基于AirFlash 5G技术的车地高速转储系统在城市轨道交通列车上的应用.pdf

第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3运用检修文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 6 7-0 6基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统在城市轨道交通列车上的应用张广吉,田宗举,高会永(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 2 6 6 0 3 1)摘 要:轨道交通是国民经济和社会发展的战略性产业,是实施交通强国战略的重要支撑。新中国成立以来,我国轨道交通装备产业的发展取得了长足进步,特别是党的十八大以来,轨道交通装备产业自主创新步伐不断加快,实时以太网控车技术应用于轨道列车,车载设备的数字化和智能化水平飞速发展,使得车载控制数据、故障数据及健康管理数据呈指数级增长。伴随着大数据、数据挖掘技术的日益成熟,车载数据变得尤为重要,如何快速安全地实现车地数据转储成为一个新课题。本文阐述了基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统的组成、硬件方案及在城市轨道交通列车上的应用,该技术在城市轨道交通行业的应用可促进城市轨道交通行业加快应用5 G技术,完成数字化转型,提升城市轨道交通行业的维保效率和数据安全。关键词:A i r F l a s h;5 G;毫米波;车地高速转储;城市轨道交通中图分类号:U 2 8 5.4 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 1 3A p p l i c a t i o n o f A i r F l a s h 5 G T e c h n o l o g y-b a s e d V e h i c l e-g r o u n d H i g h-s p e e d D u m p S y s t e m o n U r b a n R a i l T r a n s i t T r a i n sZ HANG G u a n g j i,T I AN Z o n g j u,GAO H u i y o n g(C R R C Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t:R a i l t r a n s i t i s a s t r a t e g i c i n d u s t r y f o r n a t i o n a l e c o n o m i c a n d s o c i a l d e v e l o p m e n t,a n d a n i m p o r t a n t s u p p o r t f o r i m p l e m e n t i n g t h e s t r a t e g y o f a c o u n t r y w i t h s t r o n g t r a n s p o r t a t i o n n e t w o r k.S i n c e t h e f o u n d i n g o f N e w C h i n a,g r e a t s t r i d e h a s b e e n m a d e i n t h e d e v e l o p m e n t o f C h i n a s r a i l t r a n s i t e q u i p m e n t i n d u s t r y.E s p e c i a l l y s i n c e t h e 1 8 t h N a t i o n a l C o n g r e s s o f t h e C o mm u n i s t P a r t y o f C h i n a,t h e p a c e o f i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n o f t h e i n d u s t r y h a s b e e n a c c e l e r a t i n g.D u e t o t h e a p p l i c a t i o n o f r e a l-t i m e E t h e r n e t v e h i c l e c o n t r o l t e c h n o l o g y o n r a i l t r a i n s,t h e d i g i t a l a n d i n t e l l i g e n t l e v e l s o f o n-b o a r d e q u i p m e n t h a v e d e v e l o p e d r a p i d l y,w h i c h m a k e s t h e o n-b o a r d c o n t r o l d a t a,f a u l t d a t a a n d h e a l t h m a n a g e m e n t d a t a g r o w e x p o n e n t i a l l y.A l o n g w i t h t h e m a t u r i t y o f b i g d a t a a n d d a t a m i n i n g t e c h n o l o g y,o n-b o a r d d a t a h a s b e c o m e p a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t.H o w t o q u i c k l y a n d s a f e l y r e a l i z e t h e v e h i c l e-t o-g r o u n d d a t a d u m p h a s b e c o m e a n e w t o p i c.T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o m p o s i t i o n,h a r d w a r e s c h e m e a n d a p p l i c a t i o n o f t h e v e h i c l e-g r o u n d h i g h-s p e e d d u m p s y s t e m b a s e d o n A i r F l a s h 5 G t e c h n o l o g y i n u r b a n r a i l t r a n s i t.T h e a p p l i c a t i o n o f t h i s t e c h n o l o g y c a n p r o m o t e t h e u r b a n r a i l t r a n s i t i n d u s t r y t o a c c e l e r a t e t h e a p p l i c a t i o n o f 5 G t e c h n o l o g y,c o m p l e t e d i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n,a n d i m p r o v e t h e m a i n t e n a n c e e f f i c i e n c y a n d d a t a s e c u r i t y o f u r b a n r a i l t r a n s i t i n d u s t r y.K e y w o r d s:A i r F l a s h;5 G;m i l l i m e t e r w a v e;v e h i c l e-g r o u n d h i g h-s p e e d d u m p;u r b a n r a i l t r a n s i t收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 6第一作者:张广吉(1 9 9 0),男,工程师。随着工业实时以太网作为控车网络在高铁及城市轨道交通列车上的逐渐应用,传统MV B控车网络传输带宽较小的问题得以解决1,工业实时以太网网络总线传输速率可达到1 0 0 M b i t/s或1 0 0 0 M b i t/s,因其通信速率高、大带宽的特点,多网融合、智能运维、健康管理等也逐渐在列车上应用,但随之产生的大量运行数据、故障数据及视频数据如何实现车地转储成为急需解决的问题2。以往的车地数据转储工作需要等列车回库以后,由运 维 人 员 通 过U盘 或 笔 记 本 便 携 式 测 试 单 元第6 0卷第5期2 0 2 3年9月(P o r t a b l e T e s t i n g U n i t,P TU)拷贝的形式,将车载数据带回到数据中心,手动上传至服务器。每列车有多个系统的数据需要下载,包括运行数据、故障数据及视频数据等,全部下载大约需要半个小时,另外,人工下载存在错下误下、存储介质丢失的隐患,大大降低了运维效率和数据安全。但随着5 G通信技术的应用,结合最新的5 G技术,A i r F l a s h 5 G技术为车地数据转储提供了新的解决方案3。A i r F l a s h 5 G技术使用最新5 G毫米波移动通信技术,基于端到端的全新通信体系架构,采用全新毫米波频段、多天线、波束赋型等先进技术,具有超高宽带、超低时延、多连接等特性4-6。城市轨道交通列车车地数据转储系统利用A i r F l a s h 5 G技术可以实现车地设备自动链接、自动身份认证、自动加密、自动上传等,实现车 载 数 据 的 自 动 下 载,其 最 大 传 输 速 率 可 高 达1.7 G b p s。1 技术背景既有列车车地数据转储的方式有人工转储、4 G/5 G移动网络实时转储、WL AN转储及A i r F l a s h 5 G转储,以上转储方式优缺点对比如表1所示,人工转储需要人工全程参与车载数据的下载、上传等工作,造成运维成本高昂。4 G/5 G移动网络实时转储虽然实时性比较高,但全寿命周期3 0年的流量费用导致运维成本高昂,并且是以公网作为传输通道载体,安全性较低。WL AN转储因其传输速度、覆盖区域的限制,需要铺设多个WL AN天线覆盖库内全部区域,造成铺设成本较高。A i r F l a s h 5 G转储最大传输速率超过1.7 G b p s,可仅在咽喉区域布置2台地面无线电基站(R a d i o B a s e S t a t i o n,R B S),在列车低速通过时接收车载数据,实现车地数据转储7。通过对比可知,A i r-F l a s h 5 G转储在铺设成本、运维成本、安全性等方面具有明显优势,在实时性方面低于4 G/5 G移动网络实时转储,但高于人工转储、WL AN转储。表1 转储方式优缺点转储方式铺设成本运维成本安全性实时性人工转储低高高低4 G/5 G移动网络实时转储低高低高WL AN转储高低低低A i r F l a s h 5 G转储低低高中2 技术方案A i r F l a s h 5 G车地转储系统分为车载部分及地面部分。车载部分包括车载网关和车载终端接入单元(T e r m i n a l A c c e s s U n i t,T AU)天线,地面部分包括地面R B S基站和地面数据中心,配置清单如表2所示,其中车载T AU天线和地面R B S基站使用华为公司产品,车载网关和地面数据中心为中车四方所研发设计产品。表2 配置清单位置设备名称数量备注车载车载网关12需根据网络拓扑确定车载T AU天线12需根据网络拓扑确定千兆以太网线、百兆以太网线缆(或 MV B线缆)若干地面轨旁R B S基站(含供电套件)2光纤线缆若干数据中心防火墙1套高性能大容量服务器1套交换机视情况配置 A i r F l a s h 5 G车地转储系统数据流示意图如图1所示。车载网关主要实现车载数据如运行数据、故障数据及视频数据的采集、缓存及整理功能,如当前列车未安装无线传输装置或数据记录仪等设备,车载网关需具备数据采集及存储功能。如当前列车已安装无线传输装置或数据记录仪等设备,需要此类设备通过以太网总线或MV B总线将收集的数据转发给车载网关。车载网关与T AU天线之间通过千兆以太网线缆连接,经由车载T AU天线与地面R B S基站建立的5 G毫米波通道,与地面数据中心实现数据交互,经安全认证后,自动完成车地数据的上传。地面R B S基站实现数据接收,当车载T AU天线与地面R B S基站之间的直线距离小于3 0 0 m,且方向在9 0 范围内时,车载T AU天线与地面R B S基站之间建立5 G高速安全链路传输通道,传输速率可达到千兆比特每秒,实现高速的数据转储,其覆盖范围如图2所示。地面数据中心经5 G A i r F a l s h传输通道与车载设备进行车地数据安全传输,实现车载数据的自动、高速转储。数据中心配置地面智能数据管理系统,可将不同类型的数据自动过滤、汇总、分析,实现数据智能管理。用户可通过内部安全局域网络访问数据并提供客制化服务。86基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统在城市轨道交通列车上的应用 张广吉,田宗举,高会永图1 A i r F l a s h 5 G车地转储系统数据流示意图图2 T A U天线和R B S基站覆盖范围3 硬件方案3.1 车载网关车载网关由背板、电源板1、电源板2、C P U-A板、MV B板、防火墙板、C P U-B板、存储卡和A i r F l a s h 5 G板组成,机箱示意图如图3所示。图3 车载网关机箱示意图 主要功能如下:(1)背板:为其他板卡提供电源和数据传输通道;(2)电源板:将D C 1 1 0 V转换为D C 5 V,通过背板总线向机箱内各个板卡供电;(3)C P U-A板:整个车载网关的中央处理单元,调度其余模块实现车载网关的各项功能,具有3路独立的以太网接口,1路千兆以太网口和2路百兆网口,其中2路百兆以太网口可接入列车以太网总线,采集列车需要落地数据,1路千兆以太网口通过防火墙板与C P U-B板进行单向通信;(4)MV B板(可选):如列车为MV B控车,实现与其他设备的MV B通信,收集MV B数据后通过背板总线传输给C P U-A板;(5)防火墙板:实现C P U-A板与C P U-B板的物理隔离,仅允许C P U-A板单向访问C P U-B板,禁止C P U-B板访问C P U-A板,进而实现A i r F l a s h 5 G网络与控车网络的隔离;(6)C P U-B板:接收C P U-A板传输的需要落地的数据,并将需要落地的数据临时存储到存储卡,当车载T AU天线与地面R B S基站成功建立连接之后,将存储卡临时存储的需要落地的数据快速地传输到地面数据中心;(7)存储卡:临时存放需要落地的数据,一般选取1 T以上的S AT A盘;(8)A i r F l a s h 5 G板:具有1路M 1 2 A电源接口,为P O E+接口提供内部电源转换,1路带P o E+功能的千兆以太网口,为车载T AU天线供电及提供以太网通讯,1路普通千兆以太网口与C P U-B板直连,通过车载T AU天 线与轨 旁R B S基 站 建 立5 G A i r F l a s h高速连接,可实现定点非实时数据的高速、短距离、大容量快速传输。3.2 车载T A U天线车载T AU天线采用华为公司产品,与地面R B S基站建立5 G高速安全链路传输通道,传输速率可达96第6 0卷第5期2 0 2 3年9月到1.7 G b p s,主要技术参数如表3所示。表3 车载T A U天线主要技术参数供电工作电压P O E供电额定功耗3 0 W技术参数频率5 76 4 GH z载波带宽2.1 6 GH z距离3 0 0 m空口容量空口带宽:峰值1.7 G b p s;业务下载:峰值1.5 G b p s通信通信接口E TH接口:M 1 2-X安装尺寸2 3 0 mm x 2 0 0 mm x 9 0 mm安装位置建议安装于车内司机室主驾驶前方玻璃或上方夹层 T AU设备示意图和实物图如图4所示(左仿真图,右实物图)。图4 车载T A U天线示意图和实物图3.3 地面R B S基站地面R B S基站采用华为公司产品,支持P O E+供电,可直接接入光纤,与地面数据中心建立高速连接通道。地面R B S基站的安装尺寸为2 9 0 mm2 1 0 mm9 5 mm,实物如图5所示,可集成G E/1 0 G E光口,经光纤方式接入地面数据中心,无需额外的交换机,即可实现远距离高速传输。3.4 地面数据中心地面数据中心主要由防火墙、地面高性能大容量服务器、交换机等组成,地面数据中心经A i r F a l s h 5 G传输通道,与车载设备进行车地安全数据传输,实现车载数据的自动、高速转储。数据中心配置地面智能数据管理系统,可将不同类型的数据自动过滤、汇总、分析,实现智能运维数据管理。用户可通过内部安全局域网络,访问数据并提供客制化服务。图5 地面R B S基站实物图 地面数据中心可配置地面智能数据管理系统网页端(W o r l d W i d e W e b,WE B),图6为系统示例,可实现故障数据的自动解析、智能筛选、重要故障智能提醒、故障统计、故障辅助分析、故障派工处理、列车参数分析(图7为例)等客制高级功能。用户可经内部安全局域网络,以WE B页面等可视化形式,实现车载数据的智能管理及运用,提高用户检修效率。图6 地面智能管理系统示意4 技术特点4.1 安全性为确保列车以太网控制网络的安全性及车地数据传输的可靠性,基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统设置有2层安全保护机制,分别为车载网关自带的防火墙板卡和A i r F l a s h 5 G技术加密机制。车载网关自带的防火墙板卡实现A i r F l a s h 5 G网络与控车网络的隔离,车载数据需要经车载网关汇总后经A i r F l a s h 5 G网络发到地面数据中心,因此需要在车载网关和车载T AU天线之间布置防火墙板卡,实现车载网关和车载T AU天线的单向通信,并在防火墙板卡配置安全 策略抵御外 部网络的侵 入和攻击8。防火墙板卡主要采用默认黑名单和分层过滤方案,只允许满足特定安全协议的报文通过9。防火墙板卡可以防止S YN f l o o d、A R P风暴、I CMP f l o o d、07基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统在城市轨道交通列车上的应用 张广吉,田宗举,高会永UD P f l o o d等攻击的入侵,制定严格的过滤机制和安全保护措施,可保障内部网络安全,进而确保列车控制网络安全及列车的行车安全1 0。图7 列车数据分析 区别与当前民用的WL AN(W i F i 4 W i F i 5)技术,采用A i r F l a s h 5 G技术在安全性上有独特的优势:(1)采用了6 0 GH z高频毫米波,如图8所示,频带远离民用信号,传输距离短,不易泄露和入侵,且采用了波束赋形(图9)定向传输技术,在物理层相对安全1 1;图8 毫米波频段图9 波束赋形技术 (2)采用了空口秘钥、车载设备认证、轨旁基站认证等技术,保证了空口接入安全;(3)采用空口加密、重传保护、不同业务V L AN隔离等技术,保证了空口数据安全。4.2 传输速率A i r F l a s h 5 G车地转储方案,车载网关C P U-A板实时采集总线上的数据,经防火墙后将数据汇总存储在C P U-B板,当车载T AU天线与地面R B S基站建立车地通信后,存储在C P U-B板上的车载数据将以千兆每秒的传输速率传输到地面设备。传输时列车2端并发回传,车辆运营1天的车载数据一般为3 0 G B左右,可在几分钟内完成全部数据的传输。5 结束语本文提出了基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统,简要说明了应用场景、系统组成、硬件方案及在安全性、传输速率等方面的特点,解决车载数据车地转储的问题,并且在运维效率、建设成本、传输效率及安全性方面具有较大优势,鉴于多方面的优势,基于A i r F l a s h 5 G技术的车地高速转储系统必然会在轨道交通行业得到广泛应用。参考文献:1 曹成鹏.以太网在地铁列车上的发展与应用J.现代城市轨道交通,2 0 2 2(1):9 7-1 0 2.C AO C h e n g p e n g.D e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f e t h e r n e t i n m e t-r o t r a i n sJ.M o d e r n U r b a n T r a n s i t,2 0 2 2(1):9 7-1 0 2.17第6 0卷第5期2 0 2 3年9月2 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l i c a t i o n o f m i l l i m e t e r w a v e c o mm u n i c a t i o n i n h i g h-s p e e d r a i l w a y p a s s e n g e r s e r v i c e sJ.R a i l w a y S i g n a l l i n g&C o mm u n i c a t i o n,2 0 1 8,5 4(5):5 0-5 3.6 尹惠.面向高铁通信的毫米波波束成形方法研究D.南京:南京邮电大学,2 0 2 0.7 银壮辰.基于5 G通信的车载数据转储系统J.铁道通信信号,2 0 2 1,5 7(9):5 2-5 7.Y I N Z h u a n g c h e n.T r a i n d a t a d u m p s y s t e m b a s e d o n 5 G c o mm u n i-c a t i o nJ.R a i l w a y S i g n a l l i n g&C o mm u n i c a t i o n,2 0 2 1,5 7(9):5 2-5 7.8 徐燕芬,薛树坤,朱游龙.时速2 5 0 k m标准动车组以太网控车技术研究J.铁道车辆,2 0 2 0,5 8(2):9-1 1,3 2.XU Y a n f e n,XU E S h u k u n,Z HU Y o u l o n g.R e s e a r c h o n t r a i n c o n-t r o l t e c h n i q u e w i t h e t h e r n e t f o r 2 5 0 k m/h s t a n d a r d m u l t i p l e u n i t sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 2 0,5 8(2):9-1 1,3 2.9 徐燕芬,赵婧,姜仕军.下一代地铁列车网络控制系统的研制J.铁道车辆,2 0 1 7,5 5(7):2 7-3 1.XU Y a n f e n,Z HAO J i n g,J I AN G S h i j u n.D e v e l o p m e n t o f t h e n e x t g e n e r a t i o n 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