適用于高速綜合檢測(cè)列車的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

■ 邢小琴

我國(guó)GSM-R系統(tǒng)的首要任務(wù)是保障與行車安全相關(guān)的列車控制信息傳輸，因此鐵道部對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的使用制定了嚴(yán)格的規(guī)范控制。為滿足行業(yè)內(nèi)越來越多的通信業(yè)務(wù)需求，在保障安全的前提下，開始使用無線公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如在動(dòng)車組司機(jī)室內(nèi)安裝GPRS（中國(guó)移動(dòng)）無線數(shù)據(jù)傳輸終端，將車載設(shè)備操作及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，便于及時(shí)了解列車運(yùn)行狀態(tài)，并作為動(dòng)車組調(diào)度、檢修的重要依據(jù)。對(duì)于保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全的高速綜合檢測(cè)列車，也迫切需要利用無線網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)分析處理中心，以便及時(shí)處理，及早發(fā)現(xiàn)安全隱患。這方面的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外還未有相關(guān)的研究，亟待發(fā)掘。未來，如何進(jìn)行鐵路沿線尤其是高速鐵路沿線的3G/4G等公共通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋和優(yōu)化，在高速環(huán)境下保障可靠的數(shù)據(jù)通信，有效利用各種無線網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)于鐵路行業(yè)等問題還有待深入研究。

1 數(shù)據(jù)傳輸需求

高速綜合檢測(cè)列車在保障鐵路運(yùn)行安全方面起著非常重要的作用。通過將各專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)集成于1輛車上，可同時(shí)對(duì)鐵路沿線軌道、弓網(wǎng)、通信、信號(hào)等基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行時(shí)空同步檢測(cè)。從高速鐵路的安全管理和運(yùn)行維護(hù)出發(fā)，檢測(cè)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，尤其是發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重病害數(shù)據(jù)、超限報(bào)警數(shù)據(jù)及列車運(yùn)行關(guān)鍵信息，需及時(shí)發(fā)送到地面數(shù)據(jù)分析處理中心進(jìn)行處理。一般通過電話或郵件方式進(jìn)行車-地間信息或數(shù)據(jù)傳遞。而對(duì)于完成一個(gè)交路或一個(gè)檢測(cè)計(jì)劃任務(wù)后所形成的大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，則只能通過檢測(cè)人員刻盤或存儲(chǔ)到移動(dòng)硬盤的方式帶回到數(shù)據(jù)分析處理中心。該方式使檢測(cè)數(shù)據(jù)得不到及時(shí)分析處理、延誤養(yǎng)護(hù)維修時(shí)機(jī)，危及列車運(yùn)行安全。如何將這些檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到地面數(shù)據(jù)分析處理中心，已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

按照傳輸實(shí)時(shí)性要求，可將高速綜合檢測(cè)列車檢測(cè)數(shù)據(jù)分為兩類：一類是檢測(cè)過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重病害數(shù)據(jù)、超限報(bào)警數(shù)據(jù)（統(tǒng)稱報(bào)警信息）和運(yùn)行關(guān)鍵信息（包括列車運(yùn)行線路、行別、速度、里程等信息）；另一類是檢測(cè)任務(wù)完成當(dāng)日各專業(yè)所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)一般較大，需要在高速綜合檢測(cè)列車完成檢測(cè)任務(wù)入庫停車后，及時(shí)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)分析處理中心。高速綜合檢測(cè)列車各個(gè)專業(yè)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)到綜合數(shù)據(jù)管理服務(wù)器上，進(jìn)行統(tǒng)一管理，并定義了專用數(shù)據(jù)接口協(xié)議。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過考察鐵路沿線尤其是京滬高速鐵路沿線各種無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋特點(diǎn)，提出綜合采用短消息（GSM）、3G（中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通）網(wǎng)絡(luò)及鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息、運(yùn)行關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)傳送到地面數(shù)據(jù)分析處理中心，并通過短消息方式將緊急報(bào)警信息發(fā)送到相關(guān)負(fù)責(zé)人的手機(jī)上，同時(shí)高速綜合檢測(cè)列車也可及時(shí)接收到地面數(shù)據(jù)分析處理中心發(fā)送的指令。采用“WLAN+鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)”方式實(shí)現(xiàn)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。在高速綜合檢測(cè)列車停靠的動(dòng)車庫建立通信中轉(zhuǎn)站，一方面可與高速綜合檢測(cè)列車通過WLAN網(wǎng)絡(luò)建立無線鏈路連接，另一方面通過鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)與地面數(shù)據(jù)分析處理中心建立有線連接。當(dāng)高速綜合檢測(cè)列車完成當(dāng)日檢測(cè)任務(wù)入庫停車后，可自動(dòng)建立WLAN無線網(wǎng)絡(luò)連接并將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到中轉(zhuǎn)通信服務(wù)器，該服務(wù)器接收到完整檢測(cè)數(shù)據(jù)后，自動(dòng)上傳到地面數(shù)據(jù)分析處理中心通信服務(wù)器。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)

從系統(tǒng)整體構(gòu)成上劃分，車-地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由3部分組成（見圖1）。車載通信子系統(tǒng)由通信服務(wù)器、車載天饋系統(tǒng)和無線通信模塊組成。負(fù)責(zé)與車載綜合數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，從中自動(dòng)獲取待發(fā)送數(shù)據(jù)，并完成將各類檢測(cè)數(shù)據(jù)分級(jí)、分類處理后，選擇最佳網(wǎng)絡(luò)（信道）發(fā)送到地面數(shù)據(jù)分析處理中心的功能。地面基地站通信中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由通信服務(wù)器、WLAN無線通信模塊、WLAN寬帶天線組成。通信中轉(zhuǎn)服務(wù)器通過WLAN無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)接收高速綜合檢測(cè)列車傳輸?shù)拇笈繖z測(cè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳到地面數(shù)據(jù)分析處理中心。北京地面數(shù)據(jù)分析處理中心通信子系統(tǒng)主要由公網(wǎng)、專網(wǎng)通信服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)檢測(cè)列車發(fā)送的各類檢測(cè)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）檢測(cè)報(bào)警信息、關(guān)鍵運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)傳輸功能。系統(tǒng)中綜合使用3G網(wǎng)絡(luò)、鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)及GSM網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)運(yùn)行線路的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及信道容量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況，自適應(yīng)選擇最佳信道進(jìn)行傳輸，在現(xiàn)有條件下最大限度保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

（2）大容量檢測(cè)數(shù)據(jù)的到站傳輸功能。

（3） 提出一套適用于高速綜合檢測(cè)列車數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)算法，保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸。

（4）為保證數(shù)據(jù)安全、可靠傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密/解密、壓縮/解壓縮運(yùn)算。

（5）適應(yīng)高速綜合檢測(cè)列車的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，系統(tǒng)可自動(dòng)獲取需要發(fā)送的各類數(shù)據(jù)，地面數(shù)據(jù)分析處理中心通信設(shè)備可將接收到的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

4 系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

4.1 鐵路GPRS專網(wǎng)在系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)施

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 基于鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸拓?fù)?/p>

基于鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的車-地?cái)?shù)據(jù)傳輸拓?fù)湟妶D2。車載端配置鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊，在地面數(shù)據(jù)分析處理中心設(shè)置通信服務(wù)器，并接入鐵路GPRS專用網(wǎng)絡(luò)。鐵路GPRS網(wǎng)絡(luò)的使用首先需要向鐵道部運(yùn)輸局通信處上報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、傳輸內(nèi)容、傳輸數(shù)據(jù)大小等，同時(shí)申請(qǐng)以下內(nèi)容：（1）數(shù)據(jù)分析處理中心通信服務(wù)器與北京鐵路局機(jī)房MGRIS服務(wù)器的鐵通專線連接；（2）申請(qǐng)GPRS數(shù)據(jù)傳輸專用SIM卡1張，用于車載GPRS無線終端，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿繌圫IM卡需綁定一個(gè)固定IP地址；（3）申請(qǐng)為數(shù)據(jù)分析處理中心通信服務(wù)器分配一個(gè)固定IP地址。

4.2 “WLAN+鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)”在系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)施

基于“WLAN+鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)”的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D3。在車載端配置WLAN無線通信模塊，在列車?？康膭?dòng)車庫配置通信中轉(zhuǎn)服務(wù)裝置（需同時(shí)連接WLAN無線網(wǎng)絡(luò)和鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)），在地面數(shù)據(jù)分析處理中心配置數(shù)據(jù)接收通信服務(wù)器（連接鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)）。WLAN無線網(wǎng)絡(luò)的布置和鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)的使用首先需要向鐵道部上報(bào)設(shè)計(jì)方案。該方案的制定可由北京鐵路通信技術(shù)中心協(xié)助完成，方案內(nèi)容包括中轉(zhuǎn)通信服務(wù)子系統(tǒng)安裝地點(diǎn)選擇、安裝設(shè)備清單、具體施工方案及鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)連接起始點(diǎn)、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及連接起始點(diǎn)的固定IP地址分配。

圖3 基于“WLAN+鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)”的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

圖4 基于公網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4.3 3G公網(wǎng)在系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)施

基于公網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D4。在車載端配置3G網(wǎng)絡(luò)無線通信模塊，在地面數(shù)據(jù)分析處理中心設(shè)置通信服務(wù)器（接入互聯(lián)網(wǎng)專線）。該網(wǎng)絡(luò)使用相對(duì)簡(jiǎn)單，按照車載端無線通信模塊的配置采購(gòu)相應(yīng)的SIM卡（本系統(tǒng)使用中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信3G網(wǎng)絡(luò)）。地面數(shù)據(jù)分析處理中心互聯(lián)網(wǎng)接入采用中國(guó)聯(lián)通專線，需要固定IP地址。

5 結(jié)束語

適用于高速綜合檢測(cè)列車的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)所有設(shè)計(jì)功能，該系統(tǒng)可最大限度地利用鐵路沿線各種無線網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息、運(yùn)行關(guān)鍵信息的實(shí)時(shí)傳輸；采用“WLAN+鐵路數(shù)據(jù)網(wǎng)”的方式實(shí)現(xiàn)當(dāng)日檢測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸；適應(yīng)高速綜合檢測(cè)列車專用檢測(cè)數(shù)據(jù)接口協(xié)議，滿足高速綜合檢測(cè)列車的數(shù)據(jù)傳輸需求；為京滬高速鐵路的安全運(yùn)行和綜合科學(xué)化管理提供有力的輔助技術(shù)手段。

[1] 賈志凱，韓激揚(yáng)，呂赫. 動(dòng)車組車載信息車地間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議集的設(shè)計(jì)[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，20(5)：15-17