铁路通信信号检测控制与编辑系统设计与实现

段贺辉，许庆阳，杨 吉

（1.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081；2.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）

随着高速铁路网的基本建成，以及铁路列车运营速度的提升，基础设施保障显得尤为重要，亟需提升高速综合检测列车的作业效率、智能化和集成化水平。在铁路通信、信号检测方面，依托于高速综合检测列车通信信号检测系统[1-2]，每月对高速铁路和部分普速干线铁路通信信号进行检测，通过对各项测试结果进行分析可掌握铁路通信、信号基础设施运用状态。高速综合检测列车通信信号检测系统（简称：通信信号检测系统）运用过程中发现如下不足：自动化程度低，在换线检测时，需要人工进行线路重选、基础数据库添加等操作后再启动测试，检测人员工作强度大；智能化程度低，缺少对系统自身运行状态监测的功能，检测人员需要手动完成日报、日志、漏检的填报；通信信号检测频次低，测试样本难以满足检测标准要求[3]，难以准确评价铁路移动通信系统（GSM-R，Global System for Mobile Communications - Railway）运行质量[4]。

结合新一代高速综合检测列车“更集成、更智能”的设计目标，设计了集中控制系统和数据归集系统，实现了通信信号检测系统的运行状态监测、任务自动控制、数据集中管理等功能。但在通信、信号检测方面，由于检测项目繁多、传感器复杂，给集中控制系统的统一管理造成负担，尤其在检测任务分发方面，很难实现统一控制。

因此，本文设计铁路通信信号检测控制与编辑系统（简称：检测编辑系统），对通信信号检测系统各检测项目进行汇聚后，统一与集中控制系统进行交互，在便于集中控制系统对通信信号检测管理的同时，也可在集中控制系统缺失的情况下，实现通信信号检测的自动化。

1 总体架构

检测编辑系统采用C/S架构设计，如图1所示。

图1 检测编辑系统总体架构

1.1 系统交互层

依赖C#语言开发，采用WinForm技术进行界面设计，后端采用SQL Server数据库作数据存储，各系统间及下位机通信采用Socket方式，通过Log4net进行日志记录，采用EPPlus作数据导出。

1.2 业务处理层

完成检测数据的解析存储，管理下位机超限阈值、参数配置及文件升级包等，管理检测台账，对超限数据进行有效性标识等。

1.3 展示控制层

用于人机交互，包括通信信号检测系统的运行状态监测、检测位置跟踪、检测记录数据展示、超限编辑，以及检测台账的增删改查，一键关机等功能。

2 系统功能模块

检测编辑系统作为集中控制系统与通信信号检测系统的通信接口，传递集中控制系统指令，收集通信信号检测系统的运行状态信息、检测结果，处理超限数据。检测编辑系统设计数据存储模块、数据交互与处理模块、显示与操控模块，模块之间相互关联，在模块间协同作业同时完成各自的功能。检测编辑系统功能框架如图2所示。

图2 检测编辑系统功能框架

2.1 数据存储模块

用于存储与各系统交互的数据、检测基础数据等，包括SQL Sever数据库、磁盘文件这2类文件。用于管理检测过程中的测试数据，包括检测任务信息、超限数据、检测记录等；检测基础数据包括检测台账、参数配置文件。本系统以FreeSql方式访问数据库[5]，记录测试任务信息，建立超限数据和检测记录索引关系，实现数据之间的关联和定位。在超限数据和检测记录方面，创建标识字段，指明数据的有效性和可用性；在报告生成环节进行有效数据提取；对于参数配置文件和检测台账等大文件数据，采用磁盘文件方式管理，通过数据库索引指向磁盘文件[6]，提升文件的访问速率，同时减少数据库文件的占用空间。

2.2 数据交互与处理模块

实现与各系统交互、数据解析和数据归集等。本系统在执行过程中，需要同时完成与集中控制系统、数据归集系统及通信信号检测系统（即：下位机）采集软件的交互，基于交互的多样性及并发性，该模块采用异步TCP通信方式设计[7]，以事件驱动的方式实现多点并发交互。交互内容如下：（1）与集中控制系统：检测编辑系统接收提取任务控制指令，分发至各下位机采集软件，同时将各下位机采集软件的状态信息，转发至集中控制系统；（2）与下位机采集软件：监听并连接下位机的注册服务，发送任务指令、监控链路状态并收集下位机系统运行状态信息；（3）与数据归集系统：将数据库增量文件、磁盘文件实时汇聚至数据归集系统。

2.3 显示与操控模块

实现检测结果数据与下位机运行状态等信息的呈现，同时具备超限复核、检测控制等。显示与操控功能模块是人机交互接口，实时显示行车信息、超限记录、下位机运行状态，管理检测台账数据，编辑超限数据，生成检测日报等。

3 系统工作流程

检测编辑系统初始化后，连接数据库系统、集中控制系统、下位机采集软件等外部系统，待各系统连接正常，对下位机采集软件进行版本核查并执行版本更新操作，准备就绪；监听集中控制系统任务指令并转发至下位机采集软件，同时，接收下位机采集软件上报的下位机运行状态及其任务执行状态、超限数据、检测记录等；当次检测数据经过人工复核并被进行有效性标记后，将有效数据根据任务索引生成检测日报。检测编辑系统工作流程如图3所示。

图3 检测编辑系统工作流程

4 关键技术

4.1 FreeSql及数据库触发机制

FreeSql是一款对象关系映射（ORM，Object Relational Mapping）程序的国产框架，支持.NetStandard运行平台，如.NetFramework 4.0+、.NetCore 2.1+、Xamarin等，使用由实体类表示数据库表或视图等可查询和保存数据的模型执行数据访问，兼容多数据库平台，支持同步/异步数据库操作方法、链式查询方法，以及读写分离、分表分库等操作。该技术可在多数据源模式下，更好地协调处理各数据源的多样性，保证记录数据的唯一性和准确性，在避免数据库访问冲突、提升数据库的查询和修改效率的同时，保障了检测编辑系统在数据库处理方面的稳定性和高效性。采用数据库触发机制[8]，新的检测结果及下位机告警数据入库时，可实时触发本系统进行界面刷新，向用户及时发出告警信号，使用户及时了解告警信息并进行系统修复等。

4.2 异步TCP通信及多点连接

采用异步TCP通信，实现一对多通信服务[9]，同时管理多台下位机的测试任务并监控其运行状态。检测编辑系统开启TCP监听服务，待下位机采集软件向其注册连接后，建立一条独立通道与下位机进行交互，在交互过程中，本系统采用多线程并发控制机制，使设备运行状态、任务管控、数据交互等各项服务同时进行，保证下位机有序、稳定地完成测试任务。在管理下位机的同时，连接集中控制系统，向其汇聚下位机的运行状态及其任务执行状态。

4.3 文件版本管理

本系统通过记录各下位机终端文件版本信息，与集中控制系统交互过程中获取的新版本文件进行比对，当集中控制系统文件版本较高时，获取新的文件并覆盖本地磁盘原版本文件；下位机启动后与检测编辑系统进行版本比对，根据版本信息进行版本升级并执行重启操作，文件版本更新流程如图4所示。

图4 文件版本更新流程

4.4 断线重连机制

为保障测试任务的唯一性和检测数据的完整性，设计断线重连机制，保证检测编辑系统与下位机采集软件在某一方故障并重新建立连接后，下位机采集软件可及时收到测试任务并进行重复性判断，使得同一任务的顺利执行，具体流程如下：（1）下位机采集软件启动并与检测编辑系统建立连接，请求新版本文件数据并自行更新；（2）下位机采集软件上报状态监测数据，包括下位机运行状态、告警信息、故障信息等；（3）断线分2种情况，一种为故障重启，连接后需要先同步文件信息，后接收任务数据并执行检测，另一种为网络中断，直接请求任务数据即可。通过断线重连机制可保障检测任务执行的可持续性，检测编辑系统与下位机采集软件完整交互流程如图5所示。

图5 检测编辑系统与下位机采集软件交互流程

5 试验验证

在实验室和动态检测环境下，对检测编辑系统的功能和稳定性进行动/静态试验，从下位机采集软件运行状态及测试任务执行状态反馈的实时性、下位机检测结果与本系统呈现结果的一致性、数据记录的准确性等方面，对关键技术进行验证。

5.1 下位机采集软件运行状态监测

搭建实验室模拟测试环境，验证下位机采集软件对集中控制系统下发的任务执行情况、故障信息反馈及断线重连机制等。

（1）下位机接通电源，通过检测编辑系统查看下位机采集软件运行状态，如图6（a）所示，下位机在线以蓝色图标展示；

图6 下位机采集软件状态监测结果

（2）集中控制系统下发测试任务，通过检测编辑系统转发至下位机采集软件，各下位机采集软件执行任务并上报下位机运行状态，如图6（b）所示，任务执行以绿色图标展示；

（3）任务执行中，强制重启通信检测下位机，通过检测编辑系统查看状态变化为：图6（b） →图6（c）→ 图6（b），显示了下位机采集软件的离线（灰色代表离线）、在线变化过程；

（4）任务执行中，对下位机中通信检测模块设置故障信息，检测编辑系统状态展示为图6（d）（红色代表故障）。

5.2 检测结果一致性

在综合检测列车安装集中控制系统、检测编辑系统及下位机采集软件，进行动态综合试验[10]，在试验过程中，对比下位机采集软件上报的检测结果与检测编辑系统呈现结果的一致性，选取部分路段，对比结果如图7所示，其中，图7（a）为下位机中信号检测模块采集软件识别的检测结果，图7（b）为检测编辑系统呈现的检测结果。

图7 超限数据一致性对比

5.3 数据记录的实时性

在下位机采集软件执行当次检测任务后，自动进行测试指标统计，将统计结果上报至检测编辑系统，在2次任务切换时，检测编辑系统实时呈现当次检测任务的统计结果。选择2条线路对测试样本数进行一致性对比分析，对比结果如表1所示，经过对比，检测编辑系统的记录数据与下位机采集软件的实测数据结果一致。

表1 记录数据与实测数据样本数对比

5.4 检测日报生成

在动态综合试验过程中，对检测日报一键生成功能进行验证，点击创建通信（信号）报告选项，根据提示，选择当日检测任务，本系统会自动填充报告基本信息，包括下位机运行状态、实际检测里程、检测结果、记录人员等信息，日报生成后，自动存储至SQL数据库服务器。

6 结束语

通信信号检测控制与编辑系统的设计开发，建立了集中控制系统与通信信号检测系统的交互通道，实现了通信信号检测系统的运行状态监测、任务自动控制、检测结果复核，以及检测日报的一键生成等，通过实验室和综合检测列车的动/静态试验，对所设计开发的系统的实时性及检测结果的准确性进行了试验和结果分析。试验结果表明，该系统实现了通信信号检测系统的自动化和智能化，提升了通信信号检测效率和质量，满足新一代高速综合检测列车的要求。