基于5G技术的动车组车载数据传输及监控系统研究

杨春辉，孙 鹏，程 凯

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

5G技术作为新一代移动通信技术，具有大容量、高数据传输速率、低时延等特点，在增强移动宽带、大规模物联网和超高可靠、超低时延通信场景存在典型应用，其增强移动宽带和超高可靠、超低时延通信应用场景与动车组智能运用检修的建设发展目标极为契合。构建安全、可靠、高效的动车组智能运维体系，是实现智能动车组的安全风险超前防范和定制化精准维修，保障行车安全和运维效率的基础[1-2]。

动车组车载数据分为实时数据和非实时数据，实时数据主要是对运行动车组故障、运行参数、实时位置数据的定期采样，通过2G或者4G网络进行实时传输，非实时数据则记录了完整的过程数据，通过手动复制方式进行数据下载分析[3-5]。结合实际的业务应用实践，目前，车载数据传输及监控主要面临以下挑战：

（1）车载数据传输速率慢，监控报警存在延时；

（2）传输内容数据量受限，不利于全面分析动车组车载状态；

（3）并发传输能力不足，高峰时期影响传输速率。

车载数据传输因受制于既有网络传输技术，无法实现全量车载数据的实时传输。结合5G网络的增强移动宽带、超高可靠、低时延通信能力，全面提升速率、时延、覆盖等网络性能指标，本文提出将全量车载数据实时传输给地面监控系统，形成适合动车组车载实时数据传输与应用的5G技术应用方案，以更好地支持动车组运行状态的管理分析，提升动车组运营安全水平和检修效率。

1 系统总体架构

采用5G技术的车载数据传输及监控系统架构，如图1所示。

图1 基于5G技术的车载数据传输及监控系统架构

动车组利用5G技术将车载全量运行数据、故障数据、位置数据通过机辆信息管理平台和一体化集成平台传输到地面系统，在基础层进行数据的存储，通过平台层的数据解析、抽取，形成数据仓库，为用户提供动车组运行状态实时监控、实时故障报警关联分析和大数据智能预测分析应用服务。

1.1 基础层

动车组车载数据借助5G网络通过机辆信息管理平台和一体化信息集成平台实现数据的安全传输，基础层实现数据的接收及原始数据的存储。为应对车载数据大数据量的传输特性，在保证数据安全的前提下，通过负载均衡机制实现数据的均衡、高效处理。

机辆信息管理平台在将动车组车载数据传输到动车组车载数据传输及监控系统的同时，也将数据同步转发到机辆造修企业，便于机辆造修企业分析动车组运行状态，为后续改进设计制造提供支撑。

1.2 平台层

平台层对基础层原始数据解析、分析后，将数据按照不同业务场景需求进行多层次数据抽取，结合外部数据接口等进行数据的整合，根据上层应用的具体需要建立相应的数据仓库，为应用层提供数据支持。

平台层作为中间层，在实时数据处理过程中，通过采用消息处理机制实现数据的实时处理，避免出现数据的积压，保障上层动车组车载数据的实时监控。

1.3 应用层

应用层通过平台层的数据仓库获取数据源，通过直观可视化方式为铁路企业用户提供应用访问服务。

通过对动车组车载全量数据的深入分析，实现对动车组运行状态的实时监控、实时故障报警关联分析和大数据智能预测分析功能，为用户提供处置建议和决策参考。

2 系统功能

2.1 运行状态实时监控

对全量车载运行数据、故障数据和位置数据的解析和抽取，可直观反应动车组实时的运行状态，包括动车组牵引、制动、轴温、车门、空调等多个子系统的实时运行数据，通过实时参数快照、重点参数监控等功能，可以使铁路局集团公司用户实时、直观地获取最新动车组运行情况[6]；通过故障数据，铁路局集团公司用户可实时掌握动车组故障报警信息，及时进行分析和处置。

通过实时监控运行状态，可大幅提高故障发现率，降低行车事故的发生，加快处置速度，有力地支持运输安全生产。

2.2 实时故障报警关联分析

借助于5G网络增强移动宽带和高可靠、低时延通信能力，提升车载数据传输通道的传输速率和传输容量等网络性能指标，车载设备可将全量数据实时传输到地面服务器，在故障发生时，通过对相关运行参数的整合，实现对故障原因更精准的关联分析，分析处理流程，如图2所示。

对车载故障进行跟踪分析时，可调取该故障发生时刻一段时间内动车组详细运行状态数据，对故障发生的机理进行深入分析和排查，为避免发生类似故障提供更多有价值的数据支撑[7-8]。

图2 动车组故障报警关联分析处理流程

2.3 大数据智能预测分析

大数据分析和应用依赖海量数据作为数据支撑，5G技术的增强移动带宽能力可满足车载全量数据的传输，给大数据分析和应用提供了数据基础，动车组车载数据包含的状态信息及环境参数可直观反应动车组的工作状况，通过对3 000余列动车组车载数据的抽取、分析，形成数据仓库，为大数据智能预测分析提供数据和工具支撑，数据仓库包含的数据及预测分析结构，如图3所示。

图3 数据仓库及预测分析结构

数据仓库的3层结构实现数据的整合和细化。

（1）原始数据解析后形成的运行参数数据、故障数据和轨迹位置数据存放在数据明细层；

（2）将运行参数数据与故障数据进行部件级的整合形成数据中间层，数据中间层可对部件的状态有更全面的感知；

（3）数据服务层实现车辆级、线路级等数据的整合，为智能预测分析提供完整的数据服务，实现对故障的预测报警。从而可提前采取相关措施，掌握动车组质量性能演变及故障发生规律，实现智能分析和超前预警监控，进一步保障动车组的安全运行。

3 关键技术

3.1 增强带宽技术

既有车载数据传输是将定时采样的数据传输到地面系统，全量车载数据是在动车组进入动车运用所后再通过WLAN方式进行下载，其数据量比定时采样大得多。5G技术通过采用高频段通信及大规模天线阵列等技术，能显著提高无线网络信号、数据传输容量和频谱利用率，其上行用户体验速度可达到50 Mbps以上，将全量车载数据实时传输到地面系统，可实现更全面、更完整的监控和数据分析。

3.2 高可靠低时延技术

动车组在运行过程中，存在动车组高速移动、信号基站频繁切换等问题，网络环境较为复杂多变，车载数据传输需要保证在复杂环境下的高可靠性且网络时延尽可能低。针对高可靠性、低时延的要求，5G技术可在终端与网络建立双通道，两条通道互为备份，确保连接的可靠性，5G技术可实现的端到端时延约为4G的1/5，达到1～10 ns，支持的移动速度高达500 km/h等，实现数据传输的高可靠性、低时延要求。

3.3 网络切片技术

动车组车载数据可直观反应动车组的运行状态，对于动车组运行安全具有重要参考价值，同时也存在数据泄露风险，通过5G网络切片技术，可为车载数据传输提供专用网络通道，保证数据安全的同时，也可在应急指挥调度情况下优先安全接入，实现相对独立的网络传输环境，进一步保障动车组运行安全[9-10]。

4 结束语

将5G相关技术应用到动车组车载数据实时传输，大幅提升了动车组车载数据传输的性能及监控系统的功能，综合利用5G技术可将更加丰富的车载数据传输到地面监控服务器，为进一步开展数据决策分析研究建立基础。后续可重点围绕车载数据分析和大数据预测分析开展研究及应用，提升动车组故障预测分析能力，更好地保障动车组行车安全。