PLC与5G融合通信在铁路信号设备状态监测系统中的应用研究

董振国

铁路信号设备是调度指挥列车运行，保证运营安全的关键设施。为了及时发现信号设备的故障隐患，对其运行状态及指标参数进行监测十分必要［1］。信号设备状态监测系统包括道岔缺口监测系统和信号设备故障预测与健康管理系统（简称“信号设备PHM系统”）［2-4］。

目前，信号设备状态监测系统通常采用PLC+ADSL组网模式，电力线通信（Power line Communication， PLC）可复用信号设备供电线缆，工程部署简单，但传输距离较短，无法实现室外到室内的远距离数据传输；
而非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line， ADSL）能够很好地解决远距离通信问题，因此二者结合可建立良好的数据传输通道。但随着监测技术的日臻成熟，信号设备状态监测系统接入的设备种类及数量越来越多，数据结构复杂，数据量也越来越大，对数据实时性要求也逐步提升，ADSL的上行速率和带宽已无法满足信号设备状态监测系统的数据传输需求。为此，提出将室外既有网转设备改为5G网关，监测数据通过铁路5G专网回传至服务器，利用5G网络大带宽、低时延的特点，满足海量数据实时传输的需求，同时降低系统硬件部署成本和工程实施复杂度。

PLC是利用既有电力线缆，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，使用电力线缆就能进行数据传输，且硬件成本较低，传输速率较快［5］。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输数公里。但在电力线上负荷很重的情况下，线路阻抗达到1 Ω，就对载波信号造成削减，传输距离锐减至几十米［6］。由此电力线缆无法实现远距离传输，仅可用于室外采集数据的汇聚，故需通过ADSL通信技术完成远距离数据传输。

虽然PLC+ADSL组网方式能够满足道岔缺口、信号设备PHM等数据传输需求，但也存在一些问题，例如：①室内/外均需部署采集设备，占用芯线资源较多，甚至需额外敷设线缆；
②需对电缆的连通性进行核对，工程实施繁琐；
③ADSL带宽资源有限，大规模站场需多条ADSL线路才能满足通信需求；
④各车站监测数据独立存储，不利于上级人员查看下属车站的缺口监测数据等。在大规模部署信号设备PHM系统时，PLC+ADSL组网方式所表现出来的工程部署复杂、数据延迟、后期运营维护成本高等问题也愈发明显。

综上所述，无论从技术、成本还是工程实施的角度，PLC+ADSL组网方式都已无法满足信号设备检测系统的发展需求。随着信号设备PHM系统的逐步推广，以及对系统业务研究的不断深入，如何提高监测数据的实时性及采集数据时间戳的精度，降低系统部署及维护的复杂度就成为了当务之急。

随着5G技术的发展，国铁集团和国家能源集团下属单位纷纷从政策、技术、装备等各个层面加大了铁路5G专网的建设力度，为利用5G专网实现信号设备监测数据的传输奠定了基础。

1）政策层面：依据中央“新基建”的一系列整体布局，国铁集团提出了5G专网的系统目标，并与工信部就高铁5G建设达成共识。其中国家能源集团在包神铁路管内8个站区实现了5G网络的全覆盖，包神铁路集团与中国电信、华为公司合作建设的首个 5G智慧包神项目试验站点，也已在包头万水泉南站开通运行。

2）技术层面：5G通信技术所具备的大带宽、低时延、高精度授时、灵活组网、切片等技术特点，能够很好地契合铁路移动通信专网，并承载调度通信、列车控制、高清视频、物联网海量数据接入、高精度时间同步等各类业务应用的建设需求［7-8］。5G通信技术中对网络资源的软、硬管道隔离，实现了在一张承载网上为不同服务质量需求的业务提供连接服务和性能保障，满足这些业务场景在移动性、带宽、时延、可靠性、安全性等方面的差异化需求。

3）装备层面：各信号设备检测仪表厂家不断推出各种具备5G通信能力的检测仪表及终端，促进了5G技术在铁路信号设备检测领域中的应用，例如由中国铁路西安局集团有限公司联合华为技术有限公司共同开发的“5G+AI”铁路智慧机务系统已正式投入使用［9］。

铁路移动通信业务具备“点、线、移动端”相结合的特征。铁路5G专网的应用场景包括车地通信、铁路站场等热点区域的网络覆盖和铁路咽喉区/沿线的地面设施监控等［10］。车地通信对业务可靠性要求高，业务类别包括语音调度、多媒体调度、行车安全数据、车上作业人员语音等通信；
铁路站场等热点区域覆盖需要更大的带宽和容量，业务类别包括车上视频监控数据传输、站场维护作业多媒体通信、编组站通信等；
铁路咽喉区/沿线地面设施监控，则对监测点终端连接数量有较高的要求，业务类别主要是地面基础设施监测数据传送。常见的铁路5G专网应用场景见图1。

图1 铁路5G专网应用场景

随着铁路5G专网建设的推进及铁路5G应用场景的深入挖掘，5G技术正在铁路行业的各个场景逐步落地应用。目前信号设备PHM技术正处于快速发展期，5G的出现正好契合了其发展需求，并提供了技术条件。因此，信号设备PHM系统也成为了铁路5G专网的应用场景之一。

例如：在工务、电务等专业维护道岔过程中，往往需要反复操作道岔，此时该组道岔会产生密集的缺口监测视频数据；
春运期间，大型枢纽站的运量增加，信号设备PHM系统某些监测指标的采集频率有所增加，数据量随之加大，此时可借助5G技术特点，将自身的控制数据和业务数据分开传输，优化数据传输网络的带宽资源分配机制，提高数据传输的实时性，从而提高视频监测数据质量，使视频监控业务向高分辨率、智能化的方向发展。

1）道岔缺口监测系统通常在转辙机内部安装缺口监测分机，采集道岔缺口视频数据，先通过PLC载波网络汇聚至位于车站咽喉区的网转设备，再转换成ADSL信号回传至室内。应用5G融合通信后，可将网转设备的PLC转ADSL功能升级为PLC转5G网功能，即可实现组网方式的升级。

2）信号设备PHM系统在室外信号设备内部安装传感器及采集设备，通过PLC载波网络，将采集数据汇聚至车站咽喉区的5G网关处，网关将采集数据上报至位于路局/电务段监控中心的应用系统服务器；
室内电源屏、继电器、集中监测系统的监测数据通过RS-485串行总线接口汇聚至室内5G网关，实现室内数据上报。现场维护人员可通过车站与路局/电务段之间的监测专网，远程访问应用系统服务器，查看系统监测数据及预、告警信息。PLC+5G融合通信在信号设备PHM系统中的应用部署见图2。

图2 PLC+5G融合通信在信号设备PHM系统中的应用部署

在包神铁路的万水泉南站南场，部署了PLC+5G组网方式的信号设备状态监测系统。充分利用既有道岔缺口监测系统的PLC载波通信芯线资源，一方面用5G网关取代了原本复杂昂贵的室内站机和室外网转设备，大幅降低了工程部署复杂度及成本；
另一方面利用5G网络的低时延特性及高精度授时技术，提高了系统数据采集的实时性及关联数据采样时间的一致性，使系统能够准确定义数据的时间戳，并据此实现对道岔缺口监测视频数据和道岔开程数据等存在时间关联性数据的精准分析。

1）提高数据上报的实时性。以ITU-T G.992.1标准为例，ADSL技术在一对铜线上通信时，上行速率仅为512 kb/s～1 Mb/s，在大规模部署信号设备PHM系统时，受限于ADSL通道带宽，设备监测数据需要打包处理后定时上报，如隔2 min上报一次数据，在系统侧查看的数据存在滞后性，使得整个PHM系统对信号设备故障的响应时间延迟。而采用5G专网来替代ADSL通信，可实现在1 s以内实时上报数据，大幅提高了系统的实时性。

2）提高系统的可扩展性。现阶段信号设备PHM系统如要新增采集设备，需考虑既有系统备用芯线使用情况、网转设备能够接入的PLC终端设备数量、网转设备到室内ADSL信道的数量及带宽、站机的资源配置等众多因素。而采用PLC +5G的组网模式，系统的扩展只需考虑信号设备附近配线箱盒的备用芯线即可，极大地降低了系统扩展的难度。

3）提高组网部署的灵活性。如果只在车站以PLC+ADSL的组网方式部署监测系统，则无法实现路局下辖所有车站信号设备监测数据的集中存储及管理。欲实现跨站区的数据查询与综合分析，需在路局层面部署应用系统服务器，监测数据先传输到车站一级，再由部署在路局/电务段的应用系统服务器进行存储和转发。

采用PLC+5G专网融合通信后，系统既可只在路局/电务段层面部署应用系统服务器，车站只部署终端，车站运维人员通过路局电务段与车站间的监测专网，远程访问应用系统服务器，实现数据查看与故障处理；
也可在路局/电务段层面和车站层面同时部署应用系统服务器，室外信号设备监测数据可同时回传至路局/电务段以及车站。路局、电务段、车站工作人员查看监测数据时，只需访问部署在本地的应用系统服务器，避免既有系统架构中路局/电务段与车站间的网络资源占用，同时也实现了信号设备监测数据的集中存储及管理，更便于进行跨站区的数据查询与综合分析。

4）提升系统的可靠性。在PLC+ADSL的组网方式下，一旦车站监测系统设备或站机出现故障，车站和路局/电务段均无法获取到现场信号设备的监测数据，无法及时处理故障，容易造成安全隐患。PLC+5G专网融合通信的方式，由于车站和路局/电务段的监测系统可以直接接收、存储来自5G物联网网关的监测数据，数据互为备份，确保一个系统出现故障时，另一个系统仍可获取到故障信息，从而提高系统的可靠性。

5）降低系统部署成本。在PLC+ADSL的通信制式需在室外部署网转设备，室内部署站机系统，而PLC+5G融合通信的组网架构，使用较低成本的5G网关，即可代替室外网转设备及室内站机系统，大幅降低了系统部署及运维成本。

6）降低工程实施复杂度。在工程实施方面，PLC+5G融合技术的应用，减少了对站场室内外备用芯线资源的使用，避免了线缆施工、校对等工作。

1）在介绍铁路5G专网建设情况及铁路5G专网应用场景的基础上，提出了基于PLC+5G融合通信的铁路信号设备状态监测系统组网模式，并以道岔缺口监测系统、信号设备PHM系统为例，分析了PLC+5G融合通信在铁路信号设备监测系统中的应用模式。

2）通过与PLC+ADSL的组网模式进行比较，进一步阐述了PLC+5G融合通信组网模式的优势。

3）该PLC+5G组网模式已成功应用在包神铁路万水泉南站南场，得益于5G网络的低时延特性及高精度授时技术，包神铁路信号设备PHM系统可在时域上对数据进行精准分析。实践证明：PLC+5G融合通信能够解决PLC+ADSL组网模式的诸多问题，具有较高的工程推广价值。