一种轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法

技术领域

本发明涉及轨道交通信号控制技术领域，尤其是涉及一种轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法。

背景技术

轨道交通信号系统的车地通信是基于无线进行的，列车需要通过车载和轨旁的无线系统与车站及控制中心内的设备进行通信。无线系统与列车的运行紧密相关，异常时轻则列车紧急制动，重则列车只能以人工模式运行，这种场景下会大大降低运营效率，有可能会造成人员的损伤和列车的损毁。因此轨道交通信号系统需要对无线环境、车载天馈系统和轨旁天馈系统进行定期检查，确保它们处在一个良好的正常的工作状态，以往通过人工无线覆盖测试来实现此目的。

无线覆盖测试一般采用被动场强测量方法，它的原理是：轨旁无线设备周期性地发送一个beacon帧给车载无线设备，车载无线设备监听该beacon帧，记录接收到的每个beacon帧的电平，记录该轨旁无线设备的MAC地址，根据设定的电平/场强阈值、丢帧数量等参数进行对比和判断，按照判断结果保持连接或搜寻下一个轨旁无线设备以及进行切换，记录切换的时间和类型。最终解析软件用图形的形式将上述信息如场强、轨旁无线设备名称、切换时间、切换类型等展现出来，供技术人员分析无线环境、车载天馈系统和轨旁天馈系统的状态。

人工无线覆盖测试有两种方式。一种方式称之为跟车测试，是测试人员在列车上通过网线将测试电脑与车载无线设备相连，使用账号口令登录车载无线设备的配置界面，开启远程日志功能，设置远程日志服务器的地址为测试电脑的地址，设置远程日志服务器的通信端口，在测试电脑上按列车ID、车载无线设备的有线地址、车载无线设备的web账号口令等修改场强监测软件的配置文件，在场强监测软件上选择对应的网卡、设置记录保存路径、判断运行状态、开始录制、停止录制、解压记录，最后使用无线覆盖分析软件加载及解析记录。另一种方式称之为集中测试，是测试人员在控制中心的网管服务器上进行相似的操作，区别只是在网管服务器上是通过车载无线设备的无线端口进行测试的，且可以同时对多列车进行测试。两种方式都是采用UDP协议来进行数据的传输，场强监测软件通过514端口来接收syslog日志，数据仅在无线侧通过AES等算法加密。

目前人工无线覆盖测试方法主要存在以下不足：

1.耗费人力且无法做到故障及时响应，集中测试视线路长短一般至少需花费一个小时，此外突发故障时需要排查人员从驻地赶至网管服务器所在地，耗时就更长了。而跟车测试一般需要提前几天请点，需要列车司机等配合，更加费时费力。

2.不适合长时间录制，测试的起止是人工点击场强监测工具的启停按钮来控制的，每次停止生成一份记录，测试时间越长记录越大，解析软件加载并形成图形就越耗时，极端情况下记录无法打开，此外生成的图形中轨旁无线单元就越多、越密集，不利于维护人员分析记录。

3.记录不完整，人工测试不会全天候进行，这样往往在故障时没有当天的记录，甚至没有邻近日期的记录。

4.对人员的能力有一定要求，需根据上线列车修改场强监测软件的配置文件，设置软件，人为判断数据接收状态和软件运行状态。

5.安全性不高，测试需要知道车载无线设备的高权限人员如管理员或维护员的web登录账号密码，存在高权限web登录账号密码泄露的风险。

6.采用的UDP协议在有线侧传输过程中可能会丢包，导致误判无线通信的性能。

7.记录没有筛选分类，将syslog不经处理全部发送给场强监测软件，占用带宽，解析时会报错。

8.在有线侧的传输未加密，数据存储也未加密。

经过检索，中国发明专利申请公开说明书CN 106900003 A公开了一种城市轨道交通信号系统的无线性能监控与诊断系统，包括:数据采集装置和解析主机，数据采集装置和解析主机通过USB接口连接。数据采集装置，用于实时采集城市轨道交通信号系统中的所有无线信号数据信息；解析主机按照802.lla/b/g/n协议格式，用于根据帧结构对所述无线信号数据信息进行解析，并呈现和分析,以及时诊断故障，包括接收接口、解析模块、显示模块、分类统计模块、构建模块、线路信息模块、数据管理模块、设备状态模块。目前存在需要人工测试、无法24小时无间断测试、大记录没有切片、支撑排障不及时等问题。

中国发明专利申请公开说明书CN 109922481 A公开了一种FHSS制式车地通信系统的性能测试方法和电子设备，此性能测试方法包括以下步骤：S10、从所述车载无线通信单元获取所述无线信令数据包；S20、对所述无线信令数据包进行解调并解析，以提取通信数据；S30、根据所述通信数据检测无线通信系统的性能，实现了对基于FHSS技术的车地无线通信系统的性能进行测试，包括场强、漫游切换时间、网络性能等无线网络关键指标的测试。该专利还公开了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。目前也存在需要人工测试、无法24小时无间断测试、大记录没有切片、支撑排障不及时等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种节省人工、灵活性好、完整性好、安全性高、可靠性好、排障效率高的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统，所述的测试系统包括相互连接的车载无线设备和无线覆盖服务器；

其中所述的车载无线设备包括依次连接的场强监测模块、切换判断模块、日志分类筛选模块、无线覆盖记录处理模块和第一通信前置处理模块；

其中所述的无线覆盖服务器包括依次连接的第二通信前置处理模块、无线覆盖记录存储模块、无线覆盖记录加解密模块、无线覆盖记录筛选模块；

其中所述的第一通信前置处理模块和第二通信前置处理模块通信连接。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖服务器的部署方式包括两种，一种是部署在列车上并通过网线直接每个车载无线设备，另一种是部署在控制中心并通过车地无线网络和轨旁骨干网连接各车载无线设备。

作为优选的技术方案，所述的日志分类筛选模块，用于根据关键字段将记录进行筛选分类为系统日志、安全日志和无线覆盖记录，并存储在RAM中。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖记录处理模块，用于根据设定的发送周期，将无线覆盖记录进行切片、打包并压缩。

作为优选的技术方案，所述的第一通信前置处理模块和第二通信前置处理模块，用于基于TCP传输，并进行TLS加密和身份信息验证，所述的第一通信前置处理模块还按照QoS、服务器地址及端口的设置，将无线覆盖记录压缩包发送给无线覆盖服务器。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖记录加解密模块，用于使用AES算法对储存的无线覆盖记录进行加密并对选定的无线覆盖记录进行解密。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖记录筛选模块，用于按选定时间段或序列对无线覆盖记录进行筛选并在解密后进行合并。

作为优选的技术方案，所述的场强监测模块，用于实时自动监测无线通信的信号质量，并返回对应的信号质量和无线设备的MAC地址。

作为优选的技术方案，所述的场强监测模块实时自动监测无线通信的信号质量包括轨旁无线设备的SSID、信号的来源和走向、信号场强、切换时间、切换类型、干扰信息、时延信息、发送的数据数、接收的数据数和丢包个数。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖服务器还包括看门狗模块，该看门狗模块与第二通信前置处理模块相连，用于监控第二通信前置处理模块的状态，确保状态异常时自动重启。

作为优选的技术方案，所述的切换判断模块，用于根据场强监测模块实时返回的信号质量和预先设定的切换阈值，结合切换算法，判断是否切换，若为是，输出切换记录，否则输出原始记录。

作为优选的技术方案，所述的无线覆盖记录存储模块，用于根据设置的路径存储无线覆盖记录。

根据本发明的第二方面，提供了一种采用所述的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统的测试方法，所述的测试方法包括以下步骤：

步骤S1，场强监测模块实时自动监测无线通信的信号质量，将信号质量和轨旁无线设备的MAC地址输出给切换判断模块；

步骤S2，切换判断模块按照预先设定的阈值，根据场强监测模块输入的信号质量，结合切换算法判断是否进行切换，若为是，输出切换记录，否则输出原始记录；

步骤S3，日志分类筛选模块将步骤S2输出的所有记录按照关键字进行分类，并筛选出无线覆盖记录，发给无线覆盖记录处理模块；

步骤S4，无线覆盖记录处理模块根据设定的发送周期，将无线覆盖记录进行切片、打包并压缩；

步骤S5，第一通信前置处理模块将无线覆盖记录压缩包发送给第二通信前置处理模块；

步骤S6，无线覆盖记录存储模块将第二通信前置处理模块输出的无线覆盖记录根据设置的路径进行存储，然后无线覆盖记录加解密模块按设定的密钥用AES算法对其进行加密；

步骤S7，无线覆盖服务器用密钥对筛选的无线覆盖记录进行解密并合并生成一个整体的无线覆盖记录。

作为优选的技术方案，所述的步骤S5具体为：第一通信前置处理模块按照设定的服务器地址、端口将无线覆盖记录压缩包用TLS协议加密发送给第二通信前置处理模块，传输优先级按QoS执行，传输前按设定的账号进行身份验证；如果握手失败则按设定时间等待，之后再次进行握手尝试，直至队列中的记录超过设定大小。

根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)节省人工：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过仅在初次使用时需要人工配置，然后会全天候自动进行无线覆盖测试，使得测试期间无需人员参与，节省人工。

2)灵活性好：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过按照设定周期发送测试记录并按设定时间段或序列筛选合并记录，使得记录获取灵活，规避分析记录因积累多而无法打开，方便维护人员分析。

3)完整性好：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过实现全天候自动无线覆盖测试，并使用看门狗降低程序出错卡死的概率，正常情况下不会记录缺失。

4)安全性高：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过使用独立账号TLS协议加密、AES加密和仅传输无线覆盖记录，使得防止敏感信息泄露，提高了系统安全性。

5)可靠性好：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过使用TCP传输代替原有的UDP，使用QoS减少对实际业务的影响，使得系统可靠性更好。

6)排障效率高：本发明中的轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统和方法通过全天候自动测试并切片记录传输存储，使得发生故障后可以筛选故障发生时间前后一定范围内的记录并尽快进行分析，避免了无法及时响应故障，从而提高排障效率。

附图说明

图1为本发明中轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统的系统架构示意图；

图2为本发明中轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统的部署方式一示意图；

图3为本发明中轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试系统的部署方式二示意图；

图4为本发明中轨道交通信号系统的自动化无线覆盖测试方法的测试步骤和流程示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本实施例涉及一种轨道交通信号系统自动化无线覆盖测试系统，其系统架构如图1所示，包括相互连接的车载无线设备1和无线覆盖服务器2。其中所述的车载无线设备1包括依次连接的场强监测模块11、切换判断模块12、日志分类筛选模块13、无线覆盖记录处理模块14和第一通信前置处理模块15；其中所述的无线覆盖服务器2包括依次连接的第二通信前置处理模块21、无线覆盖记录存储模块22、无线覆盖记录加解密模块23、无线覆盖记录筛选模块24和看门狗模块25。

下面对各个模块分别进行描述：

场强监测模块11，用于实时自动监测无线通信的信号质量，并返回对应的信号质量和无线设备的MAC地址输出给切换判断模块12。该信号质量包括轨旁无线设备的SSID、信号的来源和走向、信号场强、切换时间、切换类型、干扰信息、时延信息、发送的数据数、接收的数据数和丢包个数。

切换判断及执行模块12，用于根据场强监测模块实时返回的信号质量和预先设定的切换阈值，结合切换算法，判断是否切换，若为是，输出切换记录，否则输出原始记录。

日志分类筛选模块13，用于将步骤S2输出的所有记录根据关键字段进行分类为系统日志、安全日志和无线覆盖记录这三大类，然后筛选出无线覆盖记录并存储在RAM中，发给无线覆盖记录处理模块14。

无线覆盖记录处理模块14，用于根据设定的发送周期，将无线覆盖记录切片、打包并压缩。

第一通信前置处理模块15，用于基于TCP传输，并进行TLS加密和身份信息验证，按照QoS、服务器地址及端口的设置，将无线覆盖记录压缩包发送给无线覆盖服务器2。

第二通信前置处理模块21，用于基于TCP传输无线覆盖记录压缩包，并进行TLS加密和身份信息验证。

无线覆盖记录存储模块22，用于根据设置的路径存储无线覆盖记录。

无线覆盖记录加解密模块23，用于使用AES算法对储存的无线覆盖记录进行加密并对选定的无线覆盖记录进行解密。

无线覆盖记录筛选模块24，用于按选定时间段或序列对无线覆盖记录进行筛选并在解密后进行合并。

看门狗模块25，与第二通信前置处理模块21相连，用于监控第二通信前置处理模块21的状态，确保状态异常时自动重启。

本系统的无线覆盖服务器2有两种部署方式，一种如图2所示，部署在列车上并通过网线直接每个车载无线设备1；另一种如图3所示，部署在控制中心并通过车地无线网络和轨旁骨干网连接各车载无线设备1。

以上是关于系统实施例的介绍，以下通过方法实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。

本实施例还涉及一种轨道交通信号系统自动化无线覆盖测试方法，其流程如图4所示，包括以下步骤：

步骤S1：车载无线设备1启动后，场强监测模块11实时自动监测无线通信的信号质量，将轨旁无线设备的SSID、场强值如60dBm、连续丢包个数如3、切换时间如20230101 15:00:00:00、发送的数据数如100、接收的数据数如99、丢包个数如1和MAC地址如01:23:45:67:89:10等值输出给切换判断模块12；

步骤S2：切换判断模块12按照预先设定的阈值如切换扫描电平30等，根据场强监测模块11输入的参数，结合切换算法，判断是否切换，若为是，输出切换记录如切换时间100ms、切换类型2等，否则输出原始记录；

步骤S3：所有的记录按时序存储在ROM中，日志分类筛选模块13将步骤S2输出的所有记录按照关键字进行分类，如对于无线覆盖相关记录按RSSI、Handoff等词筛选出无线覆盖记录，存储在RAM中，并发给无线覆盖记录处理模块14；

步骤S4：无线覆盖记录处理模块14按照车载无线设备1配置文件中设定的发送周期如30s，将无线覆盖记录切片、打包、压缩，文件名称包括记录的起止日期和时间以及列车ID和车载无线设备名称，压缩比达到10:1；

步骤S5：第一通信前置处理模块15按照设定的服务器地址和端口与第二通信前置处理模块21进行通信，若握手失败则按设定时间如等待30s后再次尝试握手，若队列中的记录超过设定值如15M，则终止通信并将这些记录丢弃；

步骤S6：第一通信前置处理模块15和第二通信前置处理模块21握手成功后按设定的账号进行身份验证，若验证失败则按设定时间如等待30s后重新从步骤S5开始；

步骤S7：无线覆盖记录在用车载无线设备1和无线覆盖服务器2之间用TLS协议加密传输，传输优先级按QoS执行；

步骤S8：无线覆盖记录存储模块22根据设置的路径存储无线覆盖记录后，无线覆盖记录加解密模块23按设定的密钥用AES算法进行加密；

步骤S9：无线覆盖记录筛选模块24按照选定的时间段筛选出相关的无线覆盖记录，在无线覆盖记录加解密模块23用密钥进行解密后按文件名(日期、时间)合并记录，新记录按总的起止时间重新命名。

其中步骤S2中的切换算法包括两种：

1.切换算法按照(noise floor+切换扫描电平)算出切换阈值，拿它与场强监测模块给输入的场强值做比较，若切换阈值小于场强值，则保持与当前轨旁无线设备的连接，否则就进行切换(这里如果细究的话也不是必然会切换，会按照接收到的其它轨旁无线设备的场强值和beacon帧数量(如连续收到3个beacon帧)来判断是否切换以及切换至哪个轨旁无线设备)；

2.切换算法按照当前连接的轨旁无线设备的连续丢失的beacon帧数量是否高于设定的阈值(如5个beacon帧)，来决定是保持连接还是进行切换(这里如果细究的话也不是必然会切换，会按照接收到的其它轨旁无线设备的场强值和beacon帧数量(如连续收到3个beacon帧)来判断是否切换以及切换至哪个轨旁无线设备)

这里的beacon帧也就是“步骤S1”中的“连续丢包个数”中的“包”。

上述步骤中，所有的参数在初始设置后一般无需再改动。

此外本实施例还提供一种电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。

设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如本发明方法。例如，在一些实施例中，本发明方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的本发明方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行本发明方法。

本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑设备(CPLD)等等。

用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。