基于5G技术的铁路基础设施动态检测数据实时汇聚方案研究

姚 莉，陶 凯，张文轩，刘国跃，王 凡

（1.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

目前，铁路基础设施日常运营检测主要依靠高速综合检测列车、综合巡检车、运营动车组搭载式检测设备等移动检测装备进行运营检测，具有多列车并发工作、运行时间长、检测速度快、检测数据量大、结果需及时处理等特点[1]。以高速综合检测列车为例，其对高速铁路运营线路进行每月两次的等速检测，检测过程中发现的检测数据偏差和超限需要实时处理，检测结束后生成的检测结果和报告需要及时分发到沿线的养护维修单位，对传输稳定性、应用时效性和数据安全性都有较高要求。因此，亟需对铁路基础设施动态检测数据实时汇聚方案进行研究，建立全新的动态检测数据实时汇聚方案总体架构，实现动态检测数据的实时汇聚应用。

近年来我国5G移动通信（简称：5G）技术发展迅速，其广连接、大带宽、低时延等技术特性与检测数据的应用需求相适应，能够有效解决铁路基础设施动态检测数据的实时汇聚问题。因此，本文在5G相关的技术成果基础上，提出铁路基础设施动态检测数据实时汇聚方案。通过检测数据的实时汇聚、安全传输，为进一步实现更稳定、更安全、更智能的高速铁路基础设施动态检测服务提供安全、有效的技术保障。

1 存在问题及研究现状

1.1 存在问题

近年来，随着铁路信息化建设的深入，基础设施检测业务不断进步，动态检测对象和设备种类也逐渐增加。单次检测任务中，工务、供电、电务等专业的各类检测设备都会产生海量的动态检测数据，其中，主要以非结构化数据为主。

目前，铁路基础设施动态检测数据主要通过人工拷贝的方式接入铁路基础设施检测地面数据中心（简称：地面数据中心），并以刻录光盘的方式下发给站段添乘人员，检测分析及报告编制等的数据归集工作对人工依赖性高，导致整体效率较低[2]。

检测数据归集模式的主要问题包括：

（1）归集时效性差，人工归集全量检测数据在检测任务结束若干天后才能完成；

（2）数据规范性、完整性、准确性难以保障，人工归集过程缺少自动化流程，数据丢失、拷贝错误等问题难以避免，影响后期数据治理及分析的准确性[3]。

1.2 研究现状

目前，中国铁道铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所已研发了基于4G移动通信（简称：4G）技术的车地无线传输系统。利用车载无线传输客户端，通过4G网络将多专业检测结果数据传输至地面数据接收服务器，在48 h内完成检测数据的接收存储[4]，通过4G网络初步实现了车载数据到地面的自动化数据汇聚。

在供电6C检测体系研究中，该研究所尝试通过4G网络解决接触网检测数据的传输问题，车载接触网运行状态检测装置（3C检测系统）实现了5 s固定周期的接触网检测缺陷数据的准实时接收，同时，提供车地远程控制、缺陷报警等功能。

2 总体架构

为解决上述问题，本文结合综合检测列车数据传输及车地交互运用要求，设计了动态检测数据实时汇聚方案总体架构，包括车载无线传输系统、统一数据归集系统、检测数据综合分析平台3部分，提供综合检测全量数据的数据传输、数据接入、数据存储、计算分析及共享应用能力，总体架构如图1所示。

图1 铁路基础设施动态检测数据实时汇聚方案总体架构

车载无线传输系统与车载综合系统间实现数据交互，车载综合系统由数据集中管理子系统和集中控制子系统构成，数据集中管理子系统负责车载检测数据的归集和存储，集中控制子系统负责车载检测系统的状态监控和操作控制[5]。

2.1 车载无线传输系统

车载无线传输系统支持检测数据、控制指令、日志信息等内容在车地间基于4G/5G网络的双向交互，同时，提供数据传输过程的安全控制及管理功能，包括传输内容管理、传输配置管理、传输级别管理、远程控制服务等功能，实现检测数据分级分类的传输管理与控制，如表1所示，从而保障将车载无线传输设备接收到的数据高效、完整地发送到地面数据归集系统。

表1 车载无线传输系统功能清单

系统通过提供指令传输、数据传输、文件传输、消息接收等服务，实现车载系统与地面系统之间的数据交互，系统数据流向如图2所示。

图2 车载无线传输系统数据流向

车载无线传输系统提供完整的数据传输及管理功能，支持3G～5G网络频段，传输速率不低于10 Mbps，满足动态检测数据传输效率及安全性要求。

2.2 统一数据归集系统

该系统支持车地数据交互联动，可实现统一接收在线无线传输设备向地面发送的数据，同时，实现车载无线传输设备的身份认证和数据校验。系统在内外网同时部署，外网服务端接收来自互联网的各类检测车、固定监测设备、空天遥测等数据，通过安全平台传输到内网中，由内网接收服务接收，并供内网中的应用使用。

系统提供标准的客户端接入方案，满足不同网络、不同环境、不同类型的数据接收与转发，包含4个功能模块，分别为协议网关、传输服务、服务注册中心和管理平台，系统架构如图3所示。

图3 统一数据归集系统架构

统一数据归集系统，具备实时接收文件、指令、消息的能力，满足动态检测数据的汇聚时效性要求，为各类业务场景下的数据归集提供数据接收服务，性能指标如表2所示。

表2 地面数据接收系统性能指标

2.3 检测数据综合分析平台

检测数据综合分析平台提供数据源管理、数据存储、数据处理、数据治理、数据服务和系统配置与管理6项功能，支持数据查询服务、数据质量稽查和数据下载服务，可实现多专业的检测数据汇集、存储和共享交互，为故障诊断、状态评价和趋势预测等智能分析业务提供技术支撑[6]，平台架构如图4所示。

图4 检测数据综合分析平台架构

检测数据综合分析平台支持数据吞吐量峰值大于300 Mbps，日常工作负载下支持的数据吞吐量大于100 Mbps，检测数据共享API接口响应时间小于5 s。

3 关键技术

3.1 检测数据归集

检测数据归集主要是将各车载检测系统产生的检测原始数据和检测结果数据等通过4G/5G网络归集到地面统一数据归集系统的存储服务器中，并实现基于检测任务的分专业检测文件的规范存储[7]。

归集的检测数据从类型上分为非结构化数据和结构化数据，其中，结构化数据也以非结构化的文件形式存储[8]。检测文件基于检测任务、检测专业等信息进行规范化存储[9]，如图5所示。

图5 检测文件存储目录结构

3.2 检测数据传输

检测数据在检测任务执行过程中由检测系统实时生成，在车载端完成数据归集后，利用5G技术，实现检测数据从车到地的安全高效传输[10]，具体数据传输内容如表3、表4所示。

表3 检测数据传输内容

表4 其他数据传输内容

根据时效性要求，动态检测数据分别通过文件、数据流、控制指令3类传输通道进行传输，具体数据传输流如图6所示。

图6 动态检测数据传输流示意

4 应用效果

本文研究的基于5G技术的铁路基础设施动态检测数据实时汇聚方案将作为第2代综合检测列车研发方案的重要组成部分，应用于车载无人检测业务场景中，实现动态检测数据的实时汇聚及应用，全面提升综合检测服务水平。

基于5G技术的检测数据车载无线传输系统已经在国家铁道环形实验基地和京张（北京—张家口）高速铁路进行了生产性试验，系统主界面如图7所示，系统功能、性能测试均满足设计要求。系统已在CRH380AJ-2 818高速铁路综合检测列车上试运行，实现检测数据的实时传输。在5G网络环境下，系统传输速率均值达到10.1 Mbps，为车地间稳定、高效的数据交互打下了良好的技术基础。

图7 车载无线传输系统主界面

5 结束语

本文设计了基于5G技术的铁路基础设施动态检测数据的实时汇聚方案总体架构，并对关键技术进行了充分阐述，为解决动态检测数据汇聚过程中时效性、规范性、安全性等相关问题提供了思路和解决方案，为铁路基础设施智能化检测发展奠定技术基础。未来，5G及大数据技术将进一步为铁路基础设施检测领域带来技术革新，加速推动基础设施检测业务向精准修、智能修、预防修全面转型。