PLC與5G融合通信在鐵路信號設備狀態監測系統中的應用研究

董振國

鐵路信號設備是調度指揮列車運行，保證運營安全的關鍵設施。為了及時發現信號設備的故障隱患，對其運行狀態及指標參數進行監測十分必要［1］。信號設備狀態監測系統包括道岔缺口監測系統和信號設備故障預測與健康管理系統（簡稱“信號設備PHM系統”）［2-4］。

目前，信號設備狀態監測系統通常采用PLC+ADSL組網模式，電力線通信（Power line Communication， PLC）可復用信號設備供電線纜，工程部署簡單，但傳輸距離較短，無法實現室外到室內的遠距離數據傳輸；而非對稱數字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line， ADSL）能夠很好地解決遠距離通信問題，因此二者結合可建立良好的數據傳輸通道。但隨著監測技術的日臻成熟，信號設備狀態監測系統接入的設備種類及數量越來越多，數據結構復雜，數據量也越來越大，對數據實時性要求也逐步提升，ADSL的上行速率和帶寬已無法滿足信號設備狀態監測系統的數據傳輸需求。為此，提出將室外既有網轉設備改為5G網關，監測數據通過鐵路5G專網回傳至服務器，利用5G網絡大帶寬、低時延的特點，滿足海量數據實時傳輸的需求，同時降低系統硬件部署成本和工程實施復雜度。

1 PLC+ADSL組網模式分析

PLC是利用既有電力線纜，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。其最大特點是不需要重新架設網絡，使用電力線纜就能進行數據傳輸，且硬件成本較低，傳輸速率較快［5］。實際應用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸數公里。但在電力線上負荷很重的情況下，線路阻抗達到1 Ω，就對載波信號造成削減，傳輸距離銳減至幾十米［6］。由此電力線纜無法實現遠距離傳輸，僅可用于室外采集數據的匯聚，故需通過ADSL通信技術完成遠距離數據傳輸。

雖然PLC+ADSL組網方式能夠滿足道岔缺口、信號設備PHM等數據傳輸需求，但也存在一些問題，例如：①室內/外均需部署采集設備，占用芯線資源較多，甚至需額外敷設線纜；②需對電纜的連通性進行核對，工程實施繁瑣；③ADSL帶寬資源有限，大規模站場需多條ADSL線路才能滿足通信需求；④各車站監測數據獨立存儲，不利于上級人員查看下屬車站的缺口監測數據等。在大規模部署信號設備PHM系統時，PLC+ADSL組網方式所表現出來的工程部署復雜、數據延遲、后期運營維護成本高等問題也愈發明顯。

綜上所述，無論從技術、成本還是工程實施的角度，PLC+ADSL組網方式都已無法滿足信號設備檢測系統的發展需求。隨著信號設備PHM系統的逐步推廣，以及對系統業務研究的不斷深入，如何提高監測數據的實時性及采集數據時間戳的精度，降低系統部署及維護的復雜度就成為了當務之急。

2 鐵路5G專網建設

隨著5G技術的發展，國鐵集團和國家能源集團下屬單位紛紛從政策、技術、裝備等各個層面加大了鐵路5G專網的建設力度，為利用5G專網實現信號設備監測數據的傳輸奠定了基礎。

1）政策層面：依據中央“新基建”的一系列整體布局，國鐵集團提出了5G專網的系統目標，并與工信部就高鐵5G建設達成共識。其中國家能源集團在包神鐵路管內8個站區實現了5G網絡的全覆蓋，包神鐵路集團與中國電信、華為公司合作建設的首個 5G智慧包神項目試驗站點，也已在包頭萬水泉南站開通運行。

2）技術層面：5G通信技術所具備的大帶寬、低時延、高精度授時、靈活組網、切片等技術特點，能夠很好地契合鐵路移動通信專網，并承載調度通信、列車控制、高清視頻、物聯網海量數據接入、高精度時間同步等各類業務應用的建設需求［7-8］。5G通信技術中對網絡資源的軟、硬管道隔離，實現了在一張承載網上為不同服務質量需求的業務提供連接服務和性能保障，滿足這些業務場景在移動性、帶寬、時延、可靠性、安全性等方面的差異化需求。

3）裝備層面：各信號設備檢測儀表廠家不斷推出各種具備5G通信能力的檢測儀表及終端，促進了5G技術在鐵路信號設備檢測領域中的應用，例如由中國鐵路西安局集團有限公司聯合華為技術有限公司共同開發的“5G+AI”鐵路智慧機務系統已正式投入使用［9］。

3 鐵路5G專網應用場景分析

鐵路移動通信業務具備“點、線、移動端”相結合的特征。鐵路5G專網的應用場景包括車地通信、鐵路站場等熱點區域的網絡覆蓋和鐵路咽喉區/沿線的地面設施監控等［10］。車地通信對業務可靠性要求高，業務類別包括語音調度、多媒體調度、行車安全數據、車上作業人員語音等通信；鐵路站場等熱點區域覆蓋需要更大的帶寬和容量，業務類別包括車上視頻監控數據傳輸、站場維護作業多媒體通信、編組站通信等；鐵路咽喉區/沿線地面設施監控，則對監測點終端連接數量有較高的要求，業務類別主要是地面基礎設施監測數據傳送。常見的鐵路5G專網應用場景見圖1。

圖1 鐵路5G專網應用場景

隨著鐵路5G專網建設的推進及鐵路5G應用場景的深入挖掘，5G技術正在鐵路行業的各個場景逐步落地應用。目前信號設備PHM技術正處于快速發展期，5G的出現正好契合了其發展需求，并提供了技術條件。因此，信號設備PHM系統也成為了鐵路5G專網的應用場景之一。

例如：在工務、電務等專業維護道岔過程中，往往需要反復操作道岔，此時該組道岔會產生密集的缺口監測視頻數據；春運期間，大型樞紐站的運量增加，信號設備PHM系統某些監測指標的采集頻率有所增加，數據量隨之加大，此時可借助5G技術特點，將自身的控制數據和業務數據分開傳輸，優化數據傳輸網絡的帶寬資源分配機制，提高數據傳輸的實時性，從而提高視頻監測數據質量，使視頻監控業務向高分辨率、智能化的方向發展。

4 PLC+5G融合通信的應用部署

1）道岔缺口監測系統通常在轉轍機內部安裝缺口監測分機，采集道岔缺口視頻數據，先通過PLC載波網絡匯聚至位于車站咽喉區的網轉設備，再轉換成ADSL信號回傳至室內。應用5G融合通信后，可將網轉設備的PLC轉ADSL功能升級為PLC轉5G網功能，即可實現組網方式的升級。

2）信號設備PHM系統在室外信號設備內部安裝傳感器及采集設備，通過PLC載波網絡，將采集數據匯聚至車站咽喉區的5G網關處，網關將采集數據上報至位于路局/電務段監控中心的應用系統服務器；室內電源屏、繼電器、集中監測系統的監測數據通過RS-485串行總線接口匯聚至室內5G網關，實現室內數據上報?，F場維護人員可通過車站與路局/電務段之間的監測專網，遠程訪問應用系統服務器，查看系統監測數據及預、告警信息。PLC+5G融合通信在信號設備PHM系統中的應用部署見圖2。

圖2 PLC+5G融合通信在信號設備PHM系統中的應用部署

在包神鐵路的萬水泉南站南場，部署了PLC+5G組網方式的信號設備狀態監測系統。充分利用既有道岔缺口監測系統的PLC載波通信芯線資源，一方面用5G網關取代了原本復雜昂貴的室內站機和室外網轉設備，大幅降低了工程部署復雜度及成本；另一方面利用5G網絡的低時延特性及高精度授時技術，提高了系統數據采集的實時性及關聯數據采樣時間的一致性，使系統能夠準確定義數據的時間戳，并據此實現對道岔缺口監測視頻數據和道岔開程數據等存在時間關聯性數據的精準分析。

5 PLC+5G融合通信技術優勢

1）提高數據上報的實時性。以ITU-T G.992.1標準為例，ADSL技術在一對銅線上通信時，上行速率僅為512 kb/s～1 Mb/s，在大規模部署信號設備PHM系統時，受限于ADSL通道帶寬，設備監測數據需要打包處理后定時上報，如隔2 min上報一次數據，在系統側查看的數據存在滯后性，使得整個PHM系統對信號設備故障的響應時間延遲。而采用5G專網來替代ADSL通信，可實現在1 s以內實時上報數據，大幅提高了系統的實時性。

2）提高系統的可擴展性?，F階段信號設備PHM系統如要新增采集設備，需考慮既有系統備用芯線使用情況、網轉設備能夠接入的PLC終端設備數量、網轉設備到室內ADSL信道的數量及帶寬、站機的資源配置等眾多因素。而采用PLC +5G的組網模式，系統的擴展只需考慮信號設備附近配線箱盒的備用芯線即可，極大地降低了系統擴展的難度。

3）提高組網部署的靈活性。如果只在車站以PLC+ADSL的組網方式部署監測系統，則無法實現路局下轄所有車站信號設備監測數據的集中存儲及管理。欲實現跨站區的數據查詢與綜合分析，需在路局層面部署應用系統服務器，監測數據先傳輸到車站一級，再由部署在路局/電務段的應用系統服務器進行存儲和轉發。

采用PLC+5G專網融合通信后，系統既可只在路局/電務段層面部署應用系統服務器，車站只部署終端，車站運維人員通過路局電務段與車站間的監測專網，遠程訪問應用系統服務器，實現數據查看與故障處理；也可在路局/電務段層面和車站層面同時部署應用系統服務器，室外信號設備監測數據可同時回傳至路局/電務段以及車站。路局、電務段、車站工作人員查看監測數據時，只需訪問部署在本地的應用系統服務器，避免既有系統架構中路局/電務段與車站間的網絡資源占用，同時也實現了信號設備監測數據的集中存儲及管理，更便于進行跨站區的數據查詢與綜合分析。

4）提升系統的可靠性。在PLC+ADSL的組網方式下，一旦車站監測系統設備或站機出現故障，車站和路局/電務段均無法獲取到現場信號設備的監測數據，無法及時處理故障，容易造成安全隱患。PLC+5G專網融合通信的方式，由于車站和路局/電務段的監測系統可以直接接收、存儲來自5G物聯網網關的監測數據，數據互為備份，確保一個系統出現故障時，另一個系統仍可獲取到故障信息，從而提高系統的可靠性。

5）降低系統部署成本。在PLC+ADSL的通信制式需在室外部署網轉設備，室內部署站機系統，而PLC+5G融合通信的組網架構，使用較低成本的5G網關，即可代替室外網轉設備及室內站機系統，大幅降低了系統部署及運維成本。

6）降低工程實施復雜度。在工程實施方面，PLC+5G融合技術的應用，減少了對站場室內外備用芯線資源的使用，避免了線纜施工、校對等工作。

6 結論

1）在介紹鐵路5G專網建設情況及鐵路5G專網應用場景的基礎上，提出了基于PLC+5G融合通信的鐵路信號設備狀態監測系統組網模式，并以道岔缺口監測系統、信號設備PHM系統為例，分析了PLC+5G融合通信在鐵路信號設備監測系統中的應用模式。

2）通過與PLC+ADSL的組網模式進行比較，進一步闡述了PLC+5G融合通信組網模式的優勢。

3）該PLC+5G組網模式已成功應用在包神鐵路萬水泉南站南場，得益于5G網絡的低時延特性及高精度授時技術，包神鐵路信號設備PHM系統可在時域上對數據進行精準分析。實踐證明：PLC+5G融合通信能夠解決PLC+ADSL組網模式的諸多問題，具有較高的工程推廣價值。