基于移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

吳智昊

根據(jù)中國鐵路總公司下發(fā)的相關(guān)管理文件要求，鐵路局電務(wù)部門需按季度對(duì)軌道車上安裝的軌道車運(yùn)行控制設(shè)備 （GYK）進(jìn)行巡檢維護(hù)作業(yè)。由于工務(wù)、供電部門運(yùn)用作業(yè)的需要，部分配屬的軌道車、大型養(yǎng)路機(jī)械長期流動(dòng)性?？吭阼F路沿線偏僻站場。數(shù)據(jù)換裝及轉(zhuǎn)儲(chǔ)的工作方式受到諸多制約，效率低下，且對(duì)設(shè)備運(yùn)用和人員單位作業(yè)時(shí)間都造成了無謂的損耗。時(shí)常還由于調(diào)度計(jì)劃的變更，導(dǎo)致維護(hù)人員無法按既定的時(shí)間計(jì)劃開展工作。為此，利用現(xiàn)有的科技手段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和技術(shù)升級(jí)，以解放部分生產(chǎn)力。本文重點(diǎn)分析了利用2G、3G、4G移動(dòng)公網(wǎng)和GSM－R鐵路專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，開發(fā)GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)方案的可行性。

1 GYK設(shè)備簡述

GYK由主機(jī) （含主控及記錄模塊、接口模塊、語音記錄模塊、軌道電路信息讀取器 （TCR）、電源模塊）、人機(jī)界面單元 （DMI）、機(jī)車信號(hào)接收線圈、機(jī)車信號(hào)機(jī)、速度傳感器和外部接口 （主機(jī)與壓力傳感器、電磁閥、熄火裝置、軸溫監(jiān)測、列調(diào)電臺(tái)的接口）等組成。GYK組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 GYK系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

GYK設(shè)備根據(jù)軌道車運(yùn)行和作業(yè)特點(diǎn)，具有5種監(jiān)控模式：正常監(jiān)控模式、調(diào)車模式、目視行車模式、區(qū)間作業(yè)模式和非正常行車模式。軌道車在區(qū)間正常運(yùn)行時(shí)，采用速度分級(jí)控制；在區(qū)間作業(yè)和限速區(qū)段，采用速度連續(xù)控制。當(dāng)軌道車速度達(dá)到控制模式曲線時(shí)，GYK對(duì)軌道車實(shí)施常用制動(dòng)、熄火及緊急制動(dòng)，防止軌道車 “兩冒一超”。

2 GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)結(jié)合了IT、電子信息領(lǐng)域等先進(jìn)技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)資源，建立了基于2G、3G、4G移動(dòng)公網(wǎng)和GSM－R鐵路專網(wǎng)的車載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。利用這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)GYK設(shè)備與地面系統(tǒng) （服務(wù)器）之間的無線數(shù)據(jù)信息交互功能。

GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)主要由車載和地面系統(tǒng)組成，如圖2所示。車載系統(tǒng)包括車載終端，地面系統(tǒng)包括地面數(shù)據(jù)服務(wù)器和PC客戶端。地面數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)分析，并保存遠(yuǎn)程終端傳回的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)、設(shè)備質(zhì)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息。

圖2 GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)組成框圖

2．1 地面數(shù)據(jù)服務(wù)器功能

GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)中，地面數(shù)據(jù)服務(wù)器將GYK基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)等信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載終端，車載終端實(shí)時(shí)查詢、接收地面數(shù)據(jù)服務(wù)器信息并反饋接收結(jié)果；然后將接收到的數(shù)據(jù)信息通過RS－485總線傳輸給GYK設(shè)備；GYK設(shè)備用接收到的GYK基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)，來更新GYK設(shè)備中的相應(yīng)數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)具備以下功能。

1．用戶登錄安全管理功能。用戶進(jìn)入登錄界面需要正確輸入用戶名和密碼，方可進(jìn)入正常的界面顯示。

2．網(wǎng)絡(luò)故障診斷顯示功能。服務(wù)器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測2G、3G移動(dòng)公網(wǎng)連接狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或欠費(fèi)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)欄顯示網(wǎng)絡(luò)故障狀況。

3．車載終端設(shè)備管理功能。給車載終端設(shè)備分配固定IP地址和編號(hào)，保證每臺(tái)車載終端設(shè)備都有惟一的IP地址和編號(hào)。

4．文件管理功能。在服務(wù)器的指定根目錄下，自動(dòng)給每臺(tái)車載終端設(shè)備建立一個(gè)文件夾，將接收的數(shù)據(jù)文件放入指定文件夾中。

5．車載終端設(shè)備在線、離線狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能。對(duì)在線車載終端設(shè)備和離線車載終端設(shè)備的狀態(tài)，以不同的顏色進(jìn)行區(qū)分。

6．?dāng)?shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。服務(wù)器監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行接收并保存；當(dāng)服務(wù)器監(jiān)測到發(fā)送區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給當(dāng)前在線的車載終端設(shè)備。

7．?dāng)?shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳、續(xù)接功能。在數(shù)據(jù)傳輸或接收過程出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，服務(wù)器會(huì)暫停數(shù)據(jù)傳輸或接收，等網(wǎng)絡(luò)正常后繼續(xù)傳輸或接收先前未傳輸或接收完的數(shù)據(jù)。

8．USB轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能。用具有USB接口的專用轉(zhuǎn)儲(chǔ)設(shè)備，可以轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)信息。

2．2 PC客戶端功能

PC客戶端可供管理人員通過操作訪問地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，查看車載終端在線情況、數(shù)據(jù)接收情況及換裝執(zhí)行情況，查看設(shè)備質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線分析、GYK遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、發(fā)布基本數(shù)據(jù)等GYK數(shù)據(jù)、制定換裝計(jì)劃、GYK運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、運(yùn)行揭示上傳等功能。PC客戶端應(yīng)具備以下功能。

1．用戶進(jìn)入登錄界面，正確輸入賬戶和密碼后，進(jìn)入PC客戶端界面。

2．實(shí)時(shí)信息查看功能。用戶可實(shí)時(shí)查看軌道車編號(hào)、司機(jī)號(hào)、副司機(jī)號(hào)、車次、速度、管壓、燈型、車站號(hào)、交路號(hào)等運(yùn)行信息。

3．故障信息及版本信息查看功能。用戶可實(shí)時(shí)查看軌道車故障信息及版本信息。

4．運(yùn)行記錄查看功能。用戶可在線分析、下載地面數(shù)據(jù)服務(wù)器中的GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)。

5．公告發(fā)布功能。用戶通過PC客戶端上傳公告信息 （包含揭示信息內(nèi)容、GYK基本數(shù)據(jù)及控制程序版本信息）到地面數(shù)據(jù)服務(wù)器，地面數(shù)據(jù)服務(wù)器將公告信息發(fā)送到車載終端 ，以便司乘人員核對(duì)揭示數(shù)據(jù)內(nèi)容及版本信息。

6．?dāng)?shù)據(jù)傳輸功能。用戶可遠(yuǎn)程對(duì)GYK設(shè)備進(jìn)行揭示數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)的升級(jí)，及GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的回傳。

7．位置定位功能。用戶通過PC客戶端數(shù)據(jù)地圖，可實(shí)時(shí)查看軌道車的位置信息。

2．3 車載終端硬件組成

車載終端是GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的核心組成部分，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測GYK記錄數(shù)據(jù)、設(shè)備質(zhì)量數(shù)據(jù)及其他狀態(tài)信息并進(jìn)行分類處理。車載終端通過CAN總線與GYK設(shè)備通信，將GYK設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行記錄文件數(shù)據(jù)及GYK工況信息，通過移動(dòng)公網(wǎng)和GSM－R鐵路專網(wǎng)傳輸給地面數(shù)據(jù)服務(wù)器。

車載終端主要由以下幾部分硬件組成：電源單元、傳輸模塊單元、控制單元、存儲(chǔ)單元。硬件組成框圖如圖3所示。

圖3 車載終端設(shè)備硬件組成框圖

1．電源單元采用性能可靠的開關(guān)電源模塊，將DC 24V輸入電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的各種電壓。所有輸出電壓與輸入電壓隔離。

2．無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)基于移動(dòng)公共網(wǎng)絡(luò)或GSM－R鐵路專網(wǎng)進(jìn)行傳輸。傳輸模塊單元通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，承載地面數(shù)據(jù)服務(wù)器和車載終端設(shè)備的通信，及數(shù)據(jù)信息交換的功能。

3．控制單元是車載終端設(shè)備的核心單元，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組打包、分析處理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳、續(xù)接等功能，控制單元的核心處理器選用工業(yè)級(jí)的高性能CPU。

4．存儲(chǔ)單元如車載終端設(shè)備的數(shù)據(jù)庫，主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)從服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)、將要發(fā)送給服務(wù)器設(shè)備的數(shù)據(jù)，以及保證車載終端設(shè)備正常啟動(dòng)和運(yùn)行所需的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等數(shù)據(jù)。因此存儲(chǔ)單元須具備存儲(chǔ)容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn)。

2．4 車載終端功能

1．GYK設(shè)備軟硬件版本及故障信息采集功能。

2．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。對(duì)接收到的和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

3．網(wǎng)絡(luò)故障診斷指示功能。終端設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障 （如繁忙、無信息等）時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)指示燈給予顯示。

4．自動(dòng)連接服務(wù)器功能。在網(wǎng)絡(luò)正常情況下，終端設(shè)備以固定的時(shí)間間隔給服務(wù)器發(fā)送信息，保證終端設(shè)備和服務(wù)器始終處于正常連接狀態(tài)。

5．對(duì)文件進(jìn)行分組打包功能。對(duì)要發(fā)送的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分組打包，進(jìn)行打包后的數(shù)據(jù)傳輸，可保證數(shù)據(jù)傳輸效率和正確性。

6．?dāng)?shù)據(jù)分析處理功能。對(duì)接收的數(shù)據(jù)包信息進(jìn)行判斷分析處理 （校驗(yàn)），若數(shù)據(jù)包信息正確進(jìn)行存儲(chǔ)，否則刪除并請(qǐng)求重發(fā)。

7．請(qǐng)求重發(fā)功能。接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包或損壞的數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)請(qǐng)求服務(wù)器重發(fā)此數(shù)據(jù)包。

8．?dāng)?shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳續(xù)接功能。在數(shù)據(jù)傳輸或接收過程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，車載終端設(shè)備會(huì)暫停數(shù)據(jù)傳輸或接收，等網(wǎng)絡(luò)正常后繼續(xù)傳輸或接收先前未傳輸或接收完的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用整合

GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，其核心在于保證建立穩(wěn)定的車載－主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸通道和安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽繖C(jī)制。

3．1 車載終端配置

經(jīng)大量現(xiàn)場試驗(yàn)得出的結(jié)論，車載終端需采用軌道車上24V穩(wěn)定直流電源，確保終端穩(wěn)定工作。車載終端主機(jī)設(shè)置專用的航空插座與GYK主機(jī)通過RS總線連接，做到專線傳輸數(shù)據(jù)，避免電磁干擾等外部因素。車載終端連接示意圖如圖4所示。

圖4 車載終端連接示意圖

3．2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性和完整性的保證機(jī)制

通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸大量的數(shù)據(jù)信息時(shí)，必然存在如何保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的可靠性和準(zhǔn)確性問題，遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可以依靠以下幾種機(jī)制來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。

1．?dāng)?shù)據(jù)分組打包、校驗(yàn)處理機(jī)制。服務(wù)器設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組并打包，對(duì)每一包數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn)。

2．?dāng)?shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳、續(xù)接機(jī)制。由于服務(wù)器設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常現(xiàn)象（如：信號(hào)非常弱已無法傳輸數(shù)據(jù)信息、網(wǎng)絡(luò)中斷、網(wǎng)絡(luò)故障等）時(shí)，服務(wù)器設(shè)備會(huì)暫停數(shù)據(jù)發(fā)送，并對(duì)已發(fā)送成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，等待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后繼續(xù)發(fā)送未發(fā)送完的數(shù)據(jù)信息。

3．請(qǐng)求重發(fā)機(jī)制。車載終端設(shè)備接收到每包數(shù)據(jù)后，進(jìn)行CRC冗余校驗(yàn)，如果CRC冗余校驗(yàn)成功，車載終端設(shè)備給服務(wù)器設(shè)備發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)包接收成功信息；如果CRC冗余校驗(yàn)失敗，車載終端設(shè)備一方面將當(dāng)前數(shù)據(jù)包信息丟棄，另一方面給服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求重發(fā)命令，請(qǐng)求服務(wù)器設(shè)備重新發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)包信息。

4．雙網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)比、校驗(yàn)機(jī)制。從地面數(shù)據(jù)服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)由兩路網(wǎng)絡(luò)通道由車載終端接收后再傳輸?shù)紾YK設(shè)備，GYK設(shè)備接收完數(shù)據(jù)后將兩路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)和對(duì)比，如果兩路網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確而且完全相同，則認(rèn)為數(shù)據(jù)完整可靠，從而可對(duì)GYK設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)升級(jí)。否則不予升級(jí)。

5．地面數(shù)據(jù)服務(wù)器由于需24h不間斷運(yùn)行且涉及到車輛運(yùn)行安全，應(yīng)由專業(yè)可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)提供維護(hù)和保障服務(wù)。采用專業(yè)級(jí)別的軟硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)防火墻，網(wǎng)絡(luò)主干及重要軟硬件須采用冗余設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)杜絕黑客、病毒的外來因素干擾數(shù)據(jù)運(yùn)行安全。

3．3 系統(tǒng)硬件要求

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)反饋信息，為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其中車載終端技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：①DC 24V工作電源；②400MHz以上CPU；③數(shù)據(jù)傳輸理論峰值下行3．1Mb／s，上行1．8Mb／s；④USB接口速率120Mb／s；⑤發(fā)射功率不小于3W；⑥2GB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

地面系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：①AC220V不間斷工作電源；②雙核2．3GHz以上CPU （服務(wù)器）；③USB接口速率120Mb／s；④1TB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

4 試驗(yàn)考核情況

廣州鐵路集團(tuán)公司于2013年下半年起，組織管內(nèi)電務(wù)、工務(wù)、供電段及設(shè)備生產(chǎn)廠家利用GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，對(duì)GYK基本數(shù)據(jù)及DMI程序升級(jí)、揭示傳輸數(shù)據(jù)回傳做了大量試驗(yàn)，在試驗(yàn)期間 （2013年9月10日－10月31日，2014年2月10日－3月28日），通過遠(yuǎn)程換裝功能累計(jì)換裝次數(shù)120次 （包括GYK基本數(shù)據(jù)換裝45次、揭示數(shù)據(jù)更新30次、DMI程序升級(jí)20次），遠(yuǎn)程達(dá)示傳輸25條，運(yùn)行記錄回傳30次，模擬故障信息回傳15次。

經(jīng)過長期的地面測試和上線試運(yùn)行，項(xiàng)目已于2015年5月通過廣鐵 （集團(tuán)）公司科技成果技術(shù)評(píng)審。該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了GYK數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程升級(jí)、GYK揭示命令上傳、GYK運(yùn)行文件回傳以及遠(yuǎn)程故障智能分析等功能，大大地提升了遠(yuǎn)程換裝的工作效率，并根據(jù)用戶實(shí)際使用需求對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了調(diào)整，經(jīng)過不斷的完善和改進(jìn)，GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)各項(xiàng)功能日趨正常、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、車輛位置定位精確、設(shè)備質(zhì)量可靠，能夠有效解決GYK設(shè)備基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)、程序無法及時(shí)更新，以及運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)無法及時(shí)回傳的問題，符合路局、電務(wù)處等各級(jí)管理部門和使用部門的實(shí)際使用需求。

總體來說，GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)在試驗(yàn)階段運(yùn)行情況良好：實(shí)現(xiàn)了電務(wù)、供電、工務(wù)等主管部門對(duì)GYK設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理的預(yù)期目標(biāo)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及應(yīng)用，轉(zhuǎn)變了過去由人工攜帶GYK數(shù)據(jù)到現(xiàn)場進(jìn)行逐臺(tái)升級(jí)的局面。管理人員可運(yùn)用遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)在客戶端遠(yuǎn)程對(duì)GYK設(shè)備進(jìn)行基本數(shù)據(jù)換裝、DMI程序升級(jí)、GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)操作，減少了GYK數(shù)據(jù)換裝人員的工作量，保證了數(shù)據(jù)換裝的準(zhǔn)確性。因此，GYK遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)能安全有效地實(shí)現(xiàn)GYK數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的回傳分析，有效解決了長期困擾軌道車數(shù)據(jù)換裝時(shí)效性及運(yùn)行文件回傳等難題，節(jié)省了大量的人力物力，提高了管理部門的工作效率。是一項(xiàng)具有重大經(jīng)濟(jì)效益和能為鐵路運(yùn)輸提供安全保駕的實(shí)用性產(chǎn)品。

［1］ 劉青峰，鄭明君，謝基龍，繆龍秀．無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在列車安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2003（4）．

［2］ 中國鐵路總公司．鐵總運(yùn)［2014］2號(hào)．軌道車運(yùn)行控制設(shè)備暫行技術(shù)條件［S］．2014．

［3］ 中國鐵路總公司．鐵總運(yùn)［2015］46號(hào)．軌道車運(yùn)行控制設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理辦法［S］．2015．