基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道電路軌旁設(shè)備強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

阮小飛 陳洪軒 徐金鵬 李躍進(jìn)

軌道電路設(shè)備是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中列車占用、行車控制及斷軌檢查的重要設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)會(huì)影響列車正常運(yùn)行。軌道電路軌旁設(shè)備在鐵路沿線鋼軌側(cè)，所處環(huán)境的工況較為復(fù)雜，易受到軌旁的強(qiáng)電危害。如雷電過電壓、牽引回流、電力故障引起的過電壓干擾，易使軌道電路軌旁設(shè)備發(fā)生斷路器跳閘、SPD（Surge Protection Device）擊穿短路等故障，按照“故障導(dǎo)向安全”原則，均可造成信號(hào)集中監(jiān)測(cè)終端上出現(xiàn)“紅光帶”，需要維護(hù)人員去現(xiàn)場(chǎng)處理排查。而在現(xiàn)有條件下，由于無法事先獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體故障數(shù)據(jù)和詳細(xì)狀態(tài)信息（危害源和入侵途徑的相關(guān)數(shù)據(jù)），排查人員在制定預(yù)案時(shí)缺少針對(duì)性，現(xiàn)場(chǎng)故障排查處理時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；而且由于缺少數(shù)據(jù)，技術(shù)人員在事后分析及整治方案制定時(shí)，難以給出具有針對(duì)性的實(shí)施對(duì)策。隨著鐵路運(yùn)行里程的不斷增長(zhǎng)，專業(yè)技術(shù)人員需要維護(hù)的設(shè)備和范圍都大幅增加，尤其是雷雨季節(jié)危害高發(fā)的時(shí)段，故障排查問題愈發(fā)突出。

考慮到軌道電路軌旁設(shè)備存在布置分散、取電困難、運(yùn)行工況復(fù)雜等多種不利因素，本文設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道電路軌旁設(shè)備強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備、云端設(shè)備和監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SPD 壽命信息、開關(guān)量信息、雷電信息、工頻過電流信息等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和處理，系統(tǒng)可以把結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給用戶的監(jiān)測(cè)終端。一旦現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障，用戶可以通過系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)信息對(duì)故障做出初步判斷，給出有針對(duì)性的預(yù)案。該系統(tǒng)能夠提高現(xiàn)場(chǎng)故障處理效率，減少現(xiàn)場(chǎng)故障對(duì)列車正常運(yùn)行的影響時(shí)間。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

軌道電路軌旁設(shè)備強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，主要由軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備、云端設(shè)備及監(jiān)測(cè)終端3 部分組成。其中，軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備包括數(shù)據(jù)傳感、運(yùn)算處理、本地存儲(chǔ)、云端通信單元；采用N-MBx 進(jìn)行標(biāo)記，表示N 站內(nèi)的第x 臺(tái)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備。云端設(shè)備包含物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和云應(yīng)用服務(wù)器二部分。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，一方面， 通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrowband-Internet of Things，NB-IoT）與軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)；另一方面，將收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供給云應(yīng)用服務(wù)器。云應(yīng)用服務(wù)器從物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)獲取各站軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行計(jì)算、處理和存儲(chǔ)，并把計(jì)算結(jié)果通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給監(jiān)測(cè)終端。監(jiān)測(cè)終端是系統(tǒng)的人機(jī)交互單元，可通過圖形化的方式顯示給用戶。為了確保數(shù)據(jù)能夠安全存儲(chǔ)和有效管理，監(jiān)測(cè)終端按照路局現(xiàn)有模式，分為局、段、車間和車站4 級(jí)。在監(jiān)測(cè)終端中，不同級(jí)別的管理機(jī)構(gòu)具備不同的權(quán)限。

圖1 軌道電路軌旁設(shè)備強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備

軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備部署在鐵路沿線，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜、位置分散，采用有線方式供電和通信較困難。為了確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行安全、有效，在綜合考慮供電、能耗、散熱、通信等方面因素的前提下，充分與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況相結(jié)合，采用太陽(yáng)能作為能源輸入，使用低功耗的NB-IoT 技術(shù)作為通信方式。

軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備適配于軌道電路軌旁設(shè)備，從軌道電路軌旁設(shè)備內(nèi)采集數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)原理見圖2。考慮軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，主要方案實(shí)現(xiàn)如下。

圖2 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備框圖

1）能源方案。采用太陽(yáng)能作為能源輸入和鋰電池為板卡供電的方式，通過優(yōu)化硬件和軟件，在保留系統(tǒng)最低資源配置的前提下，休眠不需要工作的器件，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，提高續(xù)航時(shí)間。

2）通信方案。采用NB-IoT 技術(shù)，避免有線方式引入的耦合干擾和實(shí)施難度。NB-IoT 模塊在常規(guī)情況下處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)滿足數(shù)據(jù)上傳條件時(shí)，MCU 將其喚醒，數(shù)據(jù)通過NB-IoT 模塊、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3）數(shù)據(jù)上傳模式。為了盡可能降低功耗，數(shù)據(jù)上傳模式分為“定時(shí)上傳”“故障上傳”和“手動(dòng)上傳”?！岸〞r(shí)上傳”指按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的周期，上傳系統(tǒng)中更新的數(shù)據(jù)；“故障上傳”是在系統(tǒng)中重要設(shè)備的狀態(tài)改變時(shí)實(shí)時(shí)上傳；“手動(dòng)上傳”是給維護(hù)人員和調(diào)試人員的預(yù)留接口，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。其中，“定時(shí)上傳”模式中間隔周期不變，但起點(diǎn)為任一種上傳模式的結(jié)束時(shí)刻。

4）開關(guān)量信息采集。系統(tǒng)中開關(guān)量信息包括箱門狀態(tài)、斷路器狀態(tài)和SPD 狀態(tài)。這些信息作為軌道電路軌旁設(shè)備狀態(tài)的重要指標(biāo)，需要實(shí)時(shí)記錄并上傳。為了改善響應(yīng)速度、功耗及優(yōu)化資源分配，開關(guān)量信息由專門的STM32 進(jìn)行存儲(chǔ)、上傳和處理，不需要喚醒主控板。

5）雷電信息采集。雷電流的波形周期和波頭時(shí)間短，能量主要集中在100 kHz 以內(nèi)。鋼軌上典型的感應(yīng)雷電流波形為10/200 us?？紤]到雷電流持續(xù)時(shí)間短且觸發(fā)時(shí)間難預(yù)知，線圈采用最大電流為100 kA 的羅氏線圈（Rogowski Coil）。羅氏線圈采集的雷電流通過同軸線纜傳輸至積分器，經(jīng)積分器處理后，由采樣頻率為10 Mb/s 的A/D 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）處理A/D 轉(zhuǎn)換后的雷電信息，其運(yùn)算結(jié)果由主控板的MCU 進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、上傳和處理。本方案利用了FPGA 的高速和并行的運(yùn)算能力，滿足了雷電流的瞬時(shí)采集和運(yùn)算需求，減少了主控MCU 的資源占用。

6）工頻過電流采集。工頻過電流采集采用門限值觸發(fā)方案，采集參數(shù)包括工頻過電流的幅值和時(shí)間。工頻過電流的幅值范圍為1～200A，時(shí)間為工頻過電流持續(xù)時(shí)間。

7）人機(jī)交互。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、修改配置、查詢數(shù)據(jù)的需求，本文設(shè)計(jì)了2 種解決方案：①如圖3所示，軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)設(shè)置了由鍵盤、數(shù)碼管、指示燈組成的人機(jī)交互面板，通過鍵盤、指示燈和數(shù)碼管的不同組合方式，表示數(shù)據(jù)信息、配置信息、設(shè)備狀態(tài)等內(nèi)容；②利用RFID 技術(shù)，通過外部射頻閱讀設(shè)備和內(nèi)部射頻識(shí)別標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)配置修改和數(shù)據(jù)查詢。在正常情況下，人機(jī)交互設(shè)備處于休眠狀態(tài)，可以降低系統(tǒng)功耗。

圖3 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備人機(jī)交互區(qū)域示意圖

8）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)設(shè)置了滿足一個(gè)月數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的Flash 單元?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)干擾和能源因素，減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題對(duì)系統(tǒng)決策的影響，本方案將存儲(chǔ)單元Flash 劃分成A、B 區(qū)。存儲(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)A、B 區(qū)同時(shí)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)。上傳前，系統(tǒng)對(duì)A 區(qū)和B 區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若兩區(qū)數(shù)據(jù)相同，上傳A 區(qū)最后更新數(shù)據(jù)；若數(shù)據(jù)不同，上傳A 區(qū)上一條更新數(shù)據(jù)。當(dāng)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備由于自身問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不能上傳時(shí)，維護(hù)人員可通過USB 接口現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù)，使用電腦將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

9）溫濕度監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)設(shè)置溫濕度傳感器，對(duì)設(shè)備內(nèi)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？紤]到功耗問題，溫濕度傳感器僅在軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備喚醒時(shí)啟用。

3 云端設(shè)備

3.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

綜合對(duì)比云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)覆蓋、開發(fā)難度及前期投入的情況，本系統(tǒng)選擇中國(guó)移動(dòng)的OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)作為開發(fā)平臺(tái)。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備與OneNET平臺(tái)的信息交互見圖4。軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)按照J(rèn)son 格式定義，通過LwM2M 協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)按照物聯(lián)網(wǎng)卡的IMEI（International Mobile Equipment Identity） 號(hào)碼，分別存放軌旁設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并通過AT 指令，向軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備下發(fā)時(shí)間同步信息和OTA 升級(jí)信息。

圖4 軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備與OneNET 云平臺(tái)信息交互

3.2 云應(yīng)用服務(wù)器

考慮到系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)量、存儲(chǔ)空間、可定制化程度、運(yùn)算及分發(fā)能力等需求，本系統(tǒng)按照“服務(wù)器+客戶端”模式進(jìn)行架設(shè)，既可以滿足強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定制化需求，將軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備納入統(tǒng)一管理；又方便后續(xù)其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的接入，減少開發(fā)難度。

云應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分發(fā)，信息管理及修改，時(shí)鐘同步等功能，具體如下。

1）獲取數(shù)據(jù)及存儲(chǔ)。云應(yīng)用服務(wù)器按照固定周期，使用TCP 協(xié)議的GET 命令從物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，把新獲取的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)做比對(duì)，存儲(chǔ)更新的數(shù)據(jù)，舍棄重復(fù)的數(shù)據(jù)。

2）處理數(shù)據(jù)。云應(yīng)用服務(wù)器對(duì)從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)，按照設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、拆分、重組等處理，把運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并定期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)存?zhèn)浞荨?/p>

3）分發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)終端與云應(yīng)用服務(wù)器連接時(shí)，云應(yīng)用服務(wù)器會(huì)根據(jù)登錄賬號(hào)的權(quán)限信息和上次分發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記，向監(jiān)測(cè)終端推送更新的數(shù)據(jù)。

4）信息管理及修改。云應(yīng)用服務(wù)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)據(jù)信息、賬戶信息、報(bào)警信息、雷電信息、工頻信息、歷史信息等進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)信息查詢、賬戶及設(shè)備的添加、修改等操作。

5）時(shí)鐘同步。當(dāng)監(jiān)測(cè)終端和云應(yīng)用服務(wù)器處于連接狀態(tài)時(shí)，云應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)授時(shí)指令，與監(jiān)測(cè)終端時(shí)間同步。

4 監(jiān)測(cè)終端

按照鐵路系統(tǒng)現(xiàn)有模式，監(jiān)測(cè)終端分為局級(jí)、段級(jí)、車間級(jí)、站級(jí)4 種權(quán)限級(jí)別。不同權(quán)限級(jí)別的監(jiān)測(cè)終端，只能查詢和管理權(quán)限允許范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)終端是維護(hù)人員獲取數(shù)據(jù)和更新配置的重要窗口，其主要功能包括軟件登錄、用戶管理、組織管理、設(shè)備管理、綜合監(jiān)控、告警信息、數(shù)據(jù)分析、歷史查詢等。數(shù)據(jù)信息以圖形化的方式展現(xiàn)，用戶可以直觀、清晰地查看登錄賬戶管轄范圍內(nèi)，所有軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)及報(bào)警信息。

5 信息數(shù)據(jù)安全措施

阿里、華為、騰訊等主流云服務(wù)器均通過了較高的安全認(rèn)證，有系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)防護(hù)措施，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性?？紤]到鐵路系統(tǒng)對(duì)云傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有更嚴(yán)格的安全性要求，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在用戶密碼、信息數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)文件等方面采取了加密措施，且增加了數(shù)據(jù)備份功能。強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)安全措施見圖5。系統(tǒng)在日常使用中，如果出現(xiàn)信息數(shù)據(jù)被截獲、病毒入侵、數(shù)據(jù)庫(kù)文件被拷貝或惡意破壞等情況，能確保信息內(nèi)容不泄露，用戶數(shù)據(jù)可恢復(fù)，進(jìn)而保證信息數(shù)據(jù)的安全性。

圖5 強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)安全措施示意圖

1）用戶密碼加密。賬戶設(shè)置登錄密碼和二級(jí)密碼，采用SHA256 哈希值加密。

2）信息數(shù)據(jù)傳輸加密。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，本系統(tǒng)采用密文方式傳輸消息。軌旁設(shè)備和OneNET 平臺(tái)之間通信采用LwM2M 協(xié)議，通過DTLS 算法進(jìn)行加密處理；OneNET 平臺(tái)和云應(yīng)用服務(wù)器之間通信采用HTTPS 協(xié)議，數(shù)據(jù)通過AES算法加密處理。云應(yīng)用服務(wù)器和監(jiān)測(cè)終端之間的傳輸內(nèi)容為字節(jié)流，根據(jù)通信協(xié)議要求拼接字節(jié)流，并經(jīng)過CRC 校驗(yàn)和Base64 算法加密處理。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)文件安全措施。數(shù)據(jù)庫(kù)加入用戶身份鑒別功能，且無需使用Root 和管理員權(quán)限登錄，即可防止非授權(quán)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的惡意存取和破壞。系統(tǒng)對(duì)賬號(hào)密碼和數(shù)據(jù)信息采用MD5 算法加密后，再寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，減少數(shù)據(jù)泄露的問題。

4）信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份。數(shù)據(jù)庫(kù)定期在云端和線下進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，即使出現(xiàn)病毒入侵、人為誤刪除、軟硬件故障等情況，數(shù)據(jù)也可恢復(fù)到任意備份點(diǎn)。

6 結(jié)論

1）本文基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種軌道電路軌旁設(shè)備強(qiáng)電危害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、無線傳輸?shù)奶匦?，?shí)現(xiàn)了對(duì)軌道電路軌旁設(shè)備開關(guān)量信息、雷電信息、工頻過電流信息的監(jiān)測(cè)，以及強(qiáng)電危害水平的量化分析。

2） 通過實(shí)驗(yàn)室模擬雷電流和工頻過電流試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效過濾發(fā)生器充電和觸發(fā)時(shí)疊加在線路上的干擾，實(shí)時(shí)采集雷電流和工頻電流數(shù)據(jù)，并通過NB-IOT 上傳給云平臺(tái)。通過多通道示波器，比對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和發(fā)生器本身的雷電流波形，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的雷電流波形雖有部分尖脈沖疊加，但整體形狀和走勢(shì)與發(fā)生器本身波形一致，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

3）在完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)信息可以為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和故障處理提供幫助，從而提高現(xiàn)場(chǎng)處理故障效率。特別是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的量化數(shù)據(jù)，便于技術(shù)人員在事后故障分析時(shí)發(fā)現(xiàn)問題原因，另外，隨著時(shí)間的累積和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的增多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)積累的大量數(shù)據(jù)，可為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)備測(cè)試等方面提供數(shù)據(jù)支撐和優(yōu)化建議。