鐵路計量設(shè)備多功能智能巡檢裝置的研究

張紀暐 中國鐵路上海局集團有限公司科研所

1 概述

鐵路計量設(shè)備大量應(yīng)用在運輸、工務(wù)、機輛等單位的維修、養(yǎng)護、集中修等各方面，設(shè)備狀況好壞對生產(chǎn)安全有著舉足輕重的作用，但計量管理人員數(shù)量十分有限，不可能做到對一個單位逾萬件計量器具的巡查管理，因此需要研究智能巡檢裝置，可以將此項工作進行有效妥當?shù)挠媱澃才?，對計量工作協(xié)管人員的日常巡查進行監(jiān)督，并及時反饋設(shè)備的不良狀況，減少因計量設(shè)備問題引起的生產(chǎn)工作延誤。同時對計量設(shè)備很重要的溯源周期信息進行及時跟蹤，防止出現(xiàn)設(shè)備超出管理有效期的情況發(fā)生。

2 方案設(shè)計

2.1 主要內(nèi)容

（1）研制一款手持多功能智能移動終端及專用APP軟件

①具有設(shè)備巡檢、4G LTE通訊、對講等功能；

②信息采集：支持圖像及音視頻記錄；

③信息傳輸：支持LTE全網(wǎng)通，可以接入任意運營商的公用網(wǎng)絡(luò)；支持模擬對講，可以實現(xiàn)手持多功能智能移動終端設(shè)備之間的模擬通訊。

④專用APP 軟件由巡檢作業(yè)管理、設(shè)備故障管理、視頻與錄音管理等作業(yè)模塊組成；

（2）編制開發(fā)后臺作業(yè)管理系統(tǒng)

對系統(tǒng)基礎(chǔ)信息進行維護和對現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、查詢、瀏覽、報表生成、問題反饋、作業(yè)質(zhì)量評價等；

（3）計量設(shè)備信息數(shù)據(jù)交互模塊

實現(xiàn)巡檢系統(tǒng)與所屬專業(yè)信息系統(tǒng)之間設(shè)備數(shù)據(jù)交換 ，達到設(shè)備全過程有效管理。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）采用NFC 芯片技術(shù)，用掃描方式實現(xiàn)信息采集，可讀可寫，且安全性高；

（2）采用JAVA 語言編寫專用作業(yè)APP 和后臺作業(yè)管理系統(tǒng)，利用其多樣化的統(tǒng)計分析功能將繁雜的系統(tǒng)數(shù)據(jù)變成直觀的圖表等形式；

（3）針對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境信號不穩(wěn)定特性，利用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，建立手持多功能智能移動終端離線數(shù)據(jù)緩存功能，實現(xiàn)信息暫存；

（4）采用MTK手機芯片技術(shù)，實現(xiàn)所有制式的信號通訊；

（5）利用專業(yè)對講模塊，實現(xiàn)模擬對講功能。

2.3 邏輯架構(gòu)

經(jīng)調(diào)研分析，結(jié)合用戶的使用需求，并通過多個方案的設(shè)計、比較，最終確定設(shè)計方案為：利用手持多功能智能移動終端掃描預先制作好的各設(shè)備上的NFC 芯片，然后經(jīng)由選擇項或輸入文字記錄巡檢設(shè)備信息，進行報備。期間可進行對講、攝像、調(diào)度等功能操作，后臺可進行查詢統(tǒng)計，邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 邏輯架構(gòu)圖

如圖1 所示的設(shè)備巡檢流程：巡檢員通過使用手持多功能移動終端掃描設(shè)備對應(yīng)的NFC 芯片，并且通過專用APP 上傳數(shù)據(jù)后，設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)首先到達后臺作業(yè)管理系統(tǒng)，后臺作業(yè)管理系統(tǒng)存儲故障后，再將故障數(shù)據(jù)通過設(shè)備數(shù)據(jù)交互模塊發(fā)送到信息系統(tǒng)中。

3 功能設(shè)計

3.1 手持多功能智能移動終端及專用APP軟件

（1）全網(wǎng)通移動通話模塊

本手持智能終端通過MTK 手機芯片實現(xiàn)了4G LTE 全網(wǎng)通的功能，同時實現(xiàn)了雙卡雙待等功能。

（2）模擬對講模塊

單純的模擬對講技術(shù)目前在市場上應(yīng)用廣泛，技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但是該模塊和LTE 通訊是完全不同的技術(shù)，在同樣需要調(diào)用硬件語音輸入輸出模塊的情況下無法做到兼容，只能采用優(yōu)先級切換技術(shù)來實現(xiàn)將各個模塊糅合到同一臺設(shè)備上。在這里我們把LTE 的語音通話功能設(shè)為高優(yōu)先級，模擬語音對講設(shè)為低優(yōu)先級，當兩者發(fā)生沖突時，高優(yōu)先級功能搶占語音輸入輸出設(shè)備（喇叭、麥克和聽筒）。

在設(shè)計階段，我們將模擬對講工作頻率設(shè)為可調(diào)，由用戶自行設(shè)定頻率，用戶打開模擬對講機功能后，模擬對講機一直處于接收狀態(tài)；一旦按下“PTT”按鍵后，CPU 控制對講機模塊處于發(fā)射狀態(tài)，把從正面MIC 采集進來的聲音信號傳送到對講機模塊輸入端，對講機模塊再把聲音信號調(diào)制到發(fā)射載波上，通過對講機天線把信號發(fā)射出去。

（3）專用APP的軟件

專用APP 由巡視管理、設(shè)備管理、音視頻管理、系統(tǒng)設(shè)置組成，其中巡視管理由NFC 巡視組成，用戶可以實時查看巡視記錄；設(shè)備管理由新增設(shè)備問題與篩選設(shè)備問題組成，可以通過多個篩選項來篩選查看設(shè)備故障信息；音視頻管理可以實時錄制視頻以及錄音，并上傳到后臺作業(yè)管理系統(tǒng)中；系統(tǒng)設(shè)置由待上傳列表、軟件更新、數(shù)據(jù)更新、關(guān)于系統(tǒng)等組成，其中待上傳列表用于保存因網(wǎng)絡(luò)信號不好的情況下暫存在手持多功能移動終端緩存中的數(shù)據(jù)，并且支持錄入巡視中發(fā)現(xiàn)的問題，豐富巡視內(nèi)容，做到巡視問題清單維護在工作上的連貫、便捷。同時對于設(shè)備報修管理模塊，與信息系統(tǒng)進行信息交互，實現(xiàn)對設(shè)備故障報修到修復的全過程有效管理。專用APP已完全改變傳統(tǒng)的多設(shè)備及紙質(zhì)臺賬的工作與管理模式，以提高計量設(shè)備巡檢作業(yè)效率和管理水平（圖2）。

圖2 手持多功能智能移動終端硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 NFC芯片

采用的NFC芯片硬件結(jié)構(gòu)標準如下：

（1）容量為 8K 位 EEPROM。

（2）分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)為 4 塊，每塊 16 個字節(jié) ， 以塊為存取單位。

（3）每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制。

（4）每張卡有唯一序列號，為 32 位。

（5）具有防沖突機制，支持多卡操作。

（6）無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。

（7）數(shù)據(jù)保存期為 10 年，可改寫 10 萬次，讀無限次。

（8）工作溫度：-20 ℃ ～50 ℃ ( 濕度為 90%)。

（9）工作頻率：13.56MHZ。

（10）通信速率：106 KBPS。

（11）讀寫距離：10 cm 以內(nèi)（與讀寫器有關(guān)）。

NFC 芯片中將會存入設(shè)備名稱、設(shè)置ID、位置等參數(shù)，工作人員通過手持多功能移動終端掃描NFC 芯片，將會讀取其中的信息傳入專用APP中。

4 安全設(shè)計

系統(tǒng)采用HTTPS 協(xié)議與客戶端之間進行通訊并進行完整性校驗。通過防火墻等防護設(shè)備實現(xiàn)邊界基礎(chǔ)防護；通過基于數(shù)據(jù)流的攻擊防范設(shè)備對跨越邊界的訪問和數(shù)據(jù)流進行控制和驗證，實現(xiàn)受控接口通信。采用HTTPS 協(xié)議為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供服務(wù)，在互聯(lián)網(wǎng)邊界安全設(shè)備上僅開通SSL 協(xié)議通訊端口進行數(shù)據(jù)傳輸；在安全邊界設(shè)備上實現(xiàn)對源地址、目的地址、源端口、目的端口和協(xié)議的管控；通過定期梳理訪問控制規(guī)則列表，刪除多余或無效的訪問控制規(guī)則，實現(xiàn)訪問控制規(guī)則數(shù)量最小化。系統(tǒng)部署邊界防火墻，并開啟病毒過濾功能，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中的病毒、惡意代碼進行掃描和過濾處理。邊界防火墻開啟病毒庫自動更新策略，確保病毒庫實時更新，有效預防和阻斷新型網(wǎng)絡(luò)病毒、蠕蟲、木馬等惡意代碼的攻擊。使用統(tǒng)一部署日志審計系統(tǒng)，實現(xiàn)對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量和用戶行為實時解析、分析、記錄、報告，協(xié)助應(yīng)用系統(tǒng)安全管理員開展事前規(guī)劃預防、事中實時監(jiān)視、違規(guī)行為響應(yīng)、事后合規(guī)報告、事故追蹤溯源。利用統(tǒng)一部署的態(tài)勢感知平臺，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)采集和集中存儲、備份，并對數(shù)據(jù)進行綜合處理和關(guān)聯(lián)分析。通過設(shè)置日志數(shù)據(jù)備份策略，避免受到未預期的刪除、修改或覆蓋，確保日志數(shù)據(jù)留存時間在6個月以上。

5 結(jié)束語

本文是對鐵路計量設(shè)備多功能智能巡檢裝置的方案設(shè)計、功能設(shè)計、安全設(shè)計做了針對性的介紹和研究，針對的主要領(lǐng)域是計量設(shè)備，利用鐵路計量設(shè)備多功能智能巡檢裝置的優(yōu)點和特點推進鐵路計量相關(guān)管理工作的便捷化、移動化、自動化、信息化，讓整個鐵路計量巡檢工作變得更高效、更智能。