基于物联网技术的轨道电路轨旁设备强电危害监测系统研究

阮小飞 陈洪轩 徐金鹏 李跃进

轨道电路设备是铁路信号系统中列车占用、行车控制及断轨检查的重要设备，其运行状态会影响列车正常运行。轨道电路轨旁设备在铁路沿线钢轨侧，所处环境的工况较为复杂，易受到轨旁的强电危害。如雷电过电压、牵引回流、电力故障引起的过电压干扰，易使轨道电路轨旁设备发生断路器跳闸、SPD（Surge Protection Device）击穿短路等故障，按照“故障导向安全”原则，均可造成信号集中监测终端上出现“红光带”，需要维护人员去现场处理排查。而在现有条件下，由于无法事先获得现场设备的具体故障数据和详细状态信息（危害源和入侵途径的相关数据），排查人员在制定预案时缺少针对性，现场故障排查处理时间相对较长；而且由于缺少数据，技术人员在事后分析及整治方案制定时，难以给出具有针对性的实施对策。随着铁路运行里程的不断增长，专业技术人员需要维护的设备和范围都大幅增加，尤其是雷雨季节危害高发的时段，故障排查问题愈发突出。

考虑到轨道电路轨旁设备存在布置分散、取电困难、运行工况复杂等多种不利因素，本文设计了一种基于窄带物联网技术的轨道电路轨旁设备强电危害监测系统。该系统包括轨旁监测设备、云端设备和监测终端，实现了对SPD 寿命信息、开关量信息、雷电信息、工频过电流信息等数据的实时监测。通过对采集到的数据进行统计、分析和处理，系统可以把结果实时反馈给用户的监测终端。一旦现场发生故障，用户可以通过系统反馈的数据信息对故障做出初步判断，给出有针对性的预案。该系统能够提高现场故障处理效率，减少现场故障对列车正常运行的影响时间。

1 系统构成

轨道电路轨旁设备强电危害监测系统构成如图1 所示，主要由轨旁监测设备、云端设备及监测终端3 部分组成。其中，轨旁监测设备包括数据传感、运算处理、本地存储、云端通信单元；采用N-MBx 进行标记，表示N 站内的第x 台轨旁监测设备。云端设备包含物联网云平台和云应用服务器二部分。物联网云平台是系统的数据中转站，一方面， 通过窄带物联网（Narrowband-Internet of Things，NB-IoT）与轨旁监测设备通信，实现数据的上传和下发；另一方面，将收集到的监测数据提供给云应用服务器。云应用服务器从物联网云平台获取各站轨旁监测设备的数据信息，进行计算、处理和存储，并把计算结果通过移动网络分发给监测终端。监测终端是系统的人机交互单元，可通过图形化的方式显示给用户。为了确保数据能够安全存储和有效管理，监测终端按照路局现有模式，分为局、段、车间和车站4 级。在监测终端中，不同级别的管理机构具备不同的权限。

图1 轨道电路轨旁设备强电危害监测系统结构

2 轨旁监测设备

轨旁监测设备部署在铁路沿线，应用环境复杂、位置分散，采用有线方式供电和通信较困难。为了确保监测系统运行安全、有效，在综合考虑供电、能耗、散热、通信等方面因素的前提下，充分与现场应用情况相结合，采用太阳能作为能源输入，使用低功耗的NB-IoT 技术作为通信方式。

轨旁监测设备适配于轨道电路轨旁设备，从轨道电路轨旁设备内采集数据，其实现原理见图2。考虑轨旁监测设备应用场景的特殊性，主要方案实现如下。

图2 轨旁监测设备框图

1）能源方案。采用太阳能作为能源输入和锂电池为板卡供电的方式，通过优化硬件和软件，在保留系统最低资源配置的前提下，休眠不需要工作的器件，从而降低系统运行功耗，提高续航时间。

2）通信方案。采用NB-IoT 技术，避免有线方式引入的耦合干扰和实施难度。NB-IoT 模块在常规情况下处于关机状态，当现场满足数据上传条件时，MCU 将其唤醒，数据通过NB-IoT 模块、运营商网络上传至物联网云平台。

3）数据上传模式。为了尽可能降低功耗，数据上传模式分为“定时上传”“故障上传”和“手动上传”。“定时上传”指按照系统预设的周期，上传系统中更新的数据；“故障上传”是在系统中重要设备的状态改变时实时上传；“手动上传”是给维护人员和调试人员的预留接口，便于现场操作。其中，“定时上传”模式中间隔周期不变，但起点为任一种上传模式的结束时刻。

4）开关量信息采集。系统中开关量信息包括箱门状态、断路器状态和SPD 状态。这些信息作为轨道电路轨旁设备状态的重要指标，需要实时记录并上传。为了改善响应速度、功耗及优化资源分配，开关量信息由专门的STM32 进行存储、上传和处理，不需要唤醒主控板。

5）雷电信息采集。雷电流的波形周期和波头时间短，能量主要集中在100 kHz 以内。钢轨上典型的感应雷电流波形为10/200 us。考虑到雷电流持续时间短且触发时间难预知，线圈采用最大电流为100 kA 的罗氏线圈（Rogowski Coil）。罗氏线圈采集的雷电流通过同轴线缆传输至积分器，经积分器处理后，由采样频率为10 Mb/s 的A/D 转换模块转换成数字量。现场可编程门阵列（FPGA）处理A/D 转换后的雷电信息，其运算结果由主控板的MCU 进行计算、存储、上传和处理。本方案利用了FPGA 的高速和并行的运算能力，满足了雷电流的瞬时采集和运算需求，减少了主控MCU 的资源占用。

6）工频过电流采集。工频过电流采集采用门限值触发方案，采集参数包括工频过电流的幅值和时间。工频过电流的幅值范围为1～200A，时间为工频过电流持续时间。

7）人机交互。为了满足现场调试、修改配置、查询数据的需求，本文设计了2 种解决方案：①如图3所示，轨旁监测设备内设置了由键盘、数码管、指示灯组成的人机交互面板，通过键盘、指示灯和数码管的不同组合方式，表示数据信息、配置信息、设备状态等内容；②利用RFID 技术，通过外部射频阅读设备和内部射频识别标签进行读写操作，实现配置修改和数据查询。在正常情况下，人机交互设备处于休眠状态，可以降低系统功耗。

图3 轨旁监测设备人机交互区域示意图

8）数据存储与读取。轨旁监测设备内设置了满足一个月数据存储需求的Flash 单元。考虑到现场干扰和能源因素，减少数据存储问题对系统决策的影响，本方案将存储单元Flash 划分成A、B 区。存储时，系统对A、B 区同时进行写数据。上传前，系统对A 区和B 区的数据进行比对，若两区数据相同，上传A 区最后更新数据；若数据不同，上传A 区上一条更新数据。当轨旁监测设备由于自身问题导致数据不能上传时，维护人员可通过USB 接口现场读取数据，使用电脑将数据上传至云平台。

9）温湿度监测。在监测设备内设置温湿度传感器，对设备内的温湿度进行监测。考虑到功耗问题，温湿度传感器仅在轨旁监测设备唤醒时启用。

3 云端设备

3.1 物联网云平台

综合对比云平台网络覆盖、开发难度及前期投入的情况，本系统选择中国移动的OneNET 物联网云平台作为开发平台。轨旁监测设备与OneNET平台的信息交互见图4。轨旁监测设备的数据按照Json 格式定义，通过LwM2M 协议与物联网云平台进行数据传输。物联网云平台按照物联网卡的IMEI（International Mobile Equipment Identity） 号码，分别存放轨旁设备的数据信息，并通过AT 指令，向轨旁监测设备下发时间同步信息和OTA 升级信息。

图4 轨旁监测设备与OneNET 云平台信息交互

3.2 云应用服务器

考虑到系统应用时的数据量、存储空间、可定制化程度、运算及分发能力等需求，本系统按照“服务器+客户端”模式进行架设，既可以满足强电危害监测系统的定制化需求，将轨旁监测设备纳入统一管理；又方便后续其他监测项目的接入，减少开发难度。

云应用服务器实现系统的数据获取、存储、运算、分发，信息管理及修改，时钟同步等功能，具体如下。

1）获取数据及存储。云应用服务器按照固定周期，使用TCP 协议的GET 命令从物联网云平台获取数据，把新获取的数据和数据库的现有数据做比对，存储更新的数据，舍弃重复的数据。

2）处理数据。云应用服务器对从物联网平台获取的数据，按照设定的规则进行统计、分析、拆分、重组等处理，把运算结果存储在数据库中，并定期对数据库的信息进行转存备份。

3）分发数据。当监测终端与云应用服务器连接时，云应用服务器会根据登录账号的权限信息和上次分发数据的时间标记，向监测终端推送更新的数据。

4）信息管理及修改。云应用服务器对整个系统中的设备数据信息、账户信息、报警信息、雷电信息、工频信息、历史信息等进行存储和管理，实现信息查询、账户及设备的添加、修改等操作。

5）时钟同步。当监测终端和云应用服务器处于连接状态时，云应用服务器下发授时指令，与监测终端时间同步。

4 监测终端

按照铁路系统现有模式，监测终端分为局级、段级、车间级、站级4 种权限级别。不同权限级别的监测终端，只能查询和管理权限允许范围内的数据。

监测终端是维护人员获取数据和更新配置的重要窗口，其主要功能包括软件登录、用户管理、组织管理、设备管理、综合监控、告警信息、数据分析、历史查询等。数据信息以图形化的方式展现，用户可以直观、清晰地查看登录账户管辖范围内，所有轨旁监测设备的实时工作状态及报警信息。

5 信息数据安全措施

阿里、华为、腾讯等主流云服务器均通过了较高的安全认证，有系统性的数据防护措施，能够保证数据的安全性。考虑到铁路系统对云传输和存储数据有更严格的安全性要求，该监测系统在用户密码、信息数据传输、数据库文件等方面采取了加密措施，且增加了数据备份功能。强电危害监测系统信息数据安全措施见图5。系统在日常使用中，如果出现信息数据被截获、病毒入侵、数据库文件被拷贝或恶意破坏等情况，能确保信息内容不泄露，用户数据可恢复，进而保证信息数据的安全性。

图5 强电危害监测系统信息数据安全措施示意图

1）用户密码加密。账户设置登录密码和二级密码，采用SHA256 哈希值加密。

2）信息数据传输加密。为了保证数据传输的安全性，本系统采用密文方式传输消息。轨旁设备和OneNET 平台之间通信采用LwM2M 协议，通过DTLS 算法进行加密处理；OneNET 平台和云应用服务器之间通信采用HTTPS 协议，数据通过AES算法加密处理。云应用服务器和监测终端之间的传输内容为字节流，根据通信协议要求拼接字节流，并经过CRC 校验和Base64 算法加密处理。

3）数据库文件安全措施。数据库加入用户身份鉴别功能，且无需使用Root 和管理员权限登录，即可防止非授权用户对数据库的恶意存取和破坏。系统对账号密码和数据信息采用MD5 算法加密后，再写入数据库，减少数据泄露的问题。

4）信息数据存储备份。数据库定期在云端和线下进行数据备份，即使出现病毒入侵、人为误删除、软硬件故障等情况，数据也可恢复到任意备份点。

6 结论

1）本文基于窄带物联网技术，设计了一种轨道电路轨旁设备强电危害监测系统。该监测系统具有低功耗、无线传输的特性，实现了对轨道电路轨旁设备开关量信息、雷电信息、工频过电流信息的监测，以及强电危害水平的量化分析。

2） 通过实验室模拟雷电流和工频过电流试验，监测系统能够有效过滤发生器充电和触发时叠加在线路上的干扰，实时采集雷电流和工频电流数据，并通过NB-IOT 上传给云平台。通过多通道示波器，比对监测系统和发生器本身的雷电流波形，监测系统采集的雷电流波形虽有部分尖脉冲叠加，但整体形状和走势与发生器本身波形一致，可以满足现场应用需求。

3）在完成监测系统现场架设后，监测系统采集的实时信息可以为现场维护和故障处理提供帮助，从而提高现场处理故障效率。特别是监测系统提供的量化数据，便于技术人员在事后故障分析时发现问题原因，另外，随着时间的累积和监测站点的增多，监测系统积累的大量数据，可为相关标准制定、设备测试等方面提供数据支撑和优化建议。