鐵路軌道車運(yùn)行控制設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 宏

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

軌道車運(yùn)行控制設(shè)備（GYK）是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的組成部分，是防止軌道車冒進(jìn)信號、運(yùn)行超速并輔助司機(jī)提高操縱能力的重要設(shè)備。隨著鐵路現(xiàn)代化發(fā)展及維修體制改革的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)的維修管理模式已不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展，為提高維護(hù)工作效率，確保設(shè)備安全運(yùn)用，須充分利用現(xiàn)代化檢測、監(jiān)測手段和大數(shù)據(jù)分析功能，高效率開展設(shè)備維護(hù)管理工作。

1 GYK 設(shè)備維護(hù)現(xiàn)狀

GYK設(shè)備日常維護(hù)工作由于受軌道車作業(yè)時(shí)間長、作業(yè)地點(diǎn)不固定、作業(yè)方式分散、運(yùn)行交路環(huán)境復(fù)雜等多種因素的制約，存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)換裝難度大、運(yùn)行數(shù)據(jù)回傳不及時(shí)、分析滯后、設(shè)備故障不能及時(shí)處置、數(shù)據(jù)版本管理不便捷和無法實(shí)時(shí)獲取軌道車位置信息等問題，造成GYK設(shè)備維護(hù)效率低，也給行車安全帶來隱患。文章通過設(shè)計(jì)軌道車運(yùn)行控制設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)（GMS），以解決GYK設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理中存在的諸多問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GMS系統(tǒng)由車載設(shè)備、地面服務(wù)器和用戶終端3 部分組成，采用鐵路專用通信網(wǎng)（GSM-R）和公共移動(dòng)通信網(wǎng)作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸通道，通過鐵路既有接口服務(wù)器（M-GRIS）平臺、移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸平臺（MTUP）及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)車地傳輸，GMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）車載設(shè)備。車載設(shè)備包括GMS車載主機(jī)、組合天線、鐵路專用通信多頻段天線和連接電纜等，可實(shí)現(xiàn)GYK設(shè)備相關(guān)信息采集、文件上傳、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸。

（2）地面服務(wù)器。地面服務(wù)器即地面維護(hù)監(jiān)測平臺，建設(shè)在鐵路綜合信息網(wǎng)中，主要包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備等，可實(shí)現(xiàn)GMS相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通信、數(shù)據(jù)處理分析和備份。

（3）用戶終端。用戶終端實(shí)現(xiàn)站段GMS相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查看、分析與傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)連接

GMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括鐵路GSM-R及公共移動(dòng)通信網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全。

（1）數(shù)據(jù)傳輸。GMS數(shù)據(jù)通過M-GRIS和MTUP平臺實(shí)現(xiàn)落地，M-GRIS和MTUP不僅作為GMS數(shù)據(jù)透明傳輸通道，還可以防止非法用戶利用M-GRIS和MTUP平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶終端發(fā)送數(shù)據(jù)，GMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖2所示。

圖2 GMS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接圖

（2）數(shù)據(jù)安全。從M-GRIS和MTUP平臺到GMS地面維護(hù)監(jiān)測平臺轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過硬件防火墻等設(shè)備進(jìn)行安全過濾，最終進(jìn)入鐵路綜合信息網(wǎng)，從而保證數(shù)據(jù)安全。

（3）系統(tǒng)安全。GMS服務(wù)器安裝的鐵路綜合信息網(wǎng)作為第1層網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)；GMS服務(wù)器相關(guān)安全防護(hù)軟件及配置系統(tǒng)安全策略作為第2層網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

GMS關(guān)鍵技術(shù)主要包括地面維護(hù)監(jiān)測平臺、網(wǎng)絡(luò)端口協(xié)議及鐵路SIM卡等。

（1）地面維護(hù)監(jiān)測平臺。通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器是GMS地面維護(hù)監(jiān)測平臺的主要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)GMS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)分析處理。GMS通信服務(wù)器完成M-GRIS、MTUP平臺與鐵路綜合信息網(wǎng)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，對接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行流量控制，通過安全協(xié)議對非法數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，對數(shù)據(jù)流量、訪問情況、連接狀態(tài)等信息記錄，保證整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。GMS數(shù)據(jù)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)處理、分發(fā)、存儲(chǔ)和訪問控制，對GYK基本數(shù)據(jù)、軟件、控制程序等遠(yuǎn)程發(fā)送；對GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程回傳及分析；接收GYK運(yùn)行狀態(tài)信息、軌道車位置信息、報(bào)警信息等，數(shù)據(jù)服務(wù)器采用雙機(jī)熱備方式，保證整個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)用、存儲(chǔ)的可靠性和安全性。

（2）網(wǎng)絡(luò)端口協(xié)議。GMS系統(tǒng)要準(zhǔn)確高效地完成數(shù)據(jù)信息端到端的傳輸，需提供GMS服務(wù)器接入端口，并提供GMS接入MTUP平臺的通信協(xié)議、業(yè)務(wù)端口、IP地址等信息，進(jìn)行GMS業(yè)務(wù)載入以及調(diào)試配合。若采用鐵路通信專用網(wǎng)則需要提供M-GRIS的IP地址，以及M-GRIS的服務(wù)器連接端口，針對GMS業(yè)務(wù)鐵路辦公網(wǎng)應(yīng)允許訪問。交換機(jī)預(yù)留GMS服務(wù)器連接接口的同時(shí)需要在安全防護(hù)設(shè)備上放行GMS應(yīng)用軟件所需傳輸端口和協(xié)議。

（3）鐵路SIM卡。開通運(yùn)行軌道車GMS系統(tǒng)需特殊的鐵路SIM卡、存儲(chǔ)設(shè)備及MTUP安全平臺ID（通常為軌道車號）。

2.4 安全機(jī)制

GMS系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)據(jù)安全傳輸職責(zé)，在數(shù)據(jù)傳輸中要通過多次加密校核，為數(shù)據(jù)運(yùn)用提供端到端的安全保障。

（1）GYK數(shù)據(jù)在編輯環(huán)節(jié)按私有協(xié)議加密編輯，在GYK運(yùn)用環(huán)節(jié)采用私有協(xié)議解密并讀取數(shù)據(jù)，該私有協(xié)議對其他第三方（包括GMS系統(tǒng)）保密，確保GYK收到的數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

（2）數(shù)據(jù)傳輸采用對稱加密和非對稱加密方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)加密，確保數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

（3）GMS采用數(shù)字簽名技術(shù)，驗(yàn)證收到數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，同時(shí)利用私有方法提取數(shù)據(jù)幀對數(shù)據(jù)特征值進(jìn)行再次核對，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。

2.5 應(yīng)用功能

（1）GYK基本數(shù)據(jù)、控制軟件的遠(yuǎn)程升級。GMS通過用戶終端下發(fā)GYK升級文件，車載設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)接收下發(fā)的升級文件，到達(dá)升級時(shí)刻后，GMS系統(tǒng)在軌道車人機(jī)界面（DMI）顯示升級提示信息，并語音提示升級，由司機(jī)進(jìn)行升級確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、軟件的對車傳輸。

（2）GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)回傳和網(wǎng)絡(luò)化分析。GMS可將獲取到的GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳至地面維護(hù)監(jiān)測平臺，用戶可及時(shí)對回傳的GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量和作業(yè)質(zhì)量分析，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)文件車對地的傳輸，有效促進(jìn)GYK設(shè)備的運(yùn)用維護(hù)管理。

（3）軌道車運(yùn)行狀態(tài)、車載設(shè)備狀態(tài)、車輛位置等實(shí)時(shí)監(jiān)測。 GMS通過無線網(wǎng)絡(luò)獲取GYK運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備報(bào)警信息、軌道車位置信息等并實(shí)時(shí)傳輸至地面維護(hù)監(jiān)測平臺；用戶終端可通過平臺實(shí)時(shí)查看當(dāng)前軌道車的運(yùn)行狀態(tài)、位置信息及報(bào)警信息等，為設(shè)備維護(hù)管理提供有效依據(jù)。

（4）GYK廣播信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和校時(shí)。GMS車載設(shè)備可向其他車載設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)GYK時(shí)間、速度、管壓、機(jī)車信號、工況、公里標(biāo)、交路號、車站號、司機(jī)號、車次和限速等廣播信息；當(dāng)GYK設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間誤差大于30 s時(shí)，GMS設(shè)備可依據(jù)全球定位系統(tǒng)或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS/BDS）對GYK設(shè)備校時(shí)。

（5）數(shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳。當(dāng)通信鏈路出現(xiàn)異常時(shí)，GMS系統(tǒng)對已傳輸成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，通信鏈路恢復(fù)正常后，能夠繼續(xù)從斷點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

3 應(yīng)用效果分析

（1）提高工作質(zhì)量和效率。GMS系統(tǒng)的有效使用，實(shí)現(xiàn)了GYK設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、控制軟件的更換及數(shù)據(jù)版本的有效監(jiān)控，提高了GYK設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理工作質(zhì)量和效率。2020年，嘉峪關(guān)電務(wù)段通過GMS系統(tǒng)實(shí)施GYK設(shè)備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)換裝8版，換裝軌道車705臺次，縮短了數(shù)據(jù)換裝時(shí)間，消除了人工上線作業(yè)、道路交通、現(xiàn)場換裝等可能存在的人身安全隱患。

（2）提升設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量。GMS系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測GYK設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)，對設(shè)備報(bào)警信息進(jìn)行及時(shí)回傳分析，從而實(shí)現(xiàn)異常信息的及時(shí)有效處置，提升設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量。2020年，嘉峪關(guān)電務(wù)段分析GMS系統(tǒng)報(bào)警預(yù)警信息3 850余件，處置有效報(bào)警信息70余件，有效避免多起設(shè)備故障的發(fā)生，保障行車安全。

（3）提高經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。GMS系統(tǒng)的有效使用，強(qiáng)化了現(xiàn)實(shí)安全及設(shè)備管理質(zhì)量，節(jié)約大量人力資源，同時(shí)減少生產(chǎn)維修成本，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

（4）提高軌道車運(yùn)用維護(hù)管理水平。GMS系統(tǒng)的有效使用，為GYK設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理提供了現(xiàn)代技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)GYK運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程回傳，有助于軌道車使用和管理單位及時(shí)開展GYK運(yùn)用安全和設(shè)備質(zhì)量分析，進(jìn)一步提高軌道車運(yùn)用管理水平，對促進(jìn)專業(yè)融合發(fā)揮了積極作用。

4 結(jié)語

通過GMS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，有效強(qiáng)化了基礎(chǔ)管理，保障設(shè)備運(yùn)用安全、提升GYK設(shè)備維修質(zhì)量和工作效率，同時(shí)也降低了生產(chǎn)維修成本，是落實(shí)鐵路企業(yè)提質(zhì)增效的有效舉措。隨著鐵路體制改革的不斷推進(jìn)，GMS的投入使用必將產(chǎn)生更大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。