张伟

摘 要：针对铁路信号计轴设备特点和轨道工况的特殊性，在现有的计轴维护系统的基础上，设计了一种基于无线的计轴监测系统，系统分为计轴监测单元、无线网关、云端服务器、监测客户端4部分，阐述了总体设计方案，并重点说明了计轴监测单元的软件实现和云端服务器的架构设计。本系统部署简单，不影响现有铁路信号装备的布置，为实现智能运维提供了方向。

关键词：计轴;无线通信;LoRa;智能維护

1 引言

铁路信号计轴设备是铁路信号系统中列车空闲/占用检测设备的重要组成部分。计轴设备通过车轮传感器、车轮电子检测器记录和比较驶入、驶出轨道区段轴数，来确定轨道区段处于占用状态，还是空闲状态。

目前，国内计轴监测系统大多比较分散，无法对室外设备的信号波形进行监测，监测数据的查看也比较繁琐，对于设备的诊断与维护经常处于滞后的状态，缺乏对轨道数据的统计功能。因此本文以低功耗广域物联网（LP-WAN）LoRa技术和云计算技术设计了一种基于无线的计轴监测系统， 可实现对计轴室外室内设备的全方面数据集中监测。

2 无线通信技术

铁路轨道的工况比较恶劣、电磁干扰严重，选择合理的无线通信方式对机无线控制装置稳定性十分必要。当前，无线通信技术主要采用泄露通信、WiFi、蜂窝移动通信（3G、4G）、Zig-Bee 和红外通信等，部分铁路站点已经探索应用 5G 技术并取得了显著成果。这些通信技术在不同的应用场景发挥着重要作用，具有带宽高、延时低等优点，但也存在覆盖范围小、功耗高、绕射损耗大等不足。

LoRa（Long Range Radio）是近几年发展起来了无线通信技术[1]，是一种扩频调制技术，主要运行在免许可的ISM（Industrial Scientific Medical Band）开放频段，包括 433、868、915 MHz等，具有功耗低、通信距离远、速率低、成本低等特点，符合本无线控制装置的使用要求。

3 整体设计方案

无线传输的计轴监测系统是无线传输技术与云计算相结合的系统，包含室外计轴监测单元、室内计轴监测单元、无线网关设备、云端服务器、监测客户端等模块。

该系统的监测单元模块可以按照轨道现场呈分布式部署，每个监测单元有唯一的地址，每个车站按照区段分布情况部署一个或多个无线网关， 负责将监测单元的数据集中传输到云端服务器。每个监测单元的监测类型、车站、传感器名、区段名、等信息可以在服务器端配置。

云端服务器实时收集计轴设备的监测数据后，对所有数据进行数据挖掘、机器学习[3]后将计轴设备或轨道的故障、异常、预警等信息存储至服务器。

监测客户端按照车站为单位从云端获取数据绘制站场图后，监测数据能够通过云端服务器实时展示在客户端，包括区段状态、轴数、传感器信号波形、报警、预警等数据，并有历史数据查询等功能方便进行故障诊断与定位。

本设计方案示意图如下，见图1。

4 计轴监测单元的设计

计轴监测单元由电源模块、微处理器、数据采集、LoRa射频等模块组成，监测单元通过CAN总线，UART、ADC模拟采集等方式采集现场的监测数据，然后模块通过一定频率将实时的监测数据上传至无线网关，该监测单元的软件设计流程如图2所示。

5 云端服务器的设计

在本方案中，云端服务器的设计十分关键[2]，该服务器分为LoRaWanServer 层、HttpServer层、机器学习层，数据层四层，LoRaWanServer层通过LoRaWan协议将室外的监测数据接收至云端，通过处理后将数据存储至数据库，HttpServer层则通过访问数据库为监测客户端提供实时数据和历史数据服务，机器学习层则通过大量数据进行学习后输出预警信息至数据库。为了能够支持跨平台多端数据展示，此处采用Http协议进行数据传输，客户端可以为浏览器、电脑、手机、小程序等，提高了用户体验，服务器结构设计如下图3所示。

结束语

本系统可以通过无线方式将室外传感器信号数据传到服务器，并能对大量数据进行数据挖掘和深度学习，能够发掘未知的设备故障与风险，用预警的方式展现设备或区段状态。本系统部署简单，不影响现有设备的运行与维护，并能通过服务器集中处理，并支持多端客户端设备，数据展示简单友好。为计轴设备安全运行和智能运维有推动作用。

参考文献：

[1] 赵静，苏光添.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信，2016，（21）：50-57.

[2] 慈健，黄强.计算机网络云计算技术研究[J].科技创新与应用，2015，（32）：88-88.

[3]何清，李宁，罗文娟，等.大数据下的机器学习算法综述[J].模式识别与人工智能，2014.