基于物聯網技術的軌道電路軌旁設備強電危害監測系統研究

阮小飛 陳洪軒 徐金鵬 李躍進

軌道電路設備是鐵路信號系統中列車占用、行車控制及斷軌檢查的重要設備，其運行狀態會影響列車正常運行。軌道電路軌旁設備在鐵路沿線鋼軌側，所處環境的工況較為復雜，易受到軌旁的強電危害。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備發生斷路器跳閘、SPD（Surge Protection Device）擊穿短路等故障，按照“故障導向安全”原則，均可造成信號集中監測終端上出現“紅光帶”，需要維護人員去現場處理排查。而在現有條件下，由于無法事先獲得現場設備的具體故障數據和詳細狀態信息（危害源和入侵途徑的相關數據），排查人員在制定預案時缺少針對性，現場故障排查處理時間相對較長；而且由于缺少數據，技術人員在事后分析及整治方案制定時，難以給出具有針對性的實施對策。隨著鐵路運行里程的不斷增長，專業技術人員需要維護的設備和范圍都大幅增加，尤其是雷雨季節危害高發的時段，故障排查問題愈發突出。

考慮到軌道電路軌旁設備存在布置分散、取電困難、運行工況復雜等多種不利因素，本文設計了一種基于窄帶物聯網技術的軌道電路軌旁設備強電危害監測系統。該系統包括軌旁監測設備、云端設備和監測終端，實現了對SPD 壽命信息、開關量信息、雷電信息、工頻過電流信息等數據的實時監測。通過對采集到的數據進行統計、分析和處理，系統可以把結果實時反饋給用戶的監測終端。一旦現場發生故障，用戶可以通過系統反饋的數據信息對故障做出初步判斷，給出有針對性的預案。該系統能夠提高現場故障處理效率，減少現場故障對列車正常運行的影響時間。

1 系統構成

軌道電路軌旁設備強電危害監測系統構成如圖1 所示，主要由軌旁監測設備、云端設備及監測終端3 部分組成。其中，軌旁監測設備包括數據傳感、運算處理、本地存儲、云端通信單元；采用N-MBx 進行標記，表示N 站內的第x 臺軌旁監測設備。云端設備包含物聯網云平臺和云應用服務器二部分。物聯網云平臺是系統的數據中轉站，一方面， 通過窄帶物聯網（Narrowband-Internet of Things，NB-IoT）與軌旁監測設備通信，實現數據的上傳和下發；另一方面，將收集到的監測數據提供給云應用服務器。云應用服務器從物聯網云平臺獲取各站軌旁監測設備的數據信息，進行計算、處理和存儲，并把計算結果通過移動網絡分發給監測終端。監測終端是系統的人機交互單元，可通過圖形化的方式顯示給用戶。為了確保數據能夠安全存儲和有效管理，監測終端按照路局現有模式，分為局、段、車間和車站4 級。在監測終端中，不同級別的管理機構具備不同的權限。

圖1 軌道電路軌旁設備強電危害監測系統結構

2 軌旁監測設備

軌旁監測設備部署在鐵路沿線，應用環境復雜、位置分散，采用有線方式供電和通信較困難。為了確保監測系統運行安全、有效，在綜合考慮供電、能耗、散熱、通信等方面因素的前提下，充分與現場應用情況相結合，采用太陽能作為能源輸入，使用低功耗的NB-IoT 技術作為通信方式。

軌旁監測設備適配于軌道電路軌旁設備，從軌道電路軌旁設備內采集數據，其實現原理見圖2。考慮軌旁監測設備應用場景的特殊性，主要方案實現如下。

圖2 軌旁監測設備框圖

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

2）通信方案。采用NB-IoT 技術，避免有線方式引入的耦合干擾和實施難度。NB-IoT 模塊在常規情況下處于關機狀態，當現場滿足數據上傳條件時，MCU 將其喚醒，數據通過NB-IoT 模塊、運營商網絡上傳至物聯網云平臺。

3）數據上傳模式。為了盡可能降低功耗，數據上傳模式分為“定時上傳”“故障上傳”和“手動上傳”?！岸〞r上傳”指按照系統預設的周期，上傳系統中更新的數據；“故障上傳”是在系統中重要設備的狀態改變時實時上傳；“手動上傳”是給維護人員和調試人員的預留接口，便于現場操作。其中，“定時上傳”模式中間隔周期不變，但起點為任一種上傳模式的結束時刻。

4）開關量信息采集。系統中開關量信息包括箱門狀態、斷路器狀態和SPD 狀態。這些信息作為軌道電路軌旁設備狀態的重要指標，需要實時記錄并上傳。為了改善響應速度、功耗及優化資源分配，開關量信息由專門的STM32 進行存儲、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間短，能量主要集中在100 kHz 以內。鋼軌上典型的感應雷電流波形為10/200 us?？紤]到雷電流持續時間短且觸發時間難預知，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，經積分器處理后，由采樣頻率為10 Mb/s 的A/D 轉換模塊轉換成數字量?，F場可編程門陣列（FPGA）處理A/D 轉換后的雷電信息，其運算結果由主控板的MCU 進行計算、存儲、上傳和處理。本方案利用了FPGA 的高速和并行的運算能力，滿足了雷電流的瞬時采集和運算需求，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方案，采集參數包括工頻過電流的幅值和時間。工頻過電流的幅值范圍為1～200A，時間為工頻過電流持續時間。

7）人機交互。為了滿足現場調試、修改配置、查詢數據的需求，本文設計了2 種解決方案：①如圖3所示，軌旁監測設備內設置了由鍵盤、數碼管、指示燈組成的人機交互面板，通過鍵盤、指示燈和數碼管的不同組合方式，表示數據信息、配置信息、設備狀態等內容；②利用RFID 技術，通過外部射頻閱讀設備和內部射頻識別標簽進行讀寫操作，實現配置修改和數據查詢。在正常情況下，人機交互設備處于休眠狀態，可以降低系統功耗。

圖3 軌旁監測設備人機交互區域示意圖

8）數據存儲與讀取。軌旁監測設備內設置了滿足一個月數據存儲需求的Flash 單元。考慮到現場干擾和能源因素，減少數據存儲問題對系統決策的影響，本方案將存儲單元Flash 劃分成A、B 區。存儲時，系統對A、B 區同時進行寫數據。上傳前，系統對A 區和B 區的數據進行比對，若兩區數據相同，上傳A 區最后更新數據；若數據不同，上傳A 區上一條更新數據。當軌旁監測設備由于自身問題導致數據不能上傳時，維護人員可通過USB 接口現場讀取數據，使用電腦將數據上傳至云平臺。

9）溫濕度監測。在監測設備內設置溫濕度傳感器，對設備內的溫濕度進行監測?？紤]到功耗問題，溫濕度傳感器僅在軌旁監測設備喚醒時啟用。

3 云端設備

3.1 物聯網云平臺

綜合對比云平臺網絡覆蓋、開發難度及前期投入的情況，本系統選擇中國移動的OneNET 物聯網云平臺作為開發平臺。軌旁監測設備與OneNET平臺的信息交互見圖4。軌旁監測設備的數據按照Json 格式定義，通過LwM2M 協議與物聯網云平臺進行數據傳輸。物聯網云平臺按照物聯網卡的IMEI（International Mobile Equipment Identity） 號碼，分別存放軌旁設備的數據信息，并通過AT 指令，向軌旁監測設備下發時間同步信息和OTA 升級信息。

圖4 軌旁監測設備與OneNET 云平臺信息交互

3.2 云應用服務器

考慮到系統應用時的數據量、存儲空間、可定制化程度、運算及分發能力等需求，本系統按照“服務器+客戶端”模式進行架設，既可以滿足強電危害監測系統的定制化需求，將軌旁監測設備納入統一管理；又方便后續其他監測項目的接入，減少開發難度。

云應用服務器實現系統的數據獲取、存儲、運算、分發，信息管理及修改，時鐘同步等功能，具體如下。

1）獲取數據及存儲。云應用服務器按照固定周期，使用TCP 協議的GET 命令從物聯網云平臺獲取數據，把新獲取的數據和數據庫的現有數據做比對，存儲更新的數據，舍棄重復的數據。

2）處理數據。云應用服務器對從物聯網平臺獲取的數據，按照設定的規則進行統計、分析、拆分、重組等處理，把運算結果存儲在數據庫中，并定期對數據庫的信息進行轉存備份。

3）分發數據。當監測終端與云應用服務器連接時，云應用服務器會根據登錄賬號的權限信息和上次分發數據的時間標記，向監測終端推送更新的數據。

4）信息管理及修改。云應用服務器對整個系統中的設備數據信息、賬戶信息、報警信息、雷電信息、工頻信息、歷史信息等進行存儲和管理，實現信息查詢、賬戶及設備的添加、修改等操作。

5）時鐘同步。當監測終端和云應用服務器處于連接狀態時，云應用服務器下發授時指令，與監測終端時間同步。

4 監測終端

按照鐵路系統現有模式，監測終端分為局級、段級、車間級、站級4 種權限級別。不同權限級別的監測終端，只能查詢和管理權限允許范圍內的數據。

監測終端是維護人員獲取數據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、設備管理、綜合監控、告警信息、數據分析、歷史查詢等。數據信息以圖形化的方式展現，用戶可以直觀、清晰地查看登錄賬戶管轄范圍內，所有軌旁監測設備的實時工作狀態及報警信息。

5 信息數據安全措施

阿里、華為、騰訊等主流云服務器均通過了較高的安全認證，有系統性的數據防護措施，能夠保證數據的安全性。考慮到鐵路系統對云傳輸和存儲數據有更嚴格的安全性要求，該監測系統在用戶密碼、信息數據傳輸、數據庫文件等方面采取了加密措施，且增加了數據備份功能。強電危害監測系統信息數據安全措施見圖5。系統在日常使用中，如果出現信息數據被截獲、病毒入侵、數據庫文件被拷貝或惡意破壞等情況，能確保信息內容不泄露，用戶數據可恢復，進而保證信息數據的安全性。

圖5 強電危害監測系統信息數據安全措施示意圖

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

2）信息數據傳輸加密。為了保證數據傳輸的安全性，本系統采用密文方式傳輸消息。軌旁設備和OneNET 平臺之間通信采用LwM2M 協議，通過DTLS 算法進行加密處理；OneNET 平臺和云應用服務器之間通信采用HTTPS 協議，數據通過AES算法加密處理。云應用服務器和監測終端之間的傳輸內容為字節流，根據通信協議要求拼接字節流，并經過CRC 校驗和Base64 算法加密處理。

3）數據庫文件安全措施。數據庫加入用戶身份鑒別功能，且無需使用Root 和管理員權限登錄，即可防止非授權用戶對數據庫的惡意存取和破壞。系統對賬號密碼和數據信息采用MD5 算法加密后，再寫入數據庫，減少數據泄露的問題。

4）信息數據存儲備份。數據庫定期在云端和線下進行數據備份，即使出現病毒入侵、人為誤刪除、軟硬件故障等情況，數據也可恢復到任意備份點。

6 結論

1）本文基于窄帶物聯網技術，設計了一種軌道電路軌旁設備強電危害監測系統。該監測系統具有低功耗、無線傳輸的特性，實現了對軌道電路軌旁設備開關量信息、雷電信息、工頻過電流信息的監測，以及強電危害水平的量化分析。

2） 通過實驗室模擬雷電流和工頻過電流試驗，監測系統能夠有效過濾發生器充電和觸發時疊加在線路上的干擾，實時采集雷電流和工頻電流數據，并通過NB-IOT 上傳給云平臺。通過多通道示波器，比對監測系統和發生器本身的雷電流波形，監測系統采集的雷電流波形雖有部分尖脈沖疊加，但整體形狀和走勢與發生器本身波形一致，可以滿足現場應用需求。

3）在完成監測系統現場架設后，監測系統采集的實時信息可以為現場維護和故障處理提供幫助，從而提高現場處理故障效率。特別是監測系統提供的量化數據，便于技術人員在事后故障分析時發現問題原因，另外，隨著時間的累積和監測站點的增多，監測系統積累的大量數據，可為相關標準制定、設備測試等方面提供數據支撐和優化建議。