人员的工作量，缩短了机车整备时间，提高了机车质量分析效率。

基于本系统，后续我们将通过功能拓展方式实现机车制动系统、走行部系统等其他数据接入转储系统，进一步提升机车整车数据落地和智能分析的能力。