CRH380B動(dòng)車組千兆網(wǎng)關(guān)/萬(wàn)兆網(wǎng)關(guān)車載數(shù)據(jù)車地高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)技術(shù)測(cè)試研究

楊梁崇 王杰 王曉世 詹玉平 王博

摘 要 車載數(shù)據(jù)下載轉(zhuǎn)儲(chǔ)是動(dòng)車必備技術(shù)，5G能夠?qū)崿F(xiàn)段內(nèi)/站內(nèi)等列車低速移動(dòng)或短暫停留場(chǎng)景下，自動(dòng)完成列車數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ);從而降低人力成本，減少人為因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，保證車載數(shù)據(jù)完整、安全、高效地轉(zhuǎn)儲(chǔ)至地面存儲(chǔ)中心。5G技術(shù)可拓展性強(qiáng)，具有可持續(xù)性長(zhǎng)足發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)前計(jì)算機(jī)智能算法功能強(qiáng)大，利用人工智能技術(shù)可獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成專家系統(tǒng)的故障診斷及預(yù)測(cè)，評(píng)估系統(tǒng)未來(lái)的健康狀態(tài)、提出維修維護(hù)建議。

關(guān)鍵詞 CRH380B動(dòng)車組 車載數(shù)據(jù) 高速轉(zhuǎn)儲(chǔ) 車載TAU 軌旁RBS

中圖分類號(hào)：U27;TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）03-0007-04

1 前言

車載數(shù)據(jù)下載轉(zhuǎn)儲(chǔ)是動(dòng)車必備技術(shù)[1-2]，當(dāng)入庫(kù)后，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)被提取，并在分析設(shè)備上（通常是PC機(jī)并附帶有特定軟件）進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)操作[3-5]。這種操作屬于人工下載方式，其操作控制時(shí)間大概半小時(shí)，傳輸方式采用串行通信方式，即按位傳輸。數(shù)據(jù)下載量較大時(shí)（20組統(tǒng)計(jì)），可能會(huì)經(jīng)過(guò)9小時(shí)左右的時(shí)長(zhǎng)。人工下載完成后，接著數(shù)據(jù)中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析。然而，轉(zhuǎn)儲(chǔ)方式也有其缺點(diǎn)和局限性：人工進(jìn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)帶來(lái)的人工費(fèi)用較高，不經(jīng)濟(jì)，且花費(fèi)大量時(shí)間，浪費(fèi)人力物力，生產(chǎn)率較低等問(wèn)題，使其不切實(shí)際[6]。此外，非智能化帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是數(shù)據(jù)安全性無(wú)法得到保證，而且串口和網(wǎng)口相關(guān)設(shè)備極易損壞，因此，需要找到一種新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)技術(shù)來(lái)提升經(jīng)濟(jì)性。

2 測(cè)試研究

本研究測(cè)試試點(diǎn)為中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州西動(dòng)車，通過(guò)CRH380B/CRH5G型的動(dòng)車組來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)并進(jìn)行測(cè)試，以獲知本方法獲得數(shù)據(jù)的可行性。測(cè)試準(zhǔn)備階段，首先設(shè)備需要到位，例如車載Airflash天線、車載網(wǎng)關(guān)、軌旁基站、轉(zhuǎn)存服務(wù)器、萬(wàn)兆光口網(wǎng)卡、萬(wàn)兆口交換機(jī)等必備設(shè)備。然后準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)下載并考慮適合各種應(yīng)用接口下的人工轉(zhuǎn)儲(chǔ)方案，即5G車地高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)。這種通信系統(tǒng)共兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)融合協(xié)同，既有車載網(wǎng)絡(luò)，也有地面網(wǎng)絡(luò)。5G基站和高速緩存及回傳網(wǎng)絡(luò)屬于地面網(wǎng)絡(luò)，車載業(yè)務(wù)設(shè)備，車載網(wǎng)關(guān)及5G車載設(shè)備則屬于車載網(wǎng)絡(luò)。在CRH5G型的動(dòng)車組試驗(yàn)中，如果動(dòng)車處于車庫(kù)檢修狀態(tài)，那么使用5G設(shè)備能夠完成高速高效無(wú)線傳輸，數(shù)據(jù)中心在獲得數(shù)據(jù)后進(jìn)行智能專家診斷分析，不但可以監(jiān)控當(dāng)前可能存在的故障，還可以預(yù)測(cè)未來(lái)各類故障的概率，評(píng)價(jià)健康狀態(tài)進(jìn)而為其維修及維護(hù)提供基礎(chǔ)參考，加快維修工作進(jìn)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效及時(shí)的決策和管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)智能化高效運(yùn)維。

3 通信類型

AirFlash這款測(cè)試產(chǎn)品能夠接收和發(fā)送高頻毫米波為60赫茲，這種高頻毫米波從頻率來(lái)看，屬于帶寬較大的波[7]，在傳輸過(guò)程中對(duì)很多民用設(shè)施造成的干擾很較小。鑒于無(wú)線通信的特點(diǎn)，即傳輸距離短，這就使得其應(yīng)用受到很大制約，無(wú)法進(jìn)一步得到拓展。但車地站場(chǎng)的傳輸距離小，剛好符合無(wú)線通信這一特性，而使用無(wú)線通信的另一個(gè)好處就是防止信號(hào)泄露。

LTE系統(tǒng)應(yīng)用頻繁，它的特點(diǎn)是波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而頻段較低，這使得天線單元數(shù)量較少。為了能夠使用多天線技術(shù)來(lái)提升通信質(zhì)量，可將天線尺寸做成毫米級(jí)，這樣波長(zhǎng)變短，能夠進(jìn)一步達(dá)到5G毫米波的頻段。當(dāng)多天線實(shí)現(xiàn)時(shí)，信號(hào)實(shí)現(xiàn)了同向疊加，因此，被接收一端可以接收高強(qiáng)度高陣列增益的信號(hào)。此外，這種方案可以帶來(lái)窄波速的優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低干擾，同理可使得天線抑制增益增大。

毫米波與多天線融合實(shí)現(xiàn)時(shí)，需采用熟悉的有源相控方式，便于控制波束，最終還可以實(shí)現(xiàn)所謂的波束賦形，也就是熟知的BF。天線單元的信號(hào)其幅值與相位皆可被陣列天線控制，以致于可以得到帶有指向性的能夠被增強(qiáng)的波束，目的就是為了抗干擾，降低無(wú)線傳播帶來(lái)的各類損耗。

4 動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)車地高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)技術(shù)測(cè)試

4.1 測(cè)試產(chǎn)品

測(cè)試產(chǎn)品包括AirflashRBS軌旁基站、AirflashTAU車載終端、千兆車載網(wǎng)關(guān)、萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)，分別如圖1-圖4所示。

4.2 測(cè)試方案

4.2.1 測(cè)試組網(wǎng)

設(shè)置在動(dòng)車電氣箱內(nèi)的用于為該裝置提供電源和傳輸數(shù)據(jù)的車載網(wǎng)關(guān)（1）;設(shè)置在動(dòng)車上車頭內(nèi)部的車載終端（2），車載終端（2）的輸入端通過(guò)電纜接車載網(wǎng)關(guān)（1）的輸出端;用于接收車載終端（2）發(fā)出的車載數(shù)據(jù)的軌旁基站（3）;用于為軌旁基站（3）提供電源的POE電源（5），POE電源（5）的輸出端接軌旁基站（3）的輸入端;設(shè)置在地面的用于接收軌旁基站（3）發(fā)出的車載數(shù)據(jù)的地面存儲(chǔ)服務(wù)器（4），地面存儲(chǔ)服務(wù)器（4）的輸入端通過(guò)萬(wàn)兆光纖接軌旁基站（3）的輸出端，如圖5所示。

4.2.2 部署環(huán)境

基于千兆車載網(wǎng)關(guān)的CRH380B型動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)測(cè)試：千兆車載網(wǎng)關(guān)+TAU+RBS+千兆接口筆記本;

基于萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)的CRH380B型動(dòng)車組車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)測(cè)試：萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)+TAU+RBS+萬(wàn)兆地面存儲(chǔ)服務(wù)器。

4.2.3 測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)傳輸不同大小數(shù)據(jù)750MB、1GB、3GB、6GB測(cè)試傳輸速率。

4.2.4 千兆車載網(wǎng)關(guān)測(cè)試過(guò)程

千兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放750MB數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)13s。

千兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放1G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)18s。

千兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放3G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)53s。

千兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放6G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)111s。

4.2.5 萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)測(cè)試過(guò)程

萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放750MB數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)5s。

萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放1G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)8s。

萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放3G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)27s。

萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)發(fā)放6G數(shù)據(jù)，軌旁基站側(cè)接收耗時(shí)48s。

4.2.6 測(cè)試結(jié)果

千兆車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備測(cè)試結(jié)果和萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備測(cè)試結(jié)果分別如表1、表2所示：

5 結(jié)論

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，本研究獲得的技術(shù)在使用萬(wàn)兆車載網(wǎng)關(guān)情況下，傳輸速率能達(dá)到1.3Gbps，具備高速高效安全傳輸數(shù)據(jù)條件。本方法獲得數(shù)據(jù)能夠通過(guò)智能專家診斷分析系統(tǒng)進(jìn)行處理，不但可以監(jiān)控當(dāng)前可能存在的故障，還可以預(yù)測(cè)未來(lái)各類故障的概率，評(píng)價(jià)健康狀態(tài)進(jìn)而為維修及其維護(hù)提供基礎(chǔ)參考，加快維修工作進(jìn)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效及時(shí)的決策和管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)智能化高效運(yùn)維。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建博，孫曉東，李彤.面向高速動(dòng)車組靜態(tài)調(diào)試的車載數(shù)據(jù)無(wú)線采集系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（03）：147-148.

[2] 詹芝青.高速動(dòng)車組遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)地面應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，28（04）：48-51，56.

[3] 王龍.CRH380B綜合檢測(cè)車拖車轉(zhuǎn)向架載荷測(cè)試方法與試驗(yàn)研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[4] 張穎斐.基于無(wú)線的車地?cái)?shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)設(shè)計(jì)[J].西鐵科技，2016（03）：17-19.

[5] 王永軍.基于5G技術(shù)的機(jī)車大容量無(wú)線轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)研究[J].控制與信息技術(shù)，2020（04）：101-102.

[6] 鄧志峰，王雨，余志浩.基于自動(dòng)任務(wù)模型的機(jī)車車載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)系統(tǒng)[J].大功率變流技術(shù)，2018（03）：42-43.

[7] 任虎.重載機(jī)車數(shù)據(jù)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)研究[J].中國(guó)鐵路，2016 （08）：95-98.