期刊论文 | 铁路行业信息化背景下的智能仪表接入研究

互推小编 2023-11-12

《信息通信技术》是中国联合网络通信集团有限公司主管、主办的国内外公开发行的中英文科技期刊（CN11-5650/TN，ISSN1674-1285)，2007年12月正式创刊。本刊旨在反映国内外信息通信技术最新研究成果，提供信息通信技术交流平台，推广先进信息通信业务和应用，为我国建设信息社会和创新型国家服务。

【作者姓名】张国会1 郑鹏飞2 刘贺2

【作者单位】1 国能包神铁路有限责任公司 2 佳讯飞鸿(北京)智能科技研究院

【摘要】2022年国铁集团印发的《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》文件中，物联网被确定为我国铁路行业新一代信息技术的重点应用方向。为推进铁路行业检测仪表信息化、自动化、智能化进程，文章基于物联网平台的技术特点，结合检测仪表的接入需求，探讨了基于物联网平台的检测仪表数据适配接入方法。通过构建物模型的方式对各种仪表的性质属性及业务数据进行抽象定义，基于模型对仪表进行配置化定义，定制化地接入SDK，减少仪表接入过程中，平台侧及仪表侧的开发成本。解决各类仪表灵活、规范、低成本的接入需求，提升铁路仪表检测的作业效率。为检测仪表数据的自动化采集、深度分析、挖掘和应用奠定了基础，助力铁路智能化运维体系的建设。

【关键词】检测自动化；物联网平台；智能仪表；物模型；SDK；接入

引言

根据国家“十四五”规划及2035远景目标，在国家建设数字中国和智慧社会的背景下，包神铁路集团提出了“智慧包神”“智慧重载”战略；结合云计算、大数据、物联网、人工智能等新兴技术，实现铁路建设、运输、经营管理全过程、全生命周期的高度信息化、自动化、智能化；打造更加安全可靠、更加经济高效的智能铁路运输体系[1]。

目前，包神铁路电务、工务、供电等专业的日常检修作业，大多基于各类仪器仪表，通常采用人工巡检结合纸质化记录的方式实现对各类基础设施的检测，但这种方式存在着数据记录花费时间长、检测作业效率相对较低、存在数据错记和漏记、缺少检测数据积累等问题，已经越来越难以满足铁路运营的需求，建立仪表检测数据的自动存储及处理机制，将纸质化的数据记录方式变成自动化的数据获取、传输及存储方式，实现从数据采集、到数据分析利用全流程的信息化管理，日益迫切和重要。

但检测仪表存在着设备类型繁多、采集数据格式多样、缺乏统一的数据接入标准和规范等一系列问题，给仪表检测数据的自动存储及处理机制的建立带来了诸多挑战。为了实现各类仪表的自动化作业及数据规范化接入，本文研究了一种基于物联网平台且统一通用的检测仪表的数据适配接入方法。

1 物联网平台接入机制的研究

1.1 物联网平台连接服务

物联网平台连接服务是物联网平台的重要组成部分，主要为物联网平台提供低成本的海量异构设备的接入和管理能力。通过多种方法实现物联设备接入物联网平台，在物联网平台和设备间建立安全、稳定的通信并实现设备管理、监测、控制等操作[2-3]。包括连接域、通讯协议域、设备管理域、模型域四个业务域，物联网平台连接服务架构详情见图1。

1)连接域：负责基于传输控制协议/网际协议协议(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP)、消息队列遥测传输协议(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)、受限制的应用协议(The Constrained Application Protocol，CoAP)等常用物联网协议的海量连接和海量消息的处理，包含连接管理、会话管理、物联设备的身份认证以及通信权限的管理。

2)通讯协议域：负责在物联网基础协议之上构建平台南向通讯协议、上下行的基础通讯接口。在物联网平台和终端之间提供了业务数据的交互通道，能够对多种异构的终端进行数据校验和协议转换。

3)模型域：通过模型、产品完成对设备形态、设备功能的结构化定义，设备属性和监测数据的数据格式和传输规则、下行的指令。

4)设备管理域：在平台协议域之上建立了设备注册、设备登录、设备调试、设备拓扑、空中传送升级(Over-The-Air，OTA)等通用的设备管理业务的数据交互协议及业务处理逻辑。

设备端通过集成物联网平台连接服务提供的接入开发工具包(Software Development Kit，SDK)接入物联网平台，SDK基于模型定义，对基础网络连接、平台通讯、设备管理、连接安全等相关协议接口细节进行封装，屏蔽各种不同仪表的业务层和协议层的差异，简化设备接入的难度和成本。

物联网平台连接服务通过实现传输层安全性协议(Transport Layer Security，TLS)、数据包传输层安全性协议(Datagram Transport Layer Security，DTLS)等安全加密技术，实现传输层的加密，防止数据在传输过程中被篡改、伪造等[4]。提供一机一密、一型一密等设备身份认证机制，保障每个设备都有唯一身份，同时对设备认证做了加签，防止身份伪造。提供对消息通道的安全控制策略机制，使设备仅能订阅和发布已授权的通道，防止设备越权访问，保证接入设备行为的合规。

1.2 智能仪表的物模型描述体系

物联网平台中用于描述物联网设备的数据模型称为物模型。铁路运维系统中各个专业、场景下，需要把不同厂家型号的检测仪表设备接入平台，设备的数据复杂度、功能、使用场景各不相同[5]。为了使物联网平台能够描述这些仪表的功能和特性，需要设计一套通用的物联网设备的物模型描述方法，满足各类仪表的数据上报、配置下发、远程控制等接入需求，同时定义仪表设备与平台之间的数据交互格式和规范。

首先，每一台检测仪表或物联网设备是具有唯一标识的动态物理实体对象，具有自己的内部状态，其内部状态可以通过实体对象提供的动作来实现[5-6]，不能被外部直接感知和改变，外部仅可以通过属性来观察对象的内部状态。对象的动作可以分为两类：由外界作用被动触发、对象内部主动触发。对象受外界作用并根据作用类型和程度，改变内部状态的动作可以表述为对象提供的服务；当对象内部状态变化时，对象主动通知外界的动作表述为对象触发的事件。

使用属性、服务及事件可以比较好的描述实体对象的状态和状态的变化机制。如果一类对象，他们具有相同的属性、服务和事件，并满足同样的约束，就可以根据其属性、服务、事件来定义这一类对象的模型。对于检测仪表，模型从属性、服务和事件三个维度，分别描述该仪表的基本信息与状态、可根据指令执行的业务操作、能够对外提供的事件信息。

属性：用于描述仪表运行时具体信息和状态。例如，智能仪表设备所读取的当前环境温度、湿度，被检测设备的电流、电压、电阻情况等。属性可分为读写和只读两种类型，即支持读取和设置属性。

服务：指仪表可供外部调用的指令或方法。服务调用中可设置输入和输出参数。输入参数是服务执行时的参数，输出参数是服务执行后的结果。相比于属性，服务可通过一条指令实现更复杂的业务逻辑，例如执行某项特定的测量操作，服务分为异步和同步两种调用方式[7]。

事件：仪表运行时主动上报给平台的信息，可以被订阅和推送。一般包含需要被平台或应用系统感知和处理的信息、告警和故障，事件中可包含多个输出参数。例如，某项任务完成后的通知信息，设备发生故障时的状态和时间信息，设备告警时的运行状态等。

基于物模型描述体系，通过对各类智能仪表进行物模型的定义，可以实现对各种仪表的业务数据格式、控制接口进行规范化描述，为提升检测数据质量和规范性，为后续应用对检测数据的分析和应用提供基础。

1.3 基于物模型的定制SDK

在检测仪表接入物联网平台的过程中，为了实现智能仪表的快速接入、降低硬件接入的开发门槛、缩短开发周期、降低开发资源投入，物联网平台连接服务实现了一套代码自动生成机制。连接服务会根据仪表物模型定义的属性、服务、事件的数据结构生成对应的设备端代码，自动生成的代码包含了物联网平台通信协议的解析与封包以及数据转换逻辑的具体实现，并将其封装成了简单的业务数据以及设备控制交互接口，提供了多种示例代码。物联网平台连接服务将上述代码与平台通讯协议、基础网络协议相关通用代码及其依赖库打包为设备端接入SDK，其详细功能架构见图2。

SDK封装的接口主要包含基础协议、数据上报、设备服务，设备事件等四类接口。

基础协议接口包含了设备注册、登录、登出、调试等平台协议中的设备基础连接功能接口，SDK对此类接口提供了完整实现，同时还内置了连接所需的IP端口及连接密钥信息，并提供初始化接口。设备上电时，可以通过调用初始化接口，执行设备注册、登录等初始化流程，实现设备上电或开启后，自动进行连接到物联网平台。

数据上报接口由SDK提供的设备属性数据上报接口。设备传感器采集到数据以后，通过调用SDK中相关属性的数据接口，即可自行将采集数据按平台协议要求编码，并上报至物联网平台。平台收到数据时根据物模型的定义，将数据转发给对应的业务处理逻辑或应用系统。

设备服务类接口是SDK提供与物模型中服务定义对应的回调函数接口。当设备收到云端的控制消息后，程序会将数据转换成物模型中对应服务输入参数的数据结构，并对回调函数接口进行调用，设备侧只需要在对应的服务处理逻辑中添加设备的动作逻辑，就可以完成设备服务功能的开发。

设备事件类接口是SDK提供基于物模型事件定义生成的事件上报接口。设备端通过调用事件上报接口进行事件上报。

基于物模型的定制化SDK对物联网设备与平台之间的通讯协议进行了抽象，在设备端的开发过程中无需关心协议细节，仅需调用或实现相关业务数据接口，即可实现设备接入和数据上报。

1.4 基于SDK的平台接入机制

1)创建模型及SDK导出

首先，需要在物联网平台用户界面进行模型创建，连接服务后台同时创建该模型的设备注册通讯通道、连接认证信息。在用户导出模型对应SDK时，会将平台的接入端口以及设备注册通道、模型登录秘钥内置于SDK中，模型创建及SDK导出示意图见图3。

2)设备注册

设备集成SDK以后，通过本地存储检查是否已有设备注册信息，若无，则进行设备注册流程。首先使用SDK内置的模型ID及模型密钥、平台注册端口进行连接，连接成功后，订阅设备注册通道，确保能收到注册响应消息；而后向平台发送设备注册消息，消息中包含设备名称等设备静态信息；平台收到注册消息后，创建对应的设备对象，同时生成设备ID、设备登录密钥、设备通讯通道及通道标识(包含时序数据通道、事件通道、服务通道等)；设备对象创建成功以后，平台将设备登录端口、设备ID、设备登录密钥、通道标识等信息，通过设备注册通道发送给设备；设备收到响应消息后，将设备注册信息保存至本地存储，注册成功。设备注册流程见图4。

3)设备登录及数据通讯

设备注册成功以后，使用注册信息中的设备登录端口、设备ID、设备登录密钥进行设备登录，平台进行身份验证，验证成功后设备登录成功，登录成功以后可通过对通讯通道进行订阅或发布操作实现数据收发[8-9]。

2 智能仪表接入物联网平台

2.1 接入方案

以铁路某站段智能仪表接入平台为例。要求接入的仪表设备包括轨道检查小车、电子道尺、接触网激光测量仪等。三种仪表自身都具备USB数据通讯接口，通过加装USB硬件数据采集模块的方式实现无线网络通讯功能以及与物联网平台的连接，接入方案见图5[10]。

2.2 接入流程

仪表接入物联网平台，首先需要在物联网平台创建仪表设备模型，平台依据模型定义生成定制化的接入SDK，仪表数据采集模块进行SDK集成开发，仪表开发完成以后，启动时通过调用SDK接口可以进行设备注册与设备连接，如图6所示。

1)仪表的物模型定义

开发者在物联网平台控制界面建立各仪表的物模型，在物模型中定义仪表物模型的属性。其中轨道检查小车定义了标示位置、轨距、轨距变化率、水平、三角坑、高低、轨向、正矢扭曲等属性，电子道尺包含道岔编号、检查项目编号、轨距、水平等属性，激光接触网测量仪包含区间编号、导高、拉出值、坡度、锚段关节、线岔、超高、轨距等属性。

2)SDK移植开发

智能仪表的数据采集模块集成S D K ，首先需要实现内存分配、获取系统时间戳等系统接口；而后在S D K 运行过程中需要在设备中持久化储存一些配置信息，设备端则需提供持久化的Key-Value接口，实现配置信息的读写和删除。接下来设备端实现物模型定义的相关业务数据交互接口及数据转换逻辑。最终加入设备启动过程中引导逻辑，实现设备启动自动进行连接操作。

3)接入及数据上报

集成SDK完毕以后，数据采集模块上电后进行初始化，通过设备注册、设备登录接口，与平台进行连接；连接成功后，调用设备属性数据上报接口进行数据上报。具体流程见图7。

3 结语

本文研究了一种物联网平台与智能仪表的接入机制，分析了物联网平台连接服务架构，研发了物联网平台基于物模型的协议可配置的连接层功能。通过定制化生成的设备端接入SDK，实践了各类检测仪表的物模型的构建及数据的接入，实现了检测仪表数据的自动获取和传输，比较有效地提升了包神铁路仪表检测的作业效率及检测数据的质量和可信度，为后续的数据分析和应用提供了基础。

通过仪表信息化、智能化建设，为铁路仪表检测及作业管理数字化及智能化全面建设树立标准，为铁路行业检测智能化建设提供指导作用。基于物联网平台的接入技术，符合当前新ICT技术发展及应用趋势，具备良好的推广基础。

参考文献

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[9] 应俊,蔡月明,刘明祥,等.适用于配电物联网的低压智能终端自适应接入方法[J].电力系统自动化,2020,44(2):22-27

[10] 张子木.物联网接入技术研究与系统设计[J].电子设计工程,2016,24(2):157-160

【作者简介】

张国会：工程师，长期从事铁路信息化数字化智能化研究，深耕铁路关键设备智能运维、检测作业智能化领域，取得了多项科研成果，推动了包神铁路智慧化建设，获得多项专利授权。

郑鹏飞：工程师，从事轨道交通感知技术的应用研发、轨道交通行业物联网和安全保障领域的关键技术研究。

刘贺：硕士研究生，高级工程师，从事铁路电务信号设备，工务道岔转换设备，供电接触网补偿装置等铁路行车设备的状态监测检测技术研究，发表论文2篇，获得发明专利授权2篇，实用新型专利授权4篇。

编辑：王丹瑛

校审：王钐杉

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