基于5G技術(shù)的動車組車載數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊春輝，孫 鵬，程 凱

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

5G技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，具有大容量、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低時延等特點(diǎn)，在增強(qiáng)移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和超高可靠、超低時延通信場景存在典型應(yīng)用，其增強(qiáng)移動寬帶和超高可靠、超低時延通信應(yīng)用場景與動車組智能運(yùn)用檢修的建設(shè)發(fā)展目標(biāo)極為契合。構(gòu)建安全、可靠、高效的動車組智能運(yùn)維體系，是實(shí)現(xiàn)智能動車組的安全風(fēng)險超前防范和定制化精準(zhǔn)維修，保障行車安全和運(yùn)維效率的基礎(chǔ)[1-2]。

動車組車載數(shù)據(jù)分為實(shí)時數(shù)據(jù)和非實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)時數(shù)據(jù)主要是對運(yùn)行動車組故障、運(yùn)行參數(shù)、實(shí)時位置數(shù)據(jù)的定期采樣，通過2G或者4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時傳輸，非實(shí)時數(shù)據(jù)則記錄了完整的過程數(shù)據(jù)，通過手動復(fù)制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)下載分析[3-5]。結(jié)合實(shí)際的業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)踐，目前，車載數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控主要面臨以下挑戰(zhàn)：

（1）車載數(shù)據(jù)傳輸速率慢，監(jiān)控報警存在延時；

（2）傳輸內(nèi)容數(shù)據(jù)量受限，不利于全面分析動車組車載狀態(tài)；

（3）并發(fā)傳輸能力不足，高峰時期影響傳輸速率。

車載數(shù)據(jù)傳輸因受制于既有網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)全量車載數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)移動寬帶、超高可靠、低時延通信能力，全面提升速率、時延、覆蓋等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，本文提出將全量車載數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給地面監(jiān)控系統(tǒng)，形成適合動車組車載實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用的5G技術(shù)應(yīng)用方案，以更好地支持動車組運(yùn)行狀態(tài)的管理分析，提升動車組運(yùn)營安全水平和檢修效率。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用5G技術(shù)的車載數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于5G技術(shù)的車載數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

動車組利用5G技術(shù)將車載全量運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)通過機(jī)輛信息管理平臺和一體化集成平臺傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，在基礎(chǔ)層進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，通過平臺層的數(shù)據(jù)解析、抽取，形成數(shù)據(jù)倉庫，為用戶提供動車組運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時故障報警關(guān)聯(lián)分析和大數(shù)據(jù)智能預(yù)測分析應(yīng)用服務(wù)。

1.1 基礎(chǔ)層

動車組車載數(shù)據(jù)借助5G網(wǎng)絡(luò)通過機(jī)輛信息管理平臺和一體化信息集成平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸，基礎(chǔ)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收及原始數(shù)據(jù)的存儲。為應(yīng)對車載數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)量的傳輸特性，在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，通過負(fù)載均衡機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的均衡、高效處理。

機(jī)輛信息管理平臺在將動車組車載數(shù)據(jù)傳輸?shù)絼榆嚱M車載數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控系統(tǒng)的同時，也將數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)發(fā)到機(jī)輛造修企業(yè)，便于機(jī)輛造修企業(yè)分析動車組運(yùn)行狀態(tài)，為后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)制造提供支撐。

1.2 平臺層

平臺層對基礎(chǔ)層原始數(shù)據(jù)解析、分析后，將數(shù)據(jù)按照不同業(yè)務(wù)場景需求進(jìn)行多層次數(shù)據(jù)抽取，結(jié)合外部數(shù)據(jù)接口等進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合，根據(jù)上層應(yīng)用的具體需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)倉庫，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。

平臺層作為中間層，在實(shí)時數(shù)據(jù)處理過程中，通過采用消息處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時處理，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)的積壓，保障上層動車組車載數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層通過平臺層的數(shù)據(jù)倉庫獲取數(shù)據(jù)源，通過直觀可視化方式為鐵路企業(yè)用戶提供應(yīng)用訪問服務(wù)。

通過對動車組車載全量數(shù)據(jù)的深入分析，實(shí)現(xiàn)對動車組運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時故障報警關(guān)聯(lián)分析和大數(shù)據(jù)智能預(yù)測分析功能，為用戶提供處置建議和決策參考。

2 系統(tǒng)功能

2.1 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控

對全量車載運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)的解析和抽取，可直觀反應(yīng)動車組實(shí)時的運(yùn)行狀態(tài)，包括動車組牽引、制動、軸溫、車門、空調(diào)等多個子系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過實(shí)時參數(shù)快照、重點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控等功能，可以使鐵路局集團(tuán)公司用戶實(shí)時、直觀地獲取最新動車組運(yùn)行情況[6]；通過故障數(shù)據(jù)，鐵路局集團(tuán)公司用戶可實(shí)時掌握動車組故障報警信息，及時進(jìn)行分析和處置。

通過實(shí)時監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，可大幅提高故障發(fā)現(xiàn)率，降低行車事故的發(fā)生，加快處置速度，有力地支持運(yùn)輸安全生產(chǎn)。

2.2 實(shí)時故障報警關(guān)聯(lián)分析

借助于5G網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)移動寬帶和高可靠、低時延通信能力，提升車載數(shù)據(jù)傳輸通道的傳輸速率和傳輸容量等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，車載設(shè)備可將全量數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)降孛娣?wù)器，在故障發(fā)生時，通過對相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的整合，實(shí)現(xiàn)對故障原因更精準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)分析，分析處理流程，如圖2所示。

對車載故障進(jìn)行跟蹤分析時，可調(diào)取該故障發(fā)生時刻一段時間內(nèi)動車組詳細(xì)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，對故障發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行深入分析和排查，為避免發(fā)生類似故障提供更多有價值的數(shù)據(jù)支撐[7-8]。

圖2 動車組故障報警關(guān)聯(lián)分析處理流程

2.3 大數(shù)據(jù)智能預(yù)測分析

大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用依賴海量數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)支撐，5G技術(shù)的增強(qiáng)移動帶寬能力可滿足車載全量數(shù)據(jù)的傳輸，給大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，動車組車載數(shù)據(jù)包含的狀態(tài)信息及環(huán)境參數(shù)可直觀反應(yīng)動車組的工作狀況，通過對3 000余列動車組車載數(shù)據(jù)的抽取、分析，形成數(shù)據(jù)倉庫，為大數(shù)據(jù)智能預(yù)測分析提供數(shù)據(jù)和工具支撐，數(shù)據(jù)倉庫包含的數(shù)據(jù)及預(yù)測分析結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)倉庫及預(yù)測分析結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)倉庫的3層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和細(xì)化。

（1）原始數(shù)據(jù)解析后形成的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和軌跡位置數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)明細(xì)層；

（2）將運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)進(jìn)行部件級的整合形成數(shù)據(jù)中間層，數(shù)據(jù)中間層可對部件的狀態(tài)有更全面的感知；

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)車輛級、線路級等數(shù)據(jù)的整合，為智能預(yù)測分析提供完整的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)測報警。從而可提前采取相關(guān)措施，掌握動車組質(zhì)量性能演變及故障發(fā)生規(guī)律，實(shí)現(xiàn)智能分析和超前預(yù)警監(jiān)控，進(jìn)一步保障動車組的安全運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 增強(qiáng)帶寬技術(shù)

既有車載數(shù)據(jù)傳輸是將定時采樣的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，全量車載數(shù)據(jù)是在動車組進(jìn)入動車運(yùn)用所后再通過WLAN方式進(jìn)行下載，其數(shù)據(jù)量比定時采樣大得多。5G技術(shù)通過采用高頻段通信及大規(guī)模天線陣列等技術(shù)，能顯著提高無線網(wǎng)絡(luò)信號、數(shù)據(jù)傳輸容量和頻譜利用率，其上行用戶體驗(yàn)速度可達(dá)到50 Mbps以上，將全量車載數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)更全面、更完整的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

3.2 高可靠低時延技術(shù)

動車組在運(yùn)行過程中，存在動車組高速移動、信號基站頻繁切換等問題，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜多變，車載數(shù)據(jù)傳輸需要保證在復(fù)雜環(huán)境下的高可靠性且網(wǎng)絡(luò)時延盡可能低。針對高可靠性、低時延的要求，5G技術(shù)可在終端與網(wǎng)絡(luò)建立雙通道，兩條通道互為備份，確保連接的可靠性，5G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的端到端時延約為4G的1/5，達(dá)到1～10 ns，支持的移動速度高達(dá)500 km/h等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴⒌蜁r延要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

動車組車載數(shù)據(jù)可直觀反應(yīng)動車組的運(yùn)行狀態(tài)，對于動車組運(yùn)行安全具有重要參考價值，同時也存在數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險，通過5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可為車載數(shù)據(jù)傳輸提供專用網(wǎng)絡(luò)通道，保證數(shù)據(jù)安全的同時，也可在應(yīng)急指揮調(diào)度情況下優(yōu)先安全接入，實(shí)現(xiàn)相對獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，進(jìn)一步保障動車組運(yùn)行安全[9-10]。

4 結(jié)束語

將5G相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到動車組車載數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，大幅提升了動車組車載數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅芗氨O(jiān)控系統(tǒng)的功能，綜合利用5G技術(shù)可將更加豐富的車載數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控服務(wù)器，為進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)決策分析研究建立基礎(chǔ)。后續(xù)可重點(diǎn)圍繞車載數(shù)據(jù)分析和大數(shù)據(jù)預(yù)測分析開展研究及應(yīng)用，提升動車組故障預(yù)測分析能力，更好地保障動車組行車安全。