適用于高速綜合檢測列車的無線數據傳輸系統

■ 邢小琴

我國GSM-R系統的首要任務是保障與行車安全相關的列車控制信息傳輸，因此鐵道部對該網絡的使用制定了嚴格的規范控制。為滿足行業內越來越多的通信業務需求，在保障安全的前提下，開始使用無線公網進行數據傳輸。如在動車組司機室內安裝GPRS（中國移動）無線數據傳輸終端，將車載設備操作及運行狀態監控數據實時傳輸到地面控制中心，便于及時了解列車運行狀態，并作為動車組調度、檢修的重要依據。對于保障鐵路運營安全的高速綜合檢測列車，也迫切需要利用無線網絡將檢測數據實時傳輸到地面數據分析處理中心，以便及時處理，及早發現安全隱患。這方面的應用在國內外還未有相關的研究，亟待發掘。未來，如何進行鐵路沿線尤其是高速鐵路沿線的3G/4G等公共通信網絡覆蓋和優化，在高速環境下保障可靠的數據通信，有效利用各種無線網絡資源服務于鐵路行業等問題還有待深入研究。

1 數據傳輸需求

高速綜合檢測列車在保障鐵路運行安全方面起著非常重要的作用。通過將各專業檢測系統集成于1輛車上，可同時對鐵路沿線軌道、弓網、通信、信號等基礎設施狀態進行時空同步檢測。從高速鐵路的安全管理和運行維護出發，檢測產生的大量數據，尤其是發現的嚴重病害數據、超限報警數據及列車運行關鍵信息，需及時發送到地面數據分析處理中心進行處理。一般通過電話或郵件方式進行車-地間信息或數據傳遞。而對于完成一個交路或一個檢測計劃任務后所形成的大量檢測數據，則只能通過檢測人員刻盤或存儲到移動硬盤的方式帶回到數據分析處理中心。該方式使檢測數據得不到及時分析處理、延誤養護維修時機，危及列車運行安全。如何將這些檢測數據及時、準確地傳送到地面數據分析處理中心，已成為亟待解決的關鍵技術之一。

按照傳輸實時性要求，可將高速綜合檢測列車檢測數據分為兩類：一類是檢測過程中產生的嚴重病害數據、超限報警數據（統稱報警信息）和運行關鍵信息（包括列車運行線路、行別、速度、里程等信息）；另一類是檢測任務完成當日各專業所有檢測數據，這類數據一般較大，需要在高速綜合檢測列車完成檢測任務入庫停車后，及時傳輸到地面數據分析處理中心。高速綜合檢測列車各個專業檢測數據統一存儲到綜合數據管理服務器上，進行統一管理，并定義了專用數據接口協議。

2 系統方案設計

通過考察鐵路沿線尤其是京滬高速鐵路沿線各種無線通信網絡覆蓋特點，提出綜合采用短消息（GSM）、3G（中國電信、中國聯通）網絡及鐵路GPRS網絡將報警信息、運行關鍵信息實時傳送到地面數據分析處理中心，并通過短消息方式將緊急報警信息發送到相關負責人的手機上，同時高速綜合檢測列車也可及時接收到地面數據分析處理中心發送的指令。采用“WLAN+鐵路數據網”方式實現大量檢測數據的及時傳輸。在高速綜合檢測列車停靠的動車庫建立通信中轉站，一方面可與高速綜合檢測列車通過WLAN網絡建立無線鏈路連接，另一方面通過鐵路數據網與地面數據分析處理中心建立有線連接。當高速綜合檢測列車完成當日檢測任務入庫停車后，可自動建立WLAN無線網絡連接并將檢測數據發送到中轉通信服務器，該服務器接收到完整檢測數據后，自動上傳到地面數據分析處理中心通信服務器。

3 系統結構組成及功能特點

從系統整體構成上劃分，車-地無線數據傳輸系統由3部分組成（見圖1）。車載通信子系統由通信服務器、車載天饋系統和無線通信模塊組成。負責與車載綜合數據服務器連接，從中自動獲取待發送數據，并完成將各類檢測數據分級、分類處理后，選擇最佳網絡（信道）發送到地面數據分析處理中心的功能。地面基地站通信中轉子系統由通信服務器、WLAN無線通信模塊、WLAN寬帶天線組成。通信中轉服務器通過WLAN無線網絡自動接收高速綜合檢測列車傳輸的大批量檢測數據，再經鐵路數據網上傳到地面數據分析處理中心。北京地面數據分析處理中心通信子系統主要由公網、專網通信服務器組成，負責接收、存儲檢測列車發送的各類檢測數據。

系統主要實現如下功能：

（1）檢測報警信息、關鍵運行信息的實時傳輸功能。系統中綜合使用3G網絡、鐵路GPRS網絡及GSM網絡，可根據運行線路的網絡覆蓋及信道容量實時監測情況，自適應選擇最佳信道進行傳輸，在現有條件下最大限度保證數據傳輸的實時性和可靠性。

（2）大容量檢測數據的到站傳輸功能。

（3） 提出一套適用于高速綜合檢測列車數據傳輸的優先級算法，保證高優先級數據的優先傳輸。

（4）為保證數據安全、可靠傳輸，對數據進行加密/解密、壓縮/解壓縮運算。

（5）適應高速綜合檢測列車的數據接口協議，系統可自動獲取需要發送的各類數據，地面數據分析處理中心通信設備可將接收到的數據自動存儲到相應的數據庫中。

4 系統傳輸網絡結構及實現

4.1 鐵路GPRS專網在系統中的應用實施

圖1 系統總體結構

圖2 基于鐵路GPRS網絡的車-地數據傳輸拓撲

基于鐵路GPRS網絡的車-地數據傳輸拓撲見圖2。車載端配置鐵路GPRS網絡通信模塊，在地面數據分析處理中心設置通信服務器，并接入鐵路GPRS專用網絡。鐵路GPRS網絡的使用首先需要向鐵道部運輸局通信處上報系統設計方案、傳輸內容、傳輸數據大小等，同時申請以下內容：（1）數據分析處理中心通信服務器與北京鐵路局機房MGRIS服務器的鐵通專線連接；（2）申請GPRS數據傳輸專用SIM卡1張，用于車載GPRS無線終端，用于數據傳輸的每張SIM卡需綁定一個固定IP地址；（3）申請為數據分析處理中心通信服務器分配一個固定IP地址。

4.2 “WLAN+鐵路數據網”在系統中的應用實施

基于“WLAN+鐵路數據網”的數據傳輸網絡拓撲見圖3。在車載端配置WLAN無線通信模塊，在列車停靠的動車庫配置通信中轉服務裝置（需同時連接WLAN無線網絡和鐵路數據網），在地面數據分析處理中心配置數據接收通信服務器（連接鐵路數據網）。WLAN無線網絡的布置和鐵路數據網的使用首先需要向鐵道部上報設計方案。該方案的制定可由北京鐵路通信技術中心協助完成，方案內容包括中轉通信服務子系統安裝地點選擇、安裝設備清單、具體施工方案及鐵路數據網連接起始點、相關網絡設置及連接起始點的固定IP地址分配。

圖3 基于“WLAN+鐵路數據網”的數據傳輸網絡拓撲

圖4 基于公網的實時數據傳輸網絡拓撲

4.3 3G公網在系統中的應用實施

基于公網的實時數據傳輸網絡拓撲見圖4。在車載端配置3G網絡無線通信模塊，在地面數據分析處理中心設置通信服務器（接入互聯網專線）。該網絡使用相對簡單，按照車載端無線通信模塊的配置采購相應的SIM卡（本系統使用中國聯通、中國電信3G網絡）。地面數據分析處理中心互聯網接入采用中國聯通專線，需要固定IP地址。

5 結束語

適用于高速綜合檢測列車的無線數據傳輸系統已實現所有設計功能，該系統可最大限度地利用鐵路沿線各種無線網絡資源，實現報警信息、運行關鍵信息的實時傳輸；采用“WLAN+鐵路數據網”的方式實現當日檢測數據的及時傳輸；適應高速綜合檢測列車專用檢測數據接口協議，滿足高速綜合檢測列車的數據傳輸需求；為京滬高速鐵路的安全運行和綜合科學化管理提供有力的輔助技術手段。

[1] 賈志凱，韓激揚，呂赫. 動車組車載信息車地間數據傳輸協議集的設計[J]. 鐵路計算機應用，2011，20(5)：15-17