重载机车数据转储应用研究

尤 新,袁锦辉,施剑峰,王明萱

（浙江浙大网新集团有限公司,浙江杭州,310051）

重载机车数据转储应用研究

尤 新,袁锦辉,施剑峰,王明萱

（浙江浙大网新集团有限公司,浙江杭州,310051）

铁路是国民经济的大动脉，对于整个社会经济的健康发展具有举足轻重的作用。为提升铁路的运输效率，机车车辆加快信息化、智能化建设的同时产生了大量的状态和运营数据。本文对机车整备场环境下机车同地面数据中心之间数据传输存储的方法进行初步探讨，提出采用无线通信技术和私有云盘技术应用的新方法。

重载机车；WIFI；私有云盘

随着我国经济的不断发展，需要不断提升铁路的运输效率以满足高速增长的物资运输需求。为此，我国大力推进轨道交通和机车车辆的信息化和智能化建设。在研制大轴重机车的基础上，引入多个智能化系统，如重载列车运行状态监测系统、重载列车智能化操控系统和重载铁路调度优化系统等。机车运行过程中，上述系统将产生大量的状态和运营数据，包括机车关键部件传感数据、机车视频数据，机车指挥调度数据等，这些数据具有体量大、类型多的特点。由于机车运行过程中，无论是GSM-R或者LTE-R移动通信系统提供的带宽都十分有限，不足以将机车上的所有数据同步到地面。因此，目前很大程度上需要待机车到站后靠人工通过拷贝或者轮换硬盘的方式将数据从车载设备转储到地面数据中心，供进一步的分析诊断。

本文以无线通信技术和私有云盘存储技术为基础，建立重载机车车地数据传输和存储系统，以期实现机车到达整备场指定位置后车地数据同步的自动化。

1 总体方案

重载机车车地数据传输存储系统主要由车载设备、无线通信系统、私有云盘服务系统和存储系统组成（如图1）。

车载设备，对机车上的各类数据进行采集、整合和预处理。机车上子系统众多，数据类型众多，硬件设备接口类型众多，这就需要对各子系统和设备的对外接口进行统一，以便使用无线通信链路将数据传输到地面。

无线通信系统，由WIFI模块、车载WIFI天线和轨旁AP组成。提供稳定可靠的高速率传输通道，解决了现有情况下机车无法采用有线方式进行车地数据传输的问题。

私有云盘服务系统，是一种分布式部署、集中式管理的文档安全存储管理系统，提供安全可靠的数据同步备份功能，它可以迅速判断数据同步状态，在车载设备和地面存储系统之间自动保持数据同步。

存储系统，由存储管理服务器和磁盘阵列组成，对其他应用程序提供统一的存储服务接口。存储空间可动态扩容以满足实际需要。私有云盘服务系统可通过存储服务接口高效便捷的进行数据存储和访问。

2 关键技术

机车车地数据传输和存储系统中，面临的两个主要问题就是如何建立高速稳定的通信链路以及如何保证车地间数据的一致性和完整性。下面就对本系统采用的关键技术进行介绍如下。

2.1 基于5.8GHZ的无线通信技术

支持IEEE802.11ac协议标准的无线通信设备，工作在5.8G免许可证频段，具有更宽的RF带宽，更多的MIMO空间流，还支持多用户的MIMO以及更高阶的调制。无线频宽支持20/40/80MHZ，甚至有可能达到160MHZ，理论传输速度最高可能达到1Gbps。传输速率高、接收灵敏度高、抗干扰能力强的特点，使得5.8G无线通信技术非常合适用于机车车地数据通信。

5.8 G无线通信设备的组网模式主要有三种：

①点对点模式。可用来连接两个分别位于不同地点的网络，一般由一个中心端网桥设备和一个客户端设备组成，设置成相同的频道。

②点对多点模式。由一个中心端网桥设备和多个客户端设备组成，能将多个离散的远程网络连成一体。

③桥接中继模式。当需要连接的网络之间有障碍物遮挡而不可视时，采用无线中继模式绕开障碍物实现两点之间的无线桥接。

机车整备场环境相对开阔，基本上没有大型的建筑物，可以做到两点之间可视。因此，我们在使用无线网桥设备时只需考虑点对点和点对多点组网方式。

采用点对多点组网，从中心点到每个远程点都建立一个点对点链路，中心端AP必须采用频点隔离以防止相互干扰，中心点AP的频率通常可统一采取高发低收方式。若实际应用中，允许存在大量辆机车同时进行数据同步备份，那么采用点对多点组网可以满足需求，但由于点对多点方式相当于是共享中心点AP的带宽，对于远程点来说，传输速率上有所降低，同时点对多点组网配置相对复杂一些（如图2）。

采用点对点组网，中心点和远程点建立唯一链接，处于相同频道。远程点独占带宽，传输速率较快。若实际运用中，只有少量机车会在同一时间进行数据同步备份，那么应选择点对点组网方式。同时，可考虑设置多个中心AP，这样能建立多个点对点链路，既保证了传输速率，组网也相对简单（如图3）。

无线网桥设备的天线也是影响传输效率和稳定性的关键因素之一。安装在轨道旁边的中心点AP位置固定，而机车驶入整备场后停留的位置基本上每次都不相同。为了减少因天线角度和距离带来的性能影响，中心点AP采用板状定向天线，照射角度为90度，机车上采用蘑菇头外型的全向天线，这样既保证了任意角度下都能建立链路，也保证了大多数情况下，机车位于定向天线照射范围内时，具有较好的信号质量（如图4）。

图1

2.2 云盘数据存储技术

云存储是在云计算(cloud computing)概念上延伸和发展出来的一个概念，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

云存储有公有云和私有云之分，针对重载机车数据转储应用，由于是提供给企业内部使用，且数据具有极高的重要性，所以我们除了以高性能、可伸缩性、可靠性等作为设计目标，还需要在满足基本存储和分享的同时增强数据的安全性、可用性等特性，在此基础上构建满足数据存储和分享需求的安全私有云盘系统。

安全私有云盘是建立在安全体系架构上的分布式部署、集中式管理的文档安全存储管理系统，同时解决了安全可靠存储、防泄密和容量动态扩充三大难题。它的系统结构如下图5所示：

安全私有云盘主要由用户管理、文件管理、数据服务平台、存储服务平台组成。

安全私有云盘用户管理，实现系统参与者角色和权限的统一管理。

安全私有云盘文件管理，实现文件和目录的基本管理功能，包括建立、删除、重命名、搜索和共享等；实现文件的上传下载和在线浏览，支持分段上传和断点续传；实现文件的实时备份，将PC端指定文件、目录等信息实时备份到云盘。

安全私有云盘采用专有的数据加密技术，无论网络传输还是数据存储都是以加密的形式进行的，把数据管理权彻底交给用户，保证即使云端管理员也无法查看用户明文。

安全私有云盘在运行过程中，会将文件自动冗余成多份数据，分别存储在不同的存储节点，当某个存储节点出现硬件故障、网络异常等情况发生时，不影响用户对文件的访问，极大的增强安全私有云盘的可用性。

重载机车数据转储应用中，在机车车载设备上安装云盘客户端，指定需要同步备份的文件和目录；在地面数据中心部署云盘服务，云盘服务运行在由3台服务器构建的集群环境，这样进一步增强了云盘服务的可用性，避免由于单台服务器故障导致整个数据转储功能无法工作。

当机车驶入整备场，无线链路建立完成之后，车载设备的云盘客户端便通过无线链路以及连接云盘服务端的千兆有线链路，自动将机车数据上传到云盘服务端进行存储。

3 结束语

综上所述，基于5.8G无线通信技术和云盘数据存储技术的重载机车数据转储应用方案提出了一种可行的机车数据与地面数据中心自动同步备份的方法，极大地提高了数据转储的效率，避免了人工操作过程中意外情况导致的数据同步不及时，甚至是数据丢失。实现了机车状态和运营数据的智能化管理。

[1] 802.11ac-2013-IEEE Standard for Information technology-- Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks-- Specific requirements--Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications--Amendment 4:Enhancements for Very High Throughput for Operation in Bands below 6 GHz

[2] 马满仓,郑建勇,郭静,卢继华.WLAN标准IEEE802.11ac/ ad及其关键技术,《电信技术》，2012(04)

[3] 傅颖勋.罗圣美.舒继武.安全云存储系统与关键技术综述.《计算机研究与发展》，2013(1)

[4] 钱宏蕊.云存储技术发展及应用.《电信工程与标准化》,2012(4)

尤新，1977年7月，男，汉族，湖北省钟祥市，2000年毕业于西安电子科技大学计算机软件专业，学士学位，浙江浙大网新集团有限公司，高级工程师，研究方向：列车智能化，物联网，网络通信

袁锦辉，1977年7月，男，汉族，江苏省海门市，2003年毕业于浙江大学信电系，硕士学位，浙江浙大网新集团有限公司，高级工程师，研究方向：列车智能化，网络通信，IC设计

施剑峰，1976年11月，男，汉族，浙江省萧山市，2002年毕业于西安交通大学计算机软件与理论专业，硕士学位，浙江浙大网新集团有限公司，工程师，研究方向：列车智能化，网络通信，云计算

王明萱，1986年11月，女，汉族，江苏省金坛市，2010年毕业于伦敦帝国理工学院通信与信号处理专业，硕士学位，浙江浙大网新集团有限公司，工程师，研究方向：传感器数据采集及信号处理，项目管理

Application Research on data dump of heavy haul locomotive

You Xin,Yuan Jinhui,Shi Jianfeng,Wang Mingxuan
（Zhejiang Insigma Group Co.,Ltd.Zhejiang Hangzhou,310051）

Railway is a great artery of national economy,which plays an important role in the healthy development of the whole society.In order to improve the transportation efficiency of the railway,the locomotive and vehicle speed up the information and the intelligent construction,and produce a lot of state and operation data.The locomotive servicing field environment of locomotive with ground data center,data transmission and storage method to carry on the preliminary discussion,put forward using a new method of wireless communication technology and private cloud disk technology application.

heavy haul locomotive;WIFI;private cloud disk

项目名称:轴重 30 吨以上煤炭运输重载铁路关键技术与核心装备研制编号：2013BAG20B00