铁路计量设备多功能智能巡检装置的研究

2021-04-22张纪暐中国铁路上海局集团有限公司科研所

上海铁道增刊 2021年1期

张纪暐中国铁路上海局集团有限公司科研所

1 概述

铁路计量设备大量应用在运输、工务、机辆等单位的维修、养护、集中修等各方面，设备状况好坏对生产安全有着举足轻重的作用，但计量管理人员数量十分有限，不可能做到对一个单位逾万件计量器具的巡查管理，因此需要研究智能巡检装置，可以将此项工作进行有效妥当的计划安排，对计量工作协管人员的日常巡查进行监督，并及时反馈设备的不良状况，减少因计量设备问题引起的生产工作延误。同时对计量设备很重要的溯源周期信息进行及时跟踪，防止出现设备超出管理有效期的情况发生。

2 方案设计

2.1 主要内容

（1）研制一款手持多功能智能移动终端及专用APP软件

①具有设备巡检、4G LTE通讯、对讲等功能；

②信息采集：支持图像及音视频记录；

③信息传输：支持LTE全网通，可以接入任意运营商的公用网络；支持模拟对讲，可以实现手持多功能智能移动终端设备之间的模拟通讯。

④专用APP 软件由巡检作业管理、设备故障管理、视频与录音管理等作业模块组成；

（2）编制开发后台作业管理系统

对系统基础信息进行维护和对现场作业数据统计分析、查询、浏览、报表生成、问题反馈、作业质量评价等；

（3）计量设备信息数据交互模块

实现巡检系统与所属专业信息系统之间设备数据交换，达到设备全过程有效管理。

2.2 关键技术

（1）采用NFC 芯片技术，用扫描方式实现信息采集，可读可写，且安全性高；

（2）采用JAVA 语言编写专用作业APP 和后台作业管理系统，利用其多样化的统计分析功能将繁杂的系统数据变成直观的图表等形式；

（3）针对现场作业环境信号不稳定特性，利用数据缓存技术，建立手持多功能智能移动终端离线数据缓存功能，实现信息暂存；

（4）采用MTK手机芯片技术，实现所有制式的信号通讯；

（5）利用专业对讲模块，实现模拟对讲功能。

2.3 逻辑架构

经调研分析，结合用户的使用需求，并通过多个方案的设计、比较，最终确定设计方案为：利用手持多功能智能移动终端扫描预先制作好的各设备上的NFC 芯片，然后经由选择项或输入文字记录巡检设备信息，进行报备。期间可进行对讲、摄像、调度等功能操作，后台可进行查询统计，逻辑架构如图1所示。

图1 逻辑架构图

如图1 所示的设备巡检流程：巡检员通过使用手持多功能移动终端扫描设备对应的NFC 芯片，并且通过专用APP 上传数据后，设备巡检数据首先到达后台作业管理系统，后台作业管理系统存储故障后，再将故障数据通过设备数据交互模块发送到信息系统中。

3 功能设计

3.1 手持多功能智能移动终端及专用APP软件

（1）全网通移动通话模块

本手持智能终端通过MTK 手机芯片实现了4G LTE 全网通的功能，同时实现了双卡双待等功能。

（2）模拟对讲模块

单纯的模拟对讲技术目前在市场上应用广泛，技术已经十分成熟，但是该模块和LTE 通讯是完全不同的技术，在同样需要调用硬件语音输入输出模块的情况下无法做到兼容，只能采用优先级切换技术来实现将各个模块糅合到同一台设备上。在这里我们把LTE 的语音通话功能设为高优先级，模拟语音对讲设为低优先级，当两者发生冲突时，高优先级功能抢占语音输入输出设备（喇叭、麦克和听筒）。

在设计阶段，我们将模拟对讲工作频率设为可调，由用户自行设定频率，用户打开模拟对讲机功能后，模拟对讲机一直处于接收状态；一旦按下“PTT”按键后，CPU 控制对讲机模块处于发射状态，把从正面MIC 采集进来的声音信号传送到对讲机模块输入端，对讲机模块再把声音信号调制到发射载波上，通过对讲机天线把信号发射出去。

（3）专用APP的软件

专用APP 由巡视管理、设备管理、音视频管理、系统设置组成，其中巡视管理由NFC 巡视组成，用户可以实时查看巡视记录；设备管理由新增设备问题与筛选设备问题组成，可以通过多个筛选项来筛选查看设备故障信息；音视频管理可以实时录制视频以及录音，并上传到后台作业管理系统中；系统设置由待上传列表、软件更新、数据更新、关于系统等组成，其中待上传列表用于保存因网络信号不好的情况下暂存在手持多功能移动终端缓存中的数据，并且支持录入巡视中发现的问题，丰富巡视内容，做到巡视问题清单维护在工作上的连贯、便捷。同时对于设备报修管理模块，与信息系统进行信息交互，实现对设备故障报修到修复的全过程有效管理。专用APP已完全改变传统的多设备及纸质台账的工作与管理模式，以提高计量设备巡检作业效率和管理水平（图2）。

图2 手持多功能智能移动终端硬件结构图

3.2 NFC芯片

采用的NFC芯片硬件结构标准如下：

（1）容量为 8K 位 EEPROM。

（2）分为 16 个扇区，每个扇区为 4 块，每块 16 个字节，以块为存取单位。

（3）每个扇区有独立的一组密码及访问控制。

（4）每张卡有唯一序列号，为 32 位。

（5）具有防冲突机制，支持多卡操作。

（6）无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。

（7）数据保存期为 10 年，可改写 10 万次，读无限次。

（8）工作温度：-20 ℃ ～50 ℃ ( 湿度为 90%)。

（9）工作频率：13.56MHZ。

（10）通信速率：106 KBPS。

（11）读写距离：10 cm 以内（与读写器有关）。

NFC 芯片中将会存入设备名称、设置ID、位置等参数，工作人员通过手持多功能移动终端扫描NFC 芯片，将会读取其中的信息传入专用APP中。

4 安全设计

系统采用HTTPS 协议与客户端之间进行通讯并进行完整性校验。通过防火墙等防护设备实现边界基础防护；通过基于数据流的攻击防范设备对跨越边界的访问和数据流进行控制和验证，实现受控接口通信。采用HTTPS 协议为互联网用户提供服务，在互联网边界安全设备上仅开通SSL 协议通讯端口进行数据传输；在安全边界设备上实现对源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议的管控；通过定期梳理访问控制规则列表，删除多余或无效的访问控制规则，实现访问控制规则数量最小化。系统部署边界防火墙，并开启病毒过滤功能，对网络数据流中的病毒、恶意代码进行扫描和过滤处理。边界防火墙开启病毒库自动更新策略，确保病毒库实时更新，有效预防和阻断新型网络病毒、蠕虫、木马等恶意代码的攻击。使用统一部署日志审计系统，实现对系统网络流量和用户行为实时解析、分析、记录、报告，协助应用系统安全管理员开展事前规划预防、事中实时监视、违规行为响应、事后合规报告、事故追踪溯源。利用统一部署的态势感知平台，实现各类数据采集和集中存储、备份，并对数据进行综合处理和关联分析。通过设置日志数据备份策略，避免受到未预期的删除、修改或覆盖，确保日志数据留存时间在6个月以上。