青藏線ITCS車地通信故障智能分析系統研究

冶文慶 魏翠萍 何鵬

青藏線GSM-R網絡承載著ITCS列控業務，會受到無線電磁環境、設備故障等多方面的影響，導致承載業務不定期出現通信故障，從而直接影響正常行車的安全秩序。目前維護人員主要通過每日接口監測數據查看、GSM-R網管系統故障分析和通信超時故障分析等方式來判斷GSM-R網絡故障或無線電磁環境干擾等，通過設備維護、網絡優化調整、外網干擾清除等手段進行整治處理，避免后續ITCS通信故障的發生。但由于青藏線ITCS通信故障分析研判過程中涉及的GSM-R網管系統、接口監測系統和ITCS地面系統運行相對獨立，因此需要人工從各個獨立系統提取數據后逐一分析、綜合研判，導致人工分析數據工作量大、故障原因判斷不及時、后續整治處理遲滯等問題，越來越難以適應鐵路信息化發展的需求。為此，本文引入智能分析方法，設計并實現了ITCS系統車地通信故障智能分析系統，旨在對各系統數據進行整合并深入挖掘，對通信故障原因進行分析，對各網元的運行狀態進行統計及預判，并及時給出建議，從而提高通信故障處理效率，加強ITCS通信系統的運用質量。

1 智能分析方法

智能分析方法遵從智能化處理的軟件設計理念，綜合利用監測、通信、存儲、計算等技術構建信息系統，通過信息系統實現一系列的通信故障分析處理工作，替代大量的人工重復勞動，提高工作質量和效率。進行智能分析，首先需要的是原始數據，一般用于故障分析的數據包括接口監測數據、車載日志和ITCS數據。目前不同鐵路系統提供的數據分散，利用通信技術手段可將數據自動匯集到同一個數據處理中心，減少中間環節；同時，可根據大量的實踐經驗構建分析算法和案例庫，直接提取原始數據進行分析，不僅能夠準確地分析通信故障原因，而且能夠對通信系統的運行狀態進行統計分析，提供趨勢性預測和處理建議，指導維護人員的下一步工作。

2 系統需求分析

青藏線GSM-R系統原有接口監測系統投入使用較早，存在系統架構落后、功能不完善、無法實現綜合智能分析、操作體驗差等不足，導致維護人員日常數據統計分析工作量大，容易人為忽略關鍵故障信息等。為了更好地將智能分析處理技術應用在ITCS通信故障分析處理中，通過現場深入調研，總結相關需求如下。

1）智能分析系統應整體提供良好的用戶體驗，杜絕卡頓、閃退等軟件bug。

2）應優化數據庫結構，大幅提升數據查詢速度。

3）實時監控網絡連接和服務器性能，優化告警處理，對系統維護提出針對性建議。

4）智能分析系統應最大限度地實現自動化、智能化，基于大數據實現相關網元運行情況的趨勢預判功能。

5）增加對GSM-R網絡的無線干擾監測，能夠實時監測關鍵站點的電磁環境變化，為智能分析系統提供干擾監測數據，更準確地定位通信故障原因。

3 智能分析系統的設計與實現

3.1 硬件結構及功能

ITCS車地通信故障智能分析系統（以下簡稱智能分析系統）是各類通信及監測數據的分析處理中心，通過該系統能夠從大量的數據中發掘有價值的信息，并進行分析統計后呈現給用戶；能夠掌握ITCS系統的整體運行狀態，對通信異常情況進行報警，自動分析通信故障并生成分析報告。智能分析系統由數據傳輸網絡、分析處理中心和智能應用終端組成。智能分析系統硬件結構見圖1。

3.1.1 數據傳輸網絡

智能分析系統通過專屬的數據傳輸網絡與其他能夠提供原始分析數據的系統互聯，將車載日志、監測數據、ITCS數據等通過有線或者無線的方式傳輸至分析處理中心進行存儲。

1）有線接入功能。數據傳輸網絡通過接入交換機實現有線接入功能，接入交換機可安裝各類接口模塊，亦可配合使用光電轉換模塊、2M模塊、協議轉換器等，支持以太網接口、2M接口和光纖接口的接入，以滿足與各類鐵路應用系統的互聯。

圖1 智能分析系統硬件結構

2）無線接入功能。數據傳輸網絡通過2種方式實現無線接入：一是將有線網絡通過鐵路數據網延伸至有無線接入需求的站段，在站段范圍內使用無線AP建立無線局域網，車載設備可接入無線局域網上傳數據；二是使用公眾移動網連接，在接入公網的兩端設備之間建立專用的VPN通道進行通信。

3.1.2 分析處理中心

分析處理中心作為智能分析平臺，對各類數據進行集中存儲管理，通過數據挖掘、智能分析、綜合統計等數據處理方法獲取有價值的信息，主要有以下3項功能。

1）數據存儲。采用分布式存儲方式建立數據倉庫，進行數據的統一存儲管理，有較強的安全性。存儲的數據包括原始數據、案例庫、智能分析數據、統計預測數據和基礎維護數據等。數據倉庫對不同的用戶進行數據操作權限管理，防止非法用戶任意修改數據。

2）預測統計。智能分析平臺利用大數據深度挖掘技術，對MT模塊和GSM-R網小區的無線性能進行分析和預測，自動篩選性能呈現惡化趨勢的MT模塊和GSM-R網小區，給出相關的處理意見，實現網絡狀態的趨勢預測與預警。同時根據路局要求格式，智能分析系統自動統計和生成月、季度、年報表，對GSM-R網絡運行情況進行綜合分析。

3）智能分析。實時對數據進行監測分析，根據通信故障特征進行比選，遇到通信異常后自動告警提示，對故障時間段采集數據進行處理，自動分析故障原因，輸出分析報告，補充和完善案例庫。

3.1.3 智能應用終端

智能應用終端通過網頁登錄系統界面，將處理結果展示給用戶，由管理人員對系統進行維護管理，主要實現以下功能。

1）結果展示。登錄系統后的人機界面全面、清晰地將分析處理結果展示給用戶，有較好的用戶體驗。預測統計數據能夠按時間、位置、網元等條件查詢，并以圖表形式直觀顯示；統計數據從不同維度進行對比，為用戶掌握通信系統運行情況提供準確指導；系統能自動檢測通信故障并生成分析報告，可供用戶查詢導出，對通信故障進行統計分析，將故障的趨勢預測展示給用戶。

2）異常告警。系統發現異常上報告警，終端以聲音和文字的形式發出提示，并對告警處理情況進行記錄；歷史告警可以按時間、類型等條件查詢。

3）維護管理。維護管理功能包括用戶權限管理、系統狀態監控、配置數據管理等，根據使用環境的變化不斷地對系統進行維護，保證系統的安全性和可用性。

3.2 軟件結構及功能

智能分析系統建立在分布式集群平臺上，集群平臺利用分布式處理技術將多臺硬件設備提供的數據存儲、計算處理等資源整合為一體，具有較強的數據處理能力。通過數據傳輸技術將車載日志、監測數據、ITCS數據匯集到智能分析系統的數據倉庫，并按統一的格式進行存儲管理；將典型的故障處理案例存入系統案例庫，按故障類型設置特征參數，便于進行智能比對分析；對故障分析方法進行數學建模，轉化為智能分析算法，能夠從數據倉庫提取數據進行篩選和挖掘，進一步比對故障案例庫，準確分析故障原因；最后將分析結果自動生成分析報告。系統軟件按照分層化、模塊化的方法設計，分為基礎層、中間件層和智能應用層。智能分析系統軟件架構見圖2。

圖2 智能分析系統軟件架構

基礎層在硬件平臺上安裝操作系統及數據庫軟件，構建上層軟件的開發環境，對數據進行收集管理，保證數據的快速處理和長期存儲；中間件層對數據進行挖掘分析、綜合統計，自動發現通信異常情況發出告警，利用智能分析算法進行故障分析，調閱案例庫進行比對，得出準確的分析結果；智能應用層主要提供人機交互接口，將各種智能分析結果展現出來，并能進行原始數據導入、案例庫更新、基礎數據管理等操作。

4 關鍵技術

4.1 無線干擾監測

由于無線環境具有開放性，容易受到干擾信號的影響，導致通信質量惡化、數據丟失率增加，此類原因引起的通信故障頻繁發生。無線干擾監測系統不僅可以加強對鐵路沿線電磁環境的管理，還可為通信故障分析提供重要的原始數據。無線干擾監測系統由天線陣、監測站、數據中心組成。天線陣具備寬帶信號接收、無線信號測向等功能，安裝在基站鐵塔二層平臺上，接收各個方向的信號；監測站對無線信號進行分析處理，進行干擾信號的識別和判決，并記錄干擾信號信息，作為進一步整治的依據；數據中心接收來自各個監測站的數據，實現數據綜合分析、多點監測交叉定位等功能。

無線干擾監測系統主要實現以下功能：①實時監測GSM-R無線信道質量，解析GSM-R服務小區及周邊小區參數；②掃描周邊的中國移動、聯通GSM900頻段無線網絡環境，測量公網信號參數、分析造成的干擾；③進行頻譜分析，發現GSM-R頻段帶內干擾及帶外潛在干擾；④識別干擾類型，記錄干擾信號I/Q數據；⑤發現干擾信號或者電磁環境異常時發出告警。

無線干擾監測系統結構見圖3。

4.2 數據處理技術

智能分析系統在處理軟件的支持下，將原始數據輸入內存處理后存入數據倉庫。為了保證對數據的快速處理，提升系統性能，采用多種數據處理技術對不同類型的數據進行處理存儲，包括內存數據處理、基礎數據管理和存儲數據庫。數據處理流程見圖4。

內存數據處理：智能分析系統需要對大量數據進行查詢、轉換和關聯等操作，特別是在一些對多并發、實時性要求較高的應用中，這些需求尤為常見。例如，網絡集中告警系統中的告警提示和展現功能，可充分采用內存隊列，減少與普通數據庫的I/O操作頻率，極大地提高了系統性能。

圖3 無線干擾監測系統結構

圖4 數據處理流程

基礎數據管理：基礎數據是圖形化顯示的根基，也是智能分析的關鍵參考信息，靈活方便的基礎數據管理，有利于轄區內網絡環境的展現，并能有效地提高故障分析的準確性。

存儲數據庫：存儲數據庫是保存大量原始數據和分析處理數據的倉庫，能夠按照特定數據結構對數據進行有序的組織和管理。有效的數據模型建模有利于大量數據的提取、對比和分析，實現高效的數據維護和功能模塊體驗，加快數據處理速度，提高系統的整體性能。

5 結束語

青藏線自開通已運營多年，其運維模式及系統應隨著相關技術更新而進行升級，日益向自動化、智能化發展，充分發揮大數據、智能化的技術優勢，形成高質量的運維模式，提升維護效率。ITCS系統車地通信故障智能分析系統將智能化處理技術應用到故障分析中，能夠大幅提高通信系統的維護效率，全面提升GSM-R無線網絡運用質量，為進一步降低ITCS通信故障率，保障正常行車安全秩序提供支撐。