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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙,王万齐,尹逊霄,江若飞(中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京100081)摘要:在国内外物联网研究的基础上,提出铁路工程物联网定义,分析当前铁路工程建设信息化发展需求和工程物联网云平台建设目标,首次提出铁路工程物联网平台的技术架构、数据处理架构和功能框架,建立铁路工程建设统一的物联网云平台,提供完整的开发平台和技术组件,支持多样化的终端设备快速接入,解决工程现场感知源头问题;利用HASH加密算法实现基于MQTT协议的安全数据传输,利用灵活的规则定义引擎、动态高效的流式计算引擎、数据装载的预处理过滤技术,实现铁路基础设施全生命周期监控监测信息的统一采集、存储、转发和综合分析,为施工现场动态信息的远程采集、自动研判、闭环追溯和智能决策提供管理手段,为铁路智能建造提供新的信息化基础平台。关键词:铁路工程;物联网;安全传输;MQTT协议;智能建造;铁路工程管理平台;云平台中图分类号:U212;TP391文献标识码:A文章编号:1001-683X(2020)09-0019-09DOI:.1001-,以及辅助管理决策都有着重0引言要意义;同时,铁路工程现场智能化设备的不断增加,随着铁路工程建设信息化的开展及数字建造技术为更好地利用智能化工装感知工程现场动态提供了便的广泛应用,施工现场产生大量的安全质量监测数据,利条件。因此,有必要建立全路统一的物联网云平台,这些数据具有海量、异域、异构等特点。对安全质量实现各类监控监测设备快速接入和数据综合分析,提监测数据进行实时分析和大数据应用,对于提高工程高铁路工程建设管理能力。在原中国铁路总公司印发的《铁路信息化总体规基金项目:中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目划》(铁总信息〔2017〕152号)中,物联网被确定为(P2018G004)我国铁路行业新一代信息技术的重点应用方向[1]。我第一作者:解亚龙(1980—),男,研究员。E-mail:国很多专家学者对物联网在铁路行业的应用开展了探-19-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等索和研究:史天运等[2]提出铁路物联网的定义、概念辨析,分析了铁路行业应用情况和案例,对物联网总体框架提出构想;王都等[3]提出铁路物流领域物联网总体框架,并对铁路物流领域的应用场景和技术进行分析;陈燕等[4]提出研发基于物联网技术的智能化工机具管理系统,以更好地规范工机具管理;李亚群等[5]对物联网在铁路灾害监测领域的应用现状和前景进行了分析。但是,在铁路工程建设领域尚未提出物图1铁路工程物联网云平台重大需求分析示意图联网云平台的构想和方案。(1)为铁路工程现场各类终端设备、数字工装提借鉴国际上对物联网概念的定义,结合铁路工程供统一的接入工具包,实现监控监测数据集中接入、实际特点,对我国铁路工程物联网作如下定义:铁路存储和分发;工程物联网是指依靠身份识别及标识(二维码、RFID(2)构建覆盖各级管理机构和各参建方的铁路工等)、激光扫描器、可穿戴设备、生物特征识别、智能程物联网平台,帮助管理者洞察现场动态,为建设管传感器、数字化工装机具、智能生产设备、***理提供新手段;等信息感知设备,按照约定协议,通过网络连接各种(3)实现工程现场各类信息采集设备的统一管理,铁路工程的人员、设备、环境、材料及工程本体、大采用灵活的分类结构实现智能终端设备和应用的管理;临设施等,进行信息交换和通信,实现对铁路工程对(4)构建铁路工程物联网感知数据资源湖,建立象的智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种网大数据分析平台,实现监测感知数据的统一分析,向络和技术,是实现铁路智能建造的重要支撑。业务应用提供统一的数据服务,为建设、运维阶段的1需求分析和建设目标大数据分析决策等提供技术支撑。2系统架构随着科学技术的进步和业务管理能力的提升,特别是基于数据治理需求,铁路相关利益方对铁路基础构建铁路工程物联网的关键包括云、管、端3个部设施信息化水平有了更高的期待和要求,迫切需要面分。云是物联网的大脑,是物联网数据处理的核心,向基础设施全生命周期管理的数字化管控方案,解决利用云计算平台为物联网提供数据分析、存储、计算,数据的缺失、重组、传递等问题。近几年,铁路工程甚至是远程控制和决策;管是联系终端与云端的重要建设信息化快速发展,施工现场积累了大量数据,但通道,目前有Wi-Fi、蓝牙、NB-IoT、eLTE-IoT、互联对数据的利用存在一些问题:首先,这些数据仅实现网等接入方式;端是物联网的感知触角,是物联网数了与设计、施工规范的实时比对分析,确保规范在现据的主要来源,根据现场应用场景的不同,终端形态场有效执行,但未对数据进一步深入分析,尤其缺少也各不相同,为降低终端入云的门槛,通过提供SDK跨工序、跨专业、跨周期、跨地域的大数据相关性分等方式屏蔽底层物联网终端的多样性[6]。析,缺乏对既有海量数据的深层次挖掘和价值利用;其铁路工程物联网云平台主要服务于中国国家铁路次,数据集中在施工现场的某些环节和某些要素上,未集团有限公司(简称国铁集团)、铁路局集团公司/铁路实现全过程的数据采集分析和现场状态的全面感知与管公司、建设指挥部/项目部及施工单位标段等用户,并控。铁路工程物联网云平台重大需求分析示意见图1。面向中国中铁股份有限公司、中国铁建股份有限公司、为了进一步适应铁路建造能力快速发展的形势,中国电力建设集团有限公司、中国建筑集团有限公司、有必要建立全路统一的铁路工程物联网云平台,具体中国交通建设股份有限公司等集团公司及其下属企业建设目标如下:提供数据服务。-20-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等铁路工程物联网云平台的技术架构分为设备层、上研发的基于Web和移动终端的客户端,通过调用各平台层和应用层:种RESTfulAPI对平台数据进行提取和展现。(1)设备层。即各种终端设备,通过传感器、测铁路工程物联网云平台技术架构示意见图2,该架构量仪器及智能终端设备采集各类数据信息,并通过内方案可实现物联网设备与云平台的结合,实现远程监置SDK处理消息,再由网络发送至物联网云平台。管和控制,保证数据的安全性和易用性,通过应用层(2)平台层。进行数据解析,实现数据云存储、流的灵活组织,使各级管理者实时掌握现场动态,有效式计算、消息分发和规则处理,形成数据汇集资源湖。提升铁路建设项目管理能力、工程建造能力和信息共(3)应用层。在平台统一处理、数据服务的基础享能力。图2铁路工程物联网云平台技术架构示意图铁路工程物联网云平台的数据架构包括数据采集、确保数据安全。当数据传输至平台端,进行接口的认加密传输、鉴权验证、流式处理、队列缓冲、数据存证检验和数据的安全校验,然后按照平台内置规则进储、数据服务等。数据采集是通过工程现场的传感器、行流式计算和数据判识处理,经计算后将数据放置于智能设备、智能网关等实现源头感知,经过智能终端消息队列中进行后续的数据存储。数据存储中心建立的现场计算和处理,通过内置SDK进行安全加密传输,了面向各类数据的存储方案,包括元数据库、内存库、-21-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等NoSQL数据库、DFS文件存储、关系数据库等多元数据了方便后续数据价值利用和分析,通过RESTful数据接存储中心,无论何种数据类型全部通过元数据进行统口的方式为各类应用提供数据服务。铁路工程物联网一规范,确保数据的共享和联合分析。数据服务是为云平台数据架构示意见图3。图3铁路工程物联网云平台数据架构示意图口注册及管理、接口基本信息登记、接口调用情况监3功能设计控及统计分析。接入数据包括人员、材料、设备、环在技术架构和数据架构的指导下,铁路工程物联境及工程本体等各类监控监测数据,如人员考勤、人网云平台承担了数据采集、汇集、存储和服务等职能,员健康、设备轨迹、围岩量测、超前地质预报、安全为各类智能终端提供了方便接入的SDK开发包。铁路步距、拌合站、试验室、沉降观测、变形监测、健康工程物联网云平台业务应用架构示意见图4,其具体功监测、生态监测等;能如下:(5)提供统一认证功能,为各类用户提供统一登(1)提供面向各类终端的SDK开发包,提供设备录入口、为各类终端提供统一的授权管理、为各应用注册登记、授权码注册管理、数据安全传输等API,通提供统一的展示门户;过SDK统一数据传输标准,支持各种终端设备数据接(6)利用异构分布式数据库实现数据的统一存储,入和上传,兼容各类数据格式,简化开发;具备元数据库、内存库、NoSQL数据库、DFS文件存(2)实现智能设备的注册和管理,包括终端设备储、关系数据库等多源异构数据存储能力;提供原始基本信息和现场安装信息,主要有安装位置、监测内库和运用库2个数据资源湖,原始数据经过数据清洗、容、专业分类、项目名称、项目编码、终端应用、使过滤后,转入运用库,为数据分析、展示、挖掘提供用期限、授权码数量等,生成唯一的UUID授权码,终高质量数据,为业务系统提供数据服务;端设备绑定授权码后才可接入平台上传数据;(7)平台内置大数据分析的工具、基本模型和算(3)实现接入应用的注册及管理,对应用基本信法,提供大数据分析基础能力和数据资源服务,业息、开发单位信息、应用部署信息、硬件资源信息进务系统可跨专业、跨周期获取物联网监控监测数行汇总登记;据,为应用开发和大数据分析提供数据基础和平台(4)提供统一的数据采集接口管理功能,实现接工具。-22-CHINARAILWAY2020/09:..,出台了一系列的管理、技术和作业标准,其中一条很重要的理念就是通过作业过程中的创新、技术进步和新材料新设备等的使用,为标准的不断升级提供支撑,从而形成联动创新、螺旋上升的良性循环,做好“工装保工艺、工艺保质量”这条行之有效的深化标准化管理途径。随着铁路工程建设机械化程度越来越高,各专业、工序积极采用新的工装提高施工工效和质量,提升标准化管理能力。通过建立铁路工程智能装备云平台,提供面向现场工装设备接入管理的SDK开发工具包,无论智能设备系统是基于PLC、ARM、FPGA、DSP等嵌入式系统,还是智能化水平更高的WinCE、Windows、Linux、Android等机载系统,平台可提供面向多种智能图5铁路工程智能设备管理云平台原理示意图设备的接入手段,从而实现所有智能设备的注册管理和运行状态实时监测,并通过监测实现工程进度和工统计,铁路桥梁、隧道、路基、轨道、四电、站房各序质量的有效评价。铁路工程智能设备管理云平台原专业工装机具多达200多种,利用这些设备收集现场实理示意见图5。时数据,基本可实现对工程现场生产要素和工程实体在铁路工程建设过程中应用的设备类型多种多样,的全方位感知。有些设备已经具备智能化能力,有些设备经过网络化、,具备信息监测和传输能力。据不完全-23-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等协议,使用发布/订阅的消息模式,具有开放、简单、在智能设备终端发送MQTT消息报文之前,将报文轻量、易于实现的特点,该特点使其适用于各种受限拼接1个32bit的字符串Salt进行撒盐加密,不同的消的环境,如低宽带、网络不可靠、嵌入式处理器和内息模块Salt值不同,将拼接后的报文进行HASH算法加存不足等情况,是物联网架构的理想选择[7]。密生成128bit消息验证码,将验签拼接在待发送消息由于采用发布/订阅模式,MQTT协议解除了通信双报文尾部进行消息发送,同时修改MQTT消息固定报头方应用程序间的耦合,同时在服务质量(QoS)消息交中的RemainingLength字段值,完成待发送加密报文组付质量级别有如下3个等级:装,然后发送。(1)0:表示至多只发送1次,不保证消息可靠性,在平台端收到消息报文时,对接收的报文进行验消息可能会丢失。证。首先,对接受的消息报文进行切片,切分为(2)1:表示至少发送1次,客户端或服务器确认“MQTT原始消息报文+128bit的消息验证码”,同时更收到消息,但消息可能会重复。改RemainingLength长度值;然后,根据将使用Salt字(3)2:表示精确发送1次,确保客户端或服务器符串拼接在原始消息报文尾部后进行HASH算法加密,仅1次收到消息,可根据应用场景和发布消息的重要程将加密后的值与切分提取的128bit的消息验证码比对。度合理选择,在满足传输可靠的情况下实现协议交换比对一致,则说明消息可靠、未经篡改,正常接收报代价的最小化[8-9]。文;若比对失败,拒绝接收该报文。虽然MQTT协议保证了传输质量,,在传输过程中存在遭到篡铁路物联网云平台统一认证系统作为安全设计的改和攻击的可能性。因此,提出基于HASH加密的安全重要组成(见图8),主要包括以下3个部分:方案,。(1)统一登录。为各应用提供一致的登录入口,MQTT协议的消息最多由固定头部、可变头部和有包括基于账号和密码的登录、基于手机号和短信验证效载荷3部分组成(见图6)。码的登录、全局退出登录(用户从一个系统退出则同时从所有系统退出)及访问日志记录。(2)统一网关。面向各类终端提供受控的IT资源访问授权,全面管理平台上所有的数据和服务访问权图6MQTT消息报文结构限,以统一的视图展现整个平台中所有终端和应用的固定长度占2个字节(16bit),其中第1个字节的授权情况。其功能包括:角色组和角色管理、授权管4—7位表示控制报文类型,0—3位表示每个MQTT控理、授权监控、授权服务、资源包管理、分级授权等。制报文类型的特定标志,包含DUPflag、QoSlevel、(3)统一门户。为用户提供统一的访问入口,提RETAIN字段,另外1个字节表示RemainingLength字供页面内嵌功能,并为各应用提供统一的集成展示门段,RemainingLength计算可变头部和消息体的总长度,户,提供集成展示的API方案,使其他应用的功能页面最小长度为1个字节,最大为4个字节,所以Remaining统一在门户中呈现,功能包括主题管理、菜单管理、Length的最大长度为:128×4=512Mbit。MQTT固定报操作日志等。头格式见图7。。批量计算是先对数据进行静态存储,然后对存储的数据进行计算操作;流式计算则无须直接存储,而是对动态流入系统的数据提供连续、动态的服务,对数据图7MQTT固定报头格式进行实时计算[10-11]。-24-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等图8铁路物联网云平台统一认证系统架构示意图按照铁路工程物联网云平台的数据架构,,采用基于“边缘计铁路工程建设中现场监测信息分布广泛、设备多算+流式计算”的“云+端”协同判识的质量控制技术,样,具有实时、跨域、海量、多源、多维、多粒度等在平台端建立统一的质量研判规则库,通过流式计算特点,采用海量数据异常事件提取技术,有效聚合多引擎调用规则库,对采集数据进行实时判识,流式处源异构的数据资源,通过快速识别冗余、修正错误等理完成后发送至数据队列进行分类持久化存储。方式进行数据预处理,过滤采集过程中的干扰和噪音同时,智能设备具有一定的边缘计算能力,在各数据,形成可供计算分析的有效数据,根据采集的质个终端设备中自建质量规则库,终端规则库保持与平量数据的属性标识和分类,建立基于元数据的目录交台规则库的数据通信,平台规则库更新后,可统一下换体系,实现多源海量数据的融合分析,为基于全面发至现场各类采集与控制设备,各类终端系统依据规物联感知的质量控制体系提供技术基础。则进行自动研判和实时提醒,由于终端的计算能力有基于施工现场海量安全数据,结合跨区域、跨部限,只能开展单专业和特定工序的质量判别与控制,门、跨业务信息需求,构建了危险源辨识、安全隐患同时依托云平台强大的处理能力,开展多专业综合质预警、形变监测、危大工程识别等大数据分析模型,量研判和基于大数据的多维趋势研判,形成云端协同采用聚类分析、线性和非线性回归、道格拉斯-普克抽判识的质量控制技术。稀、相似匹配、频繁项集等算法,对工程实体部位可-25-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等能出现的风险进行预测,推演可能出现的最终值及影据安全传输提供了安全管道;在端、云协同处理方面,响范围,实现风险源事前预判,有效解决现场人员对利用端侧的计算能力,开展数据实时判识,并利用云危险源监控不到位、隐患排查不到位等问题。侧的流式计算和规则引擎,实现多工序、多专业的协同分析和计算;利用数据预处理模型过滤原始数据的5应用情况噪音和干扰,确保汇集数据的有效性,为海量数据分铁路工程建设信息化平台自2014年推广以来,逐析提供高质量的数据样本,利用大数据分析模型指导步构建了铁路工程物联网云平台,实现对各建设项目风险源辨识和安全隐患预警,提高工程安全管理能力。的管控,采用层级架构为国铁集团、建设单位、参建目前,铁路工程物联网数据采集依然存在工序覆单位提供面向工程现场的监控和管理决策,在西成高盖不全、数据分析不透彻、数据价值未充分挖掘等问铁、京沈高铁辽宁段、郑万高铁河南段、京张高铁、题,随着铁路工程物联网云平台的进一步发展与完善,、129个工程项目、79个对铁路智能建造的支撑价值将愈加凸显。建设单位全面应用。实现对4066座隧道的17452个工参考文献作面、([1]:铁总信息土)、4214台万能机和3510台压力机的1916万次原〔2017〕152号[A].北京:中国铁路总公司,、13987km的线路沉降观测、1398座连续梁[2]史天运,[J].中线形监测、128座梁场生产过程、1000万份隐蔽工程国铁路,2017(12):1-,形成铁路工[3]王都,李雪飞,王文华,,通过数据实时采集分析,实现对术[J].中国铁路,2018(9):54-、工程进度的动态管理,[4]陈燕,[J].中国铁路,2019(10):99-,为全路工程实[5]李亚群,,有效降低了现场安全事用现状及前景分析[J].铁路计算机应用,2019(3):故发生率。25-28,[6][J].电信科学,2017(11):147-[7]吴俊辉,吴桂初,陈冲,,开展铁路工程物联网云平台的应用网网关设计[J].温州大学学报(自然科学版),2019(4):54-,形成如下结论:(1)分析国内外发展形势和铁路工程建设信息化[8][J].计算机技术与发展,2018(9):168-,首次提出铁路工程物联网定义,提出铁路[9],实现更便捷的设备接入和设计[J].物联网技术,2019(6):14-,支持铁路工程大数据的综合分析,[10]梁毅,侯颖,陈诚,;务管理技术综述[J].计算机工程与科学,2017,(2)提出铁路工程物联网云平台的技术架构、数39(2):215-,详细描述了平台功能组成;[11]宋峣,孙小涓,胡玉新,(3)对铁路工程物联网关键技术进行分析,通过卫星数据快视处理方法[J].计算机工程与应用,SDK实现铁路工程各类智能装备随时接入,屏蔽了终2019,55(10):82-,为设备入云提供了便利;通过HASH责任编辑苑晓蒙加密算法,实现基于MQTT协议的安全数据传输,为数收稿日期2020-02-10-26-CHINARAILWAY2020/09:..铁路工程物联网云平台关键技术研究与应用解亚龙等智能高铁ofThingsCloudPlatformforRailwayEngineeringXIEYalong,WANGWanqi,YINXunxiao,JIANGRuofei(putingTechnology,ChinaAcademyofRailwaySciencesCorporationLimited,Beijing100081,China)Abstract:ofThingsinChinaandabroad,,dataprocessingarchitecture,;,,andunifiedcollection,storage,forwardingandcomprehensiveanalysisofmonitoringinformationinthefulllifecycleofrailwayinfrastructurewererealizedthroughflexibleruledefinitionengine,putingengine,andpre-processingandfilteringtechnologyofdataloading,aimingtoprovidemanagementtoolsforremotecollection,automaticresearchandevaluation,closed-looptracing,andintelligentdecision-makingofdynamicinformationattheconstructionsite,andtoprovideanewinformation-:railwayengineering;ofThings;securetransmission;MQTTprotocol;intelligentconstruction;railwayengineeringmanagementplatform;cloudplatform-27-CHINARAILWAY2020/09