GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動檢測地面控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

段賀輝

（北京鐵科英邁技術(shù)有限公司 電務(wù)檢測研究部，北京 100081）

1 概述

GSM-R網(wǎng)絡(luò)檢測主要是測試GSM-R移動通信系統(tǒng)［1］的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和應(yīng)用狀況。我國鐵路對GSM-R網(wǎng)絡(luò)檢測采用綜合檢測列車和電務(wù)檢測車配置的通信檢測系統(tǒng)［2］，按照固定運行時刻表，每月定時定線對相關(guān)線路進(jìn)行測試。由于GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及特性與應(yīng)用時間有很大關(guān)系，在不同時間段，網(wǎng)絡(luò)用戶量不同，公網(wǎng)對其產(chǎn)生的干擾因素［3］也不同。另外，由于無線通信網(wǎng)絡(luò)的測試結(jié)果取決于測試指標(biāo)統(tǒng)計［4］，大量測試指標(biāo)統(tǒng)計的結(jié)果更能真實體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。目前，GSM-R網(wǎng)絡(luò)的測試頻度相對較低，測試樣本數(shù)也相對較少，因此，這種測試在時間上有很大局限性，不能完全反映GSM-R網(wǎng)絡(luò)的真實特性與實際運用狀態(tài)。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動檢測［5］設(shè)備體積小，上電即可工作，可將其安裝至旅客列車，在檢測時間和檢測頻度上均可得到保障，能充分反映GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)［6］。為提升測試樣本數(shù)，真實體現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，需要大量測試終端和多樣性測試任務(wù)來完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)檢測?；诖?，需搭建綜合地面控制系統(tǒng)以保障檢測設(shè)備正常、有序地執(zhí)行任務(wù)，實時反映檢測設(shè)備的運行狀態(tài)，實時接收檢測數(shù)據(jù)并呈現(xiàn)給用戶。GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動檢測地面控制系統(tǒng)利用車地?zé)o線傳輸技術(shù)構(gòu)建，可實現(xiàn)測試任務(wù)的預(yù)發(fā)送、測試任務(wù)的實時控制（包括任務(wù)的修改、啟動、停止和取消等操作）、檢測設(shè)備的告警監(jiān)控及狀態(tài)管理、檢測數(shù)據(jù)實時接收并按索引存儲、記錄并跟蹤列車位置等。用戶可通過該系統(tǒng)了解檢測設(shè)備的運行情況及測試任務(wù)的執(zhí)行情況，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，掌握當(dāng)前位置GSM-R網(wǎng)絡(luò)的運用狀態(tài)。

2 設(shè)計目標(biāo)

（1）實現(xiàn)分級管理功能。系統(tǒng)按照功能對用戶進(jìn)行分級設(shè)計，設(shè)置一級用戶、二級用戶和管理員用戶，一級用戶針對中國國家鐵路集團(tuán)有限公司設(shè)計，可以查看全路的檢測數(shù)據(jù)和檢測設(shè)備的運行狀態(tài)，掌握全路測試情況；二級用戶針對鐵路局集團(tuán)公司設(shè)計，可對本單位管內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行管理、控制和數(shù)據(jù)分析等；管理員用戶可對系統(tǒng)進(jìn)行管理、運維，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運行。

（2）檢測設(shè)備管理與監(jiān)控。檢測設(shè)備在安裝前，將其屬性信息（列車號、測試模塊類型、SIM卡號等）在地面控制系統(tǒng)進(jìn)行登記，待安裝運行后，設(shè)備注冊連接到地面控制系統(tǒng)，將狀態(tài)及告警信息實時上報至該系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)及告警做出智能判斷，將高危的告警信息及時通知至管理員用戶。

（3）測試任務(wù)管理及實時控制。設(shè)備管理人員根據(jù)列車的運行計劃制定測試任務(wù)，當(dāng)檢測設(shè)備向地面控制系統(tǒng)注冊后，系統(tǒng)將預(yù)先制定的測試任務(wù)下發(fā)至該設(shè)備，檢測設(shè)備根據(jù)任務(wù)的始末時間自行完成任務(wù)，當(dāng)管理人員需要改變測試任務(wù)狀態(tài)時，可主動參與測試任務(wù)的執(zhí)行。設(shè)備管理人員可根據(jù)列車實際運行信息對既定的測試任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。

（4）列車位置跟蹤與記錄。檢測設(shè)備將獲取的位置信息（包括經(jīng)緯度和公里標(biāo)）上傳至地面控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)位置信息在地理信息系統(tǒng)（GIS）中顯示列車位置及運行軌跡，當(dāng)列車停車或斷電后，系統(tǒng)會保留當(dāng)前列車位置，當(dāng)其再次收到列車有效的位置信息后，刷新列車當(dāng)前位置。在GIS中繪制列車運行軌跡時，需要區(qū)分同線路不同列車的軌跡，以防混淆。

（5）檢測數(shù)據(jù)接收與發(fā)布。檢測設(shè)備在執(zhí)行測試任務(wù)的同時，將檢測數(shù)據(jù)實時回傳至地面控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將檢測數(shù)據(jù)匯總后并按用戶功能分發(fā)至相關(guān)用戶。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)組成

地面控制系統(tǒng)在系統(tǒng)集成方面，需要文件傳輸（FTP）服務(wù)器、GIS服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來支持系統(tǒng)運行，各服務(wù)器通過交換機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通及數(shù)據(jù)一體化。軟件系統(tǒng)包括：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)、硬件設(shè)備驅(qū)動程序、.NET Framework運行環(huán)境及應(yīng)用程序可執(zhí)行文件。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)設(shè)計，各級用戶通過客戶端訪問系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)組成

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)層、存儲服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和應(yīng)用業(yè)務(wù)層。其中，數(shù)據(jù)層包括列車與設(shè)備屬性信息、測試任務(wù)、用戶信息、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及檢測數(shù)據(jù)、同步定位數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)；存儲服務(wù)層包括數(shù)據(jù)庫存儲服務(wù)、FTP文件服務(wù)、GIS信息服務(wù)；應(yīng)用服務(wù)層包括用戶信息維護(hù)、設(shè)備信息及位置跟蹤、列車信息及位置跟蹤、測試任務(wù)查詢與操控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、檢測數(shù)據(jù)分析與發(fā)布等；應(yīng)用業(yè)務(wù)層包括用戶管理與維護(hù)、設(shè)備及列車管理與跟蹤、測試任務(wù)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和GIS信息管理、檢測數(shù)據(jù)管理與分析等。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

為保證系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)層有效、安全地交互及通信，系統(tǒng)采用微軟通信原理（WCF）數(shù)據(jù)通信框架［7］，整合了原有Windows通信的.net Remoting、WebService、Socket機制，并融合超文本傳輸協(xié)議（HTTP）和FTP相關(guān)技術(shù)，通過客戶端以代理的方式向服務(wù)端交互，用戶可自行制定契約來進(jìn)行通信；在安全方面，WCF具備傳輸層次安全性（Transport-level security）和消息層次安全性（Message-level security）2種。采用WCF服務(wù)，既便于實現(xiàn)模塊式開發(fā)和系統(tǒng)集成，又保證了數(shù)據(jù)的安全。在GIS開發(fā)方面嵌入Mapinfo圖層［8］管理插件，使用可視化的離線圖層文件，既可提高GIS的訪問速率，又便于實現(xiàn)對圖層進(jìn)行二次開發(fā)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)層：該層實現(xiàn)了列車與設(shè)備屬性信息、測試任務(wù)、用戶信息的存儲及管理，為用戶和列車信息維護(hù)、設(shè)備信息維護(hù)和狀態(tài)采集、測試任務(wù)查詢和操控提供數(shù)據(jù)支撐；實現(xiàn)了線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、同步定位數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)的存儲及管理，為檢測列車跟蹤與數(shù)據(jù)分析服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

（2）存儲服務(wù)層：用于存儲基礎(chǔ)信息、檢測設(shè)備及任務(wù)信息、測試記錄及檢測數(shù)據(jù)等，該層使用數(shù)據(jù)庫服務(wù)存儲記錄及列表信息，使用FTP文件服務(wù)存儲檢測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等大文件信息，使用GIS信息服務(wù)存儲訪問GIS過程使用的離線圖層文件等，便于GIS刷新及實時繪制。

（3）應(yīng)用服務(wù)層：該層用于各類數(shù)據(jù)的解析、處理及綜合運用，當(dāng)收到應(yīng)用業(yè)務(wù)層發(fā)出的請求后，根據(jù)請求獲取各類數(shù)據(jù)并計算，將結(jié)果呈現(xiàn)至應(yīng)用業(yè)務(wù)層，主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)信息維護(hù)、檢測任務(wù)操控、檢測數(shù)據(jù)處理與分析、列車位置及狀態(tài)跟蹤等方面。

（4）應(yīng)用業(yè)務(wù)層：用于用戶的操作及信息的管理等，將GIS信息、任務(wù)信息、數(shù)據(jù)分析結(jié)果等直接呈現(xiàn)給用戶。

以上各結(jié)構(gòu)層實現(xiàn)流程見圖3。在系統(tǒng)實現(xiàn)中，采用異步傳輸控制協(xié)議（TCP）通信［9］技術(shù)、檢測數(shù)據(jù)綜合分析處理技術(shù)及WCF通信技術(shù)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全、可靠。

圖3 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

異步TCP通信技術(shù)采用異步TCP通信方式，實現(xiàn)一對多通信服務(wù)，可同時管理多臺檢測設(shè)備的測試任務(wù)并監(jiān)控其運行狀態(tài)。地面控制系統(tǒng)開啟TCP監(jiān)聽服務(wù)后，待檢測設(shè)備向其注冊連接后，建立1條獨立通道與檢測設(shè)備進(jìn)行交互，在交互過程中，系統(tǒng)采用多線程并發(fā)控制機制，使心跳連接、設(shè)備位置狀態(tài)、任務(wù)管控、數(shù)據(jù)接收等各項服務(wù)同時進(jìn)行，保證檢測設(shè)備有序、穩(wěn)定地完成測試任務(wù)。該模塊需配合數(shù)據(jù)綜合分析處理模塊完成數(shù)據(jù)分析及設(shè)備監(jiān)控等工作，為其提供檢測數(shù)據(jù)和設(shè)備位置狀態(tài)數(shù)據(jù)。

檢測數(shù)據(jù)綜合分析處理技術(shù)運用線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合檢測數(shù)據(jù)并依據(jù)數(shù)據(jù)分析算法完成檢測數(shù)據(jù)的分析和判斷，將檢測數(shù)據(jù)按照索引進(jìn)行分類存儲，將分析結(jié)果入庫存儲并提供反饋接口，便于用戶了解線路測試情況并對檢測結(jié)果進(jìn)行反饋等；運用GIS圖層原始數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)備位置狀態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)指令標(biāo)識信息完成對檢測設(shè)備的管理和監(jiān)控；將檢測數(shù)據(jù)結(jié)合線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和GIS信息進(jìn)行綜合分析，將測試指標(biāo)分級顯示，使用戶通過GIS展示了解整體線路的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

采用WCF通信技術(shù)，用戶根據(jù)契約向地面控制系統(tǒng)注冊連接，建立連接后，通過該服務(wù)可進(jìn)行檢測設(shè)備的管理維護(hù)和跟蹤定位、測試任務(wù)的管理控制，并對線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和GIS圖層等原始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和編輯。用戶可根據(jù)既有權(quán)限對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、對檢測結(jié)果進(jìn)行反饋等。

5 系統(tǒng)驗證

GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動檢測地面控制系統(tǒng)研制完成后，將系統(tǒng)應(yīng)用布置于公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，檢測設(shè)備采用移動4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊并安裝于綜合檢測列車進(jìn)行試驗和驗證。驗證的主要功能包括：多檢測設(shè)備的注冊連接及測試任務(wù)的發(fā)送、管理和控制，檢測設(shè)備對任務(wù)的執(zhí)行和數(shù)據(jù)實時展示情況，地面控制系統(tǒng)對檢測設(shè)備的定位、檢測數(shù)據(jù)的分析［10］及GIS展示等。

（1）多檢測設(shè)備的注冊連接及測試任務(wù)的發(fā)送、管理和控制。具體如下：①分別在2列綜合檢測列車安裝檢測設(shè)備，且向地面控制系統(tǒng)注冊連接后，各檢測設(shè)備與地面控制系統(tǒng)的位置及設(shè)備狀態(tài)交互正常，互不影響。②在地面控制系統(tǒng)啟動“測試任務(wù)配置模塊”并向數(shù)據(jù)庫中添加2條測試任務(wù)，分別為任務(wù)A和任務(wù)B，均配置開始時間、結(jié)束時間、開始公里標(biāo)、結(jié)束公里標(biāo)、線路信息、行車方向及任務(wù)配置等信息，分別發(fā)送至對應(yīng)的檢測設(shè)備。根據(jù)任務(wù)的始末時間對任務(wù)進(jìn)行實時控制，包括任務(wù)的提前開啟、提前結(jié)束、取消測試任務(wù)等操作，各指令交互正常。

（2）檢測設(shè)備對任務(wù)的執(zhí)行、數(shù)據(jù)實時展示和設(shè)備定位。結(jié)合設(shè)備位置信息與檢測數(shù)據(jù)的實時展示情況，判斷設(shè)備執(zhí)行的狀態(tài)以及數(shù)據(jù)回傳是否滯后等，對2臺設(shè)備所檢測的2條線路分別配置測試任務(wù)，待任務(wù)執(zhí)行后，根據(jù)列車位置及數(shù)據(jù)實時展示界面，結(jié)合綜合檢測列車的運行時刻表分析數(shù)據(jù)回傳情況。經(jīng)分析，該系統(tǒng)實時接收檢測設(shè)備的位置狀態(tài)信息和檢測數(shù)據(jù)展示的當(dāng)前位置相對吻合。

（3）檢測數(shù)據(jù)的分析及GIS展示。用戶通過客戶端訪問地面控制系統(tǒng)，獲取檢測數(shù)據(jù)并通過2種形式呈現(xiàn)，分別為數(shù)據(jù)測試曲線和GIS展示。檢測數(shù)據(jù)的曲線呈現(xiàn)見圖4，各項指標(biāo)按照公里標(biāo)對齊顯示；檢測數(shù)據(jù)的GIS呈現(xiàn)見圖5，可將測試的小區(qū)電平、話音質(zhì)量、載干比、時間提前量等信息按測試指標(biāo)進(jìn)行分級，不同級別用不同顏色標(biāo)識出來，由于各項指標(biāo)經(jīng)緯度是重合的，在展示時可對指標(biāo)進(jìn)行位置偏移來區(qū)分（可對經(jīng)度、緯度分別做偏移），偏移量可通過窗口設(shè)定。

圖4 檢測數(shù)據(jù)的曲線呈現(xiàn)

圖5 檢測數(shù)據(jù)的GIS呈現(xiàn)

6 結(jié)束語

GSM-R網(wǎng)絡(luò)自動檢測地面控制系統(tǒng)結(jié)合前端檢測設(shè)備的綜合運用，提高了GSM-R網(wǎng)絡(luò)動態(tài)檢測的技術(shù)水平，具有廣闊應(yīng)用前景。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對同一線路的多時間段重復(fù)檢測，檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果具有更高可信度，能夠幫助中國國家鐵路集團(tuán)有限公司了解GSM-R網(wǎng)絡(luò)的整體運用狀況，能夠幫助鐵路局集團(tuán)公司對管轄范圍內(nèi)的局部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。