吳智昊

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

1 GYK設備簡述

GYK由主機 （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）、人機界面單元 （DMI）、機車信號接收線圈、機車信號機、速度傳感器和外部接口 （主機與壓力傳感器、電磁閥、熄火裝置、軸溫監(jiān)測、列調(diào)電臺的接口）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設備根據(jù)軌道車運行和作業(yè)特點，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)間正常運行時，采用速度分級控制；在區(qū)間作業(yè)和限速區(qū)段，采用速度連續(xù)控制。當軌道車速度達到控制模式曲線時，GYK對軌道車實施常用制動、熄火及緊急制動，防止軌道車 “兩冒一超”。

2 GYK遠程傳輸系統(tǒng)

GYK遠程傳輸系統(tǒng)結(jié)合了IT、電子信息領域等先進技術，利用網(wǎng)絡資源，建立了基于2G、3G、4G移動公網(wǎng)和GSM－R鐵路專網(wǎng)的車載遠程數(shù)據(jù)傳輸平臺。利用這個數(shù)據(jù)傳輸平臺，可以實現(xiàn)GYK設備與地面系統(tǒng) （服務器）之間的無線數(shù)據(jù)信息交互功能。

GYK遠程傳輸系統(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)服務器和PC客戶端。地面數(shù)據(jù)服務器實時分析，并保存遠程終端傳回的運行記錄數(shù)據(jù)、設備質(zhì)量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息。

圖2 GYK遠程傳輸系統(tǒng)組成框圖

2．1 地面數(shù)據(jù)服務器功能

GYK遠程傳輸系統(tǒng)中，地面數(shù)據(jù)服務器將GYK基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)等信息，通過網(wǎng)絡發(fā)送給車載終端，車載終端實時查詢、接收地面數(shù)據(jù)服務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設備；GYK設備用接收到的GYK基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)，來更新GYK設備中的相應數(shù)據(jù)。地面數(shù)據(jù)服務器應具備以下功能。

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

2．網(wǎng)絡故障診斷顯示功能。服務器設備實時監(jiān)測2G、3G移動公網(wǎng)連接狀態(tài)，網(wǎng)絡發(fā)生故障或欠費時，通過網(wǎng)絡狀態(tài)欄顯示網(wǎng)絡故障狀況。

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

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

5．車載終端設備在線、離線狀態(tài)實時顯示功能。對在線車載終端設備和離線車載終端設備的狀態(tài)，以不同的顏色進行區(qū)分。

6．數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。服務器監(jiān)測到網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)時，會自動進行接收并保存；當服務器監(jiān)測到發(fā)送區(qū)有數(shù)據(jù)時，自動將數(shù)據(jù)發(fā)送給當前在線的車載終端設備。

7．數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳、續(xù)接功能。在數(shù)據(jù)傳輸或接收過程出現(xiàn)網(wǎng)絡中斷時，服務器會暫停數(shù)據(jù)傳輸或接收，等網(wǎng)絡正常后繼續(xù)傳輸或接收先前未傳輸或接收完的數(shù)據(jù)。

8．USB轉(zhuǎn)儲功能。用具有USB接口的專用轉(zhuǎn)儲設備，可以轉(zhuǎn)儲服務器上的數(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，查看設備質(zhì)量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在線分析、GYK遠程實時監(jiān)測、發(fā)布基本數(shù)據(jù)等GYK數(shù)據(jù)、制定換裝計劃、GYK運行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、運行揭示上傳等功能。PC客戶端應具備以下功能。

1．用戶進入登錄界面，正確輸入賬戶和密碼后，進入PC客戶端界面。

2．實時信息查看功能。用戶可實時查看軌道車編號、司機號、副司機號、車次、速度、管壓、燈型、車站號、交路號等運行信息。

3．故障信息及版本信息查看功能。用戶可實時查看軌道車故障信息及版本信息。

4．運行記錄查看功能。用戶可在線分析、下載地面數(shù)據(jù)服務器中的GYK運行記錄數(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)服務器，地面數(shù)據(jù)服務器將公告信息發(fā)送到車載終端 ，以便司乘人員核對揭示數(shù)據(jù)內(nèi)容及版本信息。

6．數(shù)據(jù)傳輸功能。用戶可遠程對GYK設備進行揭示數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)的升級，及GYK運行記錄數(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，可實時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遠程傳輸系統(tǒng)的核心組成部分，主要負責實時監(jiān)測GYK記錄數(shù)據(jù)、設備質(zhì)量數(shù)據(jù)及其他狀態(tài)信息并進行分類處理。車載終端通過CAN總線與GYK設備通信，將GYK設備產(chǎn)生的運行記錄文件數(shù)據(jù)及GYK工況信息，通過移動公網(wǎng)和GSM－R鐵路專網(wǎng)傳輸給地面數(shù)據(jù)服務器。

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、存儲單元。硬件組成框圖如圖3所示。

圖3 車載終端設備硬件組成框圖

1．電源單元采用性能可靠的開關電源模塊，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)務基于移動公共網(wǎng)絡或GSM－R鐵路專網(wǎng)進行傳輸。傳輸模塊單元通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，承載地面數(shù)據(jù)服務器和車載終端設備的通信，及數(shù)據(jù)信息交換的功能。

3．控制單元是車載終端設備的核心單元，主要負責實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組打包、分析處理、網(wǎng)絡狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳、續(xù)接等功能，控制單元的核心處理器選用工業(yè)級的高性能CPU。

4．存儲單元如車載終端設備的數(shù)據(jù)庫，主要負責存儲從服務器接收到的數(shù)據(jù)、將要發(fā)送給服務器設備的數(shù)據(jù)，以及保證車載終端設備正常啟動和運行所需的操作系統(tǒng)和應用程序等數(shù)據(jù)。因此存儲單元須具備存儲容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失等特點。

2．4 車載終端功能

1．GYK設備軟硬件版本及故障信息采集功能。

2．數(shù)據(jù)存儲功能。對接收到的和將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行存儲。

3．網(wǎng)絡故障診斷指示功能。終端設備實時監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)，網(wǎng)絡發(fā)生故障 （如繁忙、無信息等）時，通過網(wǎng)絡故障狀態(tài)指示燈給予顯示。

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

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

6．數(shù)據(jù)分析處理功能。對接收的數(shù)據(jù)包信息進行判斷分析處理 （校驗），若數(shù)據(jù)包信息正確進行存儲，否則刪除并請求重發(fā)。

7．請求重發(fā)功能。接收到錯誤數(shù)據(jù)包或損壞的數(shù)據(jù)包時，會請求服務器重發(fā)此數(shù)據(jù)包。

8．數(shù)據(jù)斷點續(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)絡中斷時，車載終端設備會暫停數(shù)據(jù)傳輸或接收，等網(wǎng)絡正常后繼續(xù)傳輸或接收先前未傳輸或接收完的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應用整合

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

3．1 車載終端配置

經(jīng)大量現(xiàn)場試驗得出的結(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。車載終端主機設置專用的航空插座與GYK主機通過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制

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

1．數(shù)據(jù)分組打包、校驗處理機制。服務器設備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，對數(shù)據(jù)進行分組并打包，對每一包數(shù)據(jù)進行CRC冗余校驗。

2．數(shù)據(jù)斷點續(xù)傳、續(xù)接機制。由于服務器設備實時在線監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)，當網(wǎng)絡出現(xiàn)異?，F(xiàn)象（如：信號非常弱已無法傳輸數(shù)據(jù)信息、網(wǎng)絡中斷、網(wǎng)絡故障等）時，服務器設備會暫停數(shù)據(jù)發(fā)送，并對已發(fā)送成功的數(shù)據(jù)進行標記，等待網(wǎng)絡恢復正常后繼續(xù)發(fā)送未發(fā)送完的數(shù)據(jù)信息。

3．請求重發(fā)機制。車載終端設備接收到每包數(shù)據(jù)后，進行CRC冗余校驗，如果CRC冗余校驗成功，車載終端設備給服務器設備發(fā)送當前數(shù)據(jù)包接收成功信息；如果CRC冗余校驗失敗，車載終端設備一方面將當前數(shù)據(jù)包信息丟棄，另一方面給服務器發(fā)送請求重發(fā)命令，請求服務器設備重新發(fā)送當前數(shù)據(jù)包信息。

4．雙網(wǎng)絡數(shù)據(jù)對比、校驗機制。從地面數(shù)據(jù)服務器下發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)由兩路網(wǎng)絡通道由車載終端接收后再傳輸?shù)紾YK設備，GYK設備接收完數(shù)據(jù)后將兩路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行完整性校驗和對比，如果兩路網(wǎng)絡接收到的數(shù)據(jù)校驗正確而且完全相同，則認為數(shù)據(jù)完整可靠，從而可對GYK設備進行數(shù)據(jù)升級。否則不予升級。

5．地面數(shù)據(jù)服務器由于需24h不間斷運行且涉及到車輛運行安全，應由專業(yè)可靠的數(shù)據(jù)服務團隊提供維護和保障服務。采用專業(yè)級別的軟硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)防火墻，網(wǎng)絡主干及重要軟硬件須采用冗余設計，確保系統(tǒng)杜絕黑客、病毒的外來因素干擾數(shù)據(jù)運行安全。

3．3 系統(tǒng)硬件要求

根據(jù)現(xiàn)場試驗反饋信息，為保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其中車載終端技術參數(shù)應滿足以下要求：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)存儲容量。

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

4 試驗考核情況

廣州鐵路集團公司于2013年下半年起，組織管內(nèi)電務、工務、供電段及設備生產(chǎn)廠家利用GYK遠程傳輸系統(tǒng)，對GYK基本數(shù)據(jù)及DMI程序升級、揭示傳輸數(shù)據(jù)回傳做了大量試驗，在試驗期間 （2013年9月10日－10月31日，2014年2月10日－3月28日），通過遠程換裝功能累計換裝次數(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20次），遠程達示傳輸25條，運行記錄回傳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行，項目已于2015年5月通過廣鐵 （集團）公司科技成果技術評審。該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了GYK數(shù)據(jù)遠程升級、GYK揭示命令上傳、GYK運行文件回傳以及遠程故障智能分析等功能，大大地提升了遠程換裝的工作效率，并根據(jù)用戶實際使用需求對系統(tǒng)功能進行了調(diào)整，經(jīng)過不斷的完善和改進，GYK遠程傳輸系統(tǒng)各項功能日趨正常、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、車輛位置定位精確、設備質(zhì)量可靠，能夠有效解決GYK設備基本數(shù)據(jù)、揭示數(shù)據(jù)、程序無法及時更新，以及運行記錄數(shù)據(jù)無法及時回傳的問題，符合路局、電務處等各級管理部門和使用部門的實際使用需求。

總體來說，GYK遠程傳輸系統(tǒng)在試驗階段運行情況良好：實現(xiàn)了電務、供電、工務等主管部門對GYK設備的實時監(jiān)控、遠程管理的預期目標。該系統(tǒng)的設計理念及應用，轉(zhuǎn)變了過去由人工攜帶GYK數(shù)據(jù)到現(xiàn)場進行逐臺升級的局面。管理人員可運用遠程傳輸系統(tǒng)在客戶端遠程對GYK設備進行基本數(shù)據(jù)換裝、DMI程序升級、GYK運行記錄數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲操作，減少了GYK數(shù)據(jù)換裝人員的工作量，保證了數(shù)據(jù)換裝的準確性。因此，GYK遠程傳輸系統(tǒng)能安全有效地實現(xiàn)GYK數(shù)據(jù)的遠程傳輸、運行記錄數(shù)據(jù)的回傳分析，有效解決了長期困擾軌道車數(shù)據(jù)換裝時效性及運行文件回傳等難題，節(jié)省了大量的人力物力，提高了管理部門的工作效率。是一項具有重大經(jīng)濟效益和能為鐵路運輸提供安全保駕的實用性產(chǎn)品。

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

［2］ 中國鐵路總公司．鐵總運［2014］2號．軌道車運行控制設備暫行技術條件［S］．2014．

［3］ 中國鐵路總公司．鐵總運［2015］46號．軌道車運行控制設備運用維護管理辦法［S］．2015．