CN115913362A - 一种使用无线光通信进行车地数据转储的*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，解决了轨道交通车辆上车载设备在列车运行期间产生超过1TB以上海量数据，转储持续时间过长，会严重影响列车作业流程的问题；本发明利用无线光通信技术方案进行数据转储，通过无线网络交换车载FSO终端位置信息和地面FSO终端位置信息，各自通过无刷直流伺服云台调整FSO终端指向方向，辅助FSO终端完成自动对焦；采用高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，并上报运行状态信息，实现列车在站点停靠有限的时间内，将数据转储到地面数据中心；使得数据转储速率是普通网络数据转储速率的10倍以上，提升了大量数据通过无线通信网络快速落地的效率，及时分析预防事故发生。本发明适用于轨道交通。

Description

一种使用无线光通信进行车地数据转储的***

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种使用无线光通信进行车地数据转储的***。

背景技术

现在轨道交通领域数据传输的方式主要有蜂窝网2G方式、蜂窝网4G方式、WIFI方式，以及5G毫米波方式；蜂窝网2G专网基站的覆盖半径在10Km，最远可用扩展到36Km，虽然覆盖范围广，但理论最高速率只有64kbps，适用于小数据量，实时数据的传输和交互；

蜂窝网4G专网基站的覆盖半径在3Km以内，相对于2G专网覆盖范围要小很多，理论最高速率100Mbps，适用于小数据量，实时数据传输和交互。

WIFI方式AP覆盖半径在200米以内，理论最高传输速率可用到达1000Mbps，由于覆盖范围很小，且不支持AP间切换，切换过程会导致链路中断，但单点部署价格便宜。

5G毫米波方式，专网RBS基站覆盖半径在300米以内，理论最高传输速率在1.7Gbps；视距传播，容易受到遮蔽干扰，且轨道附近接触网密集，电磁环境复杂，容易受到电磁干扰和反射干扰。可以用于大数据的转储落地，实际使用中数据的转储速率在1分钟10GBps左右。如果待转储的数据大小300GB之内，在30分钟以内数据可以转储完成，不影响列车的作业流程；如果待转储数据超过1TB以上，则转储过程要持续时间过长，会严重影响列车作业流程。

自由空间光通信FSO（Free Space Optics ），是指利用大气而不是光纤传送光信号的光通信***，是光纤通信与无线通信的结合。采用1528-1565纳米的红外光波激光技术，传输距离可达4Km，在1Km内可以达到10Gbps的传输速率。从机务段出发，执行一次运输任务，然后返回机务段的过程，称为“交路”。对于综合巡检车辆和带有3C检测作业的车辆，一个交路作业待转储的数据在500GB~600GB，甚至到达1TB以上的车辆，使用FSO自由空间光通信技术可以极大的缩短数据转储时间。

发明内容

本发明提供了一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，解决了在轨道交通领域车辆运行时间长，停靠时间短，车载设备在列车运行期间产生大量数据，为了及时的对列车运行数据进行分析，预防产生事故，需要及时将数据转储到地面数据中心，对传输带宽提出更高的需求。使用无线光通信(FSO)技术，建立通信链路，本发明可提供10Gpbs的超高带宽，可以很好实现列车在有限的停靠时间内，大量数据的快速落地的目的。

本发明提供了一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，该***包括车辆设备、地面设备，车辆设备包括数据源、高速缓冲装置、车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端，高速缓冲装置通过以太网分别与车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端和数据源相连；

地面设备包括数据存储NAS、服务器平台、地面无刷直流伺服云台、地面FSO终端，服务器平台通过以太网分别与地面无刷直流伺服云台、数据存储NAS、地面FSO终端连接；服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***；

高速缓冲装置从数据源下载数据，将下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；

服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向；

服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息后，服务器平台发出指令给地面无刷直流伺服云台，对地面FSO终端的指向进行微调；

车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦，之后高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，注册通过后高速缓冲装置开始将数据传输给服务器平台。

优选地，高速缓冲装置是从数据源下载数据，将下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；具体是指下载的数据存储到高速缓冲装置的硬盘中进行缓冲，该数据源由列车上安装的不同类型的车载设备生成运行数据，数据源包括：6A视频数据、6A行车安全数据、3C数据、综合检测数据；

下载的方式包括ftp文件传输协议客户端程序、sftp安全文件传输协议客户端程序、scp安全远程文件拷贝、rsync远程同步下载方式。

优选地，高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把所述车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台，具体是指在高速缓冲装置把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台之前，高速缓冲装置探测到车辆停靠车站的位置距离所述地面FSO终端预设的距离阈值范围内时，把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；同时高速缓冲装置发出指令给所述车载FSO终端启动供电；

车载FSO终端的位置信息是通过高速缓冲装置配置的北斗差分模块获取，或者通过无线信标方式获取；

高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，具体是指高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息计算车载FSO终端的偏移角度，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向；

车载FSO终端相对于地面FSO终端的偏移角度，计算车载FSO终端的偏移角度，通过计算方位角的方法得到所述车载FSO终端偏移角度，所述车载FSO终端的偏移角度为：

a = arctan(|dy/dx|)；

其中，坐标增量dx= x`- x，坐标增量dy = y`- y ，是车载FSO终端设备坐标A(x,y)和地面FSO终端设备坐标B_1（x`, y`）两点坐标分量相减。

优选地，服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；具体是指服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算地面FSO终端的偏移角度，服务器平台通过指令给地面FSO终端启动供电，并将地面FSO终端的偏移角度发给地面无刷直流伺服云台，地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；

服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算所述地面FSO终端的偏移角度，采用计算方位角方法得到所述地面FSO终端的偏移角度，地面FSO终端的偏移角度是地面FSO终端相对车载FSO终端的偏移角度；

定义地面FSO终端设备坐标为A(x,y)和车载FSO终端设备坐标B_1（x`, y`），计算两点坐标分量相减，得到坐标增量dx = x`- x，dy = y`- y ；

若坐标增量dx,坐标增量dy都不为零；则计算象限角 a = arctan(|dy/dx|)，单位为度；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy>0时，方位角=a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy>0时，方位角=180°-a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy<0时，方位角=180°+a；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy<0时，方位角=360°-a；

地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向，具体是指地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据所述地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调。

优选地，当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调，具体是指服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息，再次通过CAN总线发送指令地面无刷直流伺服云台对地面FSO终端指向进行微调；该微调是通过服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***，通过服务器平台和地面无刷伺服云台的反复获取位置信息，并反复调整偏移角度，最终偏移角度a＜0.01°时，地面FSO终端相对车载FSO终端的指向方向微调结束，车载FSO终端和所述地面FSO终端通过各自自带的激光轴完成跟踪与对焦；其中，地面无刷直流伺服云台微调的位置信息包括位置精度和调整角度精度。

优选地，车载FSO终端与地面FSO终端自动完成跟踪与对焦，还包括高速缓冲装置通过以太网发送自动跟踪启动指令给车载FSO终端，同时服务器平台通过以太网发送自动跟踪启动指令给地面FSO终端，车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点并调整车载FSO终端的激光轴和地面FSO地面终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦过程；

车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点并调整车载FSO终端的激光轴和地面FSO地面终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦，具体是指车载FSO终端接收到地面FSO终端激光信号，同时，地面FSO终端接收到车载FSO终端激光信号，车载FSO终端设备和地面FSO终端设备计算各自获得接收光功率，车载FSO终端和地面FSO终端根据误码率的大小、接收到对端的光功率后，计算车载FSO终端和地面FSO终端各自得到的最大光输入点，当车载FSO终端和地面FSO终端获得最大光输入点时，车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦；

其中，最大光输入点是指误码率小于1E-12时，得到最大光输入点；误码率=传输中的误码数/所传输的总码数*100%；

车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台注册通过后，开始将数据传输给所述服务器平台。

优选地，车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置注册通过后开始将数据传输给服务器平台，具体是指车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台申请注册时，将高速缓冲装置的运行状态信息上报服务器平台；注册通过后所述高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始将数据传输给服务器平台；所述高速缓冲装置的运行状态信息包括车载设备上电时间、下电时间、磁盘占用率。

优选地，注册通过后高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始数据传输给服务器平台，还包括高速缓冲装置如果有第n-1个数据未传输完成，进行断点继续传输，直到数据传输给服务器平台完成，高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台。

优选地，高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台，是指服务器平台收到数据后，直接存入数据存储NAS中，根据接收高速缓冲装置上报数据传输进度信息，判断是否有待传输的数据文件；数据传输进度信息包括第n个数据传输的文件大小、剩余待传文件数量和大小；

数据传输完成后高速缓冲装置通过指令关闭车载设备的供电，车载FSO终端关闭；服务器平台通过指令关闭地面设备的供电，地面FSO终端关闭；所述 lftp文件客户端程序，或ftp文件传输协议客户端程序断开连接。

优选地，高速缓冲装置包括数据存储缓冲模块、数据处理模块、北斗差分定位模块、接口模块；

数据存储缓冲模块，用于存储缓冲数据的读速大于1500MB/s的数据；

数据处理模块，用于基于计算能力的边缘计算机对数据进行计算处理；

北斗差分定位模块，用于获取车载FSO终端的精准位置信息；

接口模块，用于高速缓冲装置的输出端口至少一个以上的万兆网口和n个千兆网口，将采集到的车载设备运行数据通过lftp客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序转储到服务器平台。

本发明实施例提供一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，解决了轨道交通车辆上车载设备在列车运行期间产生超过1TB以上海量数据，转储持续时间过长，会严重影响列车作业流程的问题；本发明利用无线光通信技术方案进行数据转储，通过无线网络交换车载FSO终端位置信息和地面FSO终端位置信息，各自通过无刷直流伺服云台调整FSO终端指向方向，辅助FSO终端完成自动对焦；采用高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，并上报运行状态信息，实现列车在站点停靠有限的时间内，将数据转储到地面数据中心；使得数据转储速率是普通网络数据转储速率的10倍以上，提升了大量数据通过无线通信网络快速落地的效率，及时分析预防事故发生。

附图说明

图1是一种使用无线光通信进行车地数据转储的***结构框图；

图2是一种使用无线光通信进行车地数据转储的***流程图；

图3是一种使用无线光通信进行车地数据转储的***基于地面FSO终端设备视角的位置示意图；

图4是一种使用无线光通信进行车地数据转储的***基于车载FSO终端设备视角的位置示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例流程表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。

实施例一

本发明实施例提供的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，如图1所示，该***包括车辆设备、地面设备，车辆设备包括数据源、高速缓冲装置、车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端，高速缓冲装置通过以太网分别与车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端和数据源相连；服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***；

地面设备包括数据存储NAS、服务器平台、地面无刷直流伺服云台、地面FSO终端，地面设备通过以太网依次连接用于承载业务数据，服务器平台通过以太网分别与所述地面无刷直流伺服云台、所述数据存储NAS、地面FSO终端连接；

高速缓冲装置从数据源下载数据，将下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；

服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向；

服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息后，服务器平台发出指令给地面无刷直流伺服云台，对地面FSO终端的指向进行微调；

车载FSO终端和所述地面FSO终端自动完成跟踪与对焦，之后高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，注册通过后所述高速缓冲装置开始将数据传输给服务器平台。

在一个实施例中，高速缓冲装置是从数据源下载数据，将下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；具体是指下载的数据存储到高速缓冲装置的硬盘中进行缓冲，该数据源由列车上安装的不同类型的车载设备生成运行数据，数据源包括：6A视频数据、6A行车安全数据、3C数据、综合检测数据；

下载的方式包括ftp文件传输协议客户端程序、sftp安全文件传输协议客户端程序、scp安全远程文件拷贝、rsync远程同步下载方式。

在一个实施例中，高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把所述车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台，具体是指在高速缓冲装置把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台之前，高速缓冲装置探测到车辆停靠车站的位置距离所述地面FSO终端预设的距离阈值范围内时，把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；同时高速缓冲装置发出指令给所述车载FSO终端启动供电；

车载FSO终端的位置信息是通过高速缓冲装置配置的北斗差分模块获取，或者通过无线信标方式获取；

高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，具体是指高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息计算车载FSO终端的偏移角度，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向；

车载FSO终端相对于地面FSO终端的偏移角度，计算车载FSO终端的偏移角度，通过计算方位角的方法得到车载FSO终端偏移角度，所述车载FSO终端的偏移角度为：

a = arctan(|dy/dx|)；

其中，坐标增量dx= x`- x，坐标增量dy = y`- y ，是车载FSO终端设备坐标A(x,y)和地面FSO终端设备坐标B_1（x`, y`）两点坐标分量相减。

在一个实施例中，服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；具体是指服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算地面FSO终端的偏移角度，服务器平台通过指令给地面FSO终端启动供电，并将地面FSO终端的偏移角度发给地面无刷直流伺服云台，地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；

服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算地面FSO终端的偏移角度，采用计算方位角方法得到地面FSO终端的偏移角度，地面FSO终端的偏移角度是地面FSO终端相对车载FSO终端的偏移角度；

定义地面FSO终端设备坐标为A(x,y)和车载FSO终端设备坐标B_1（x`, y`），计算两点坐标分量相减，得到坐标增量dx = x`- x，dy = y`- y ；

若坐标增量dx,坐标增量dy都不为零；则计算象限角 a = arctan(|dy/dx|)，单位为度；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy>0时，方位角=a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy>0时，方位角=180°-a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy<0时，方位角=180°+a；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy<0时，方位角=360°-a；

地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向，具体是指地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据所述地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调。

在一个实施例中，当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调，具体是指服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息，再次通过CAN总线发送指令地面无刷直流伺服云台对地面FSO终端指向进行微调；该微调是通过服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***，通过服务器平台和地面无刷伺服云台的反复获取位置信息，并反复调整偏移角度，最终偏移角度a＜0.01°时，地面FSO终端相对车载FSO终端的指向方向微调结束，车载FSO终端和所述地面FSO终端通过各自自带的激光轴完成跟踪与对焦；其中，地面无刷直流伺服云台微调的位置信息包括位置精度和调整角度精度。

在一个实施例中，车载FSO终端与地面FSO终端自动完成跟踪与对焦，还包括高速缓冲装置通过以太网发送自动跟踪启动指令给车载FSO终端，同时服务器平台通过以太网发送自动跟踪启动指令给地面FSO终端，车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点，并调整车载FSO终端的激光轴和地面FSO地面终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦过程；

车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点并调整车载FSO终端的激光轴和地面FSO地面终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦，具体是指车载FSO终端接收到地面FSO终端的激光信号，同时，地面FSO终端接收到车载FSO终端激光信号，车载FSO终端设备和地面FSO终端设备计算各自获得接收光功率，车载FSO终端和地面FSO终端根据误码率的大小、接收到对端的光功率后，计算车载FSO终端和地面FSO终端各自得到的最大光输入点，当车载FSO终端和地面FSO终端获得最大光输入点时，车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦；

其中，最大光输入点是指误码率小于1E-12时，得到最大光输入点；误码率=传输中的误码数/所传输的总码数*100%；

车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置注册通过后开始将数据传输给服务器平台。

在一个实施例中，车载FSO终端和所述地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置注册通过后开始将数据传输给服务器平台，具体是指车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台申请注册时，将高速缓冲装置的运行状态信息上报服务器平台；注册通过后所述高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始将数据传输给服务器平台；所述高速缓冲装置的运行状态信息包括车载设备上电时间、下电时间、磁盘占用率。

在一个实施例中，注册通过后高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始将数据传输给服务器平台，还包括高速缓冲装置如果有第n-1个数据未传输完成，进行断点继续传输，直到数据传输给服务器平台完成，高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台。

在一个实施例中，高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台，是指服务器平台收到数据后，直接存入数据存储NAS中，根据接收高速缓冲装置上报数据传输进度信息，判断是否有待传输的数据文件；数据传输进度信息包括第n个数据传输的文件大小、剩余待传文件数量和大小；

数据传输完成后高速缓冲装置通过指令关闭车载设备的供电，车载FSO终端关闭；服务器平台通过指令关闭地面设备的供电，地面FSO终端关闭；所述 lftp文件客户端程序，或ftp文件传输协议客户端程序断开连接。

在一个实施例中，高速缓冲装置包括数据存储缓冲模块、数据处理模块、北斗差分定位模块、接口模块；

数据存储缓冲模块，用于存储缓冲数据的读速大于1500MB/s的数据；

数据处理模块，用于基于计算能力的边缘计算机对数据进行计算处理；

北斗差分定位模块，用于获取车载FSO终端的精准位置信息；

接口模块，用于高速缓冲装置的输出端口至少一个以上的万兆网口和n个千兆网口，将采集到的车载设备运行数据通过lftp客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序转储到服务器平台。

本发明实施例提供一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，解决了在轨道交通车辆运行时间长，停靠时间短，车载设备在列车运行期间产生大量数据，待转储数据超过1TB以上，则转储过程要持续时间过长，会严重影响列车作业流程的问题；本发明实技术方案使用无线光通信技术方案进行数据转储，通过4G网络或无线信标结合WIFI网络交换车载FSO终端位置信息和地面FSO终端位置信息，辅助FSO终端自动对焦；采用高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，并上报高速缓冲装置的运行状态信息，实现数据传输；使得数据转储速率是WIFI方案和5G毫秒波方案数据转储速率的10倍以上，实现列车在有限的停靠时间内，及时将数据转储到地面数据中心，并能对列车运行数据及时进行分析，预防产生事故，提升了大量数据的快速落地的效率。

实施例二

本发明实施例提供的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，该***由车辆车载设备和地面设备两部分组成，***框图，如图1所示：

车辆车载设备配置：数据源和高速缓冲装置之间使用万兆以太网连接、车载FSO终端、无刷直流伺服云台（带驱动编码器）；

高速缓冲装置选用磁盘读速大于1500MB/s的M.2(NVME协议)接口的固态硬盘，通过万兆网口与车载FSO终端设备连接，本实施例使用供电***POE；人眼安全等级：1米。

高速缓冲装置配置北斗差分定位模块，高速缓冲装置内的待传输数据量大于预设的阈值，预设阈值根据地面车站的实际接收能力情况对应设置，可以设置为：20GBtyes、50GBytes、100GBytes等。当待传输数据量大于预设的阈值时，才进行一次传输，否则频繁少量数据传输反而影响性能，也很影响到其他车辆车载数据的转储。

高速缓冲装置包括数据存储缓冲模块、数据处理模块、北斗差分定位模块、接口模块；

所述数据存储缓冲模块，用于存储缓冲数据的读速大于1500MB/s的数据；

所述数据处理模块，用于基于计算能力的边缘计算机对数据进行计算处理；

所述北斗差分定位模块，用于获取车载FSO终端的精准位置信息；

所述接口模块，用于高速缓冲装置的输出端口至少一个以上的万兆网口和n个千兆网口，将采集到的车载设备运行数据通过lftp客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序转储到服务器平台。

地面设备配置：服务器平台、数据存储NAS、无刷直流伺服云台（带驱动编码器），地面FSO终端、服务器平台与无刷直流伺服云台和数据存储NAS是使用万兆以太网连接；

本实施例FSO终端使用POE供电；人眼安全等级：1米；通过LC-LC多模光纤在交换机会聚，接到服务器平台，服务器平台使用RAID 5磁盘阵列的NAS设备做数据存储，本实施例选择磁盘阵列写速率大于1500MB/s。

FSO终端设备支持SNMP简单网关管理协议，可以对设备运行状态进行有效的管理；该***具体运行过程，如图2所示***流程图。

1、高速缓冲装置从数据源采集数据

车辆运行过程中，高速缓冲装置通过ftp文件传输协议客户端（或sftp安全文件传输协议客户端、scp安全远程文件拷贝工具、rsync远程同步工具等方式）从数据源采集数据。

2、把采集到的数据存入高速缓冲装置的硬盘

高速缓冲装置是从数据源下载数据，并把下载的数据存储到高速缓冲装置的硬盘进行缓冲。

3、高速缓冲装置把车载FSO终端的位置信息发送给服务器平台

在一个实施例中，车辆停靠位置在距离地面FSO终端的预设距离阈值范围内时，把车载FSO终端的位置信息通过4G网络或WIFI网络发送给服务器平台；在实施例中，车辆停靠位置距离地面FSO终端预设值为200米范围内时，高速缓冲装置把车载FSO终端的位置信息通过4G网络或WIFI网络发送给服务器平台。

4、高速缓冲装置打开POE供电，车载FSO终端上电，进入运行状态

高速缓冲装置通过内部指令使能POE供电（即打开POE供电开关），车载FSO终端上电，经过自检后，进入运行状态（注：车载FSO终端使用的是POE供电方式，POE即PoweroverEthernet，以太网供电，更通俗的讲就是通过网口供电）。

5、高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向；

服务器平台通过CAN总线连接地面无刷直流伺服云台，在实施例中例如：地面无刷直流伺服云台带驱动编码器，内置位置传感器，可做位置闭环控制，位置反馈精度13bit，角度调整精度为0.01度；服务器平台通过CAN总线发送相对正北方向为零度的偏移角度给地面无刷直流伺服云台，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向。

地面FSO终端设备和车载FSO终端设备两点北斗***（或GPS）坐标，分别计算相对方位角，计算方位角的方法：如图4所示，例如，地面FSO终端的GPS坐标在四象限的其中一个象限中；基于车载FSO终端设备视角,计算车载FSO终端相对于地面FSO终端的位置；

首先计算坐标增量dx = x`- x，dy = y`- y ，对应地面FSO终端设备坐标A(x,y)和车载FSO终端设备坐标B_1（x`, y`）两点坐标分量相减，即终点坐标减始点坐标：

若dx,dy中有一个为零时，根据另一个的正负决定方位角为：0°，90°，180°，270°中的一个；

若dx,dy都不为零；则计算象限角 a = arctan(|dy/dx|)，单位：度；

通过计算方位角的方法得到车载FSO终端偏移角度，所述车载FSO终端的偏移角度为：

当坐标增量dx>0，坐标增量dy>0时，方位角=a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy>0时，方位角=180°-a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy<0时，方位角=180°+a；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy<0时，方位角=360°-a；

6、服务器平台收到车载FSO终端位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；如图3所示，基于地面FSO终端设备视角,计算地面FSO终端相对于车载FSO终端的位置；同理，按上述的步骤4的计算方位角的方法，计算地面FSO终端调整的方位角（即偏移角度）。

地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向调整到位后，服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的内置位置传感器的信息，再次通过CAN总线发送指令对地面FSO终端指向方向进行微调；微调的角度是比较小a≤1°，微调的角度调整精度一般为0.01°。

7、车载FSO终端和地面FSO终端自动对焦

车载FSO终端和地面FSO终端自动对焦完整自动对焦过程如下：

高速缓冲装置通过以太网发送自动跟踪启动指令给车载FSO终端，同时服务器平台通过以太网发送自动跟踪启动指令给地面FSO终端，车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点并适当调整激光轴，自动完成跟踪与对焦过程。

车载FSO终端和地面FSO终端根据误码率的大小（误码率：小于1E-12）、接收到对方的光功率，计算最大光输入点。接收到的光功率越大，则误码率越小，误码率小于1E-12，即得到最大光输入点。

8、高速缓冲装置连接到服务器平台

自动完成跟踪与对焦过程后，高速缓冲装置连接到服务器平台，准备进行数据传输。

9、注册、上报高速缓冲装置运行状态信息

高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，并上报高速缓冲装置的运行状态信息，包括上下电时间、磁盘占用率等。

10、高速缓冲装置启动客户端程序进程开始数据传输

高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序，或ftp文件传输协议客户端程序开始数据传输。如果有上次未传输完成的数据，进行断点续传，直到传输完成，开始新数据传输。

11、高速缓冲装置上报传输进度信息

上报传输进度信息包括当前正在传输的文件大小、剩余待传文件数量和大小。

12、服务器平台收到数据后，直接存入数据存储 NAS。

13、数据传输完成断开连接及关闭车辆设备和地面设备。

lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序断开连接。

此时车载高速缓冲装置关闭POE供电，车载FSO终端关闭，服务器平台关闭POE供电，地面FSO终端关闭。

本发明实施例提供一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，解决了在轨道交通车辆运行时间长，停靠时间短，车载设备在列车运行期间产生大量数据，待转储数据超过1TB以上，则转储过程要持续时间过长，会严重影响列车作业流程的问题；本发明技术方案使用无线光通信技术方案进行数据转储，通过4G网络或无线信标结合WIFI网络交换车载FSO终端位置信息和地面FSO终端位置信息，辅助FSO终端自动对焦；采用高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，并上报高速缓冲装置的运行状态信息，实现数据传输；使得数据转储速率是WIFI方案和5G毫秒波方案数据转储速率的10倍以上，实现列车在有限的停靠时间内，及时将数据转储到地面数据中心，并能对列车运行数据及时进行分析，预防产生事故，提升了大量数据的快速落地的效率。

Claims (10)

1.一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述***包括车辆设备、地面设备，所述车辆设备包括数据源、高速缓冲装置、车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端，所述高速缓冲装置通过以太网分别与车载无刷直流伺服云台、车载FSO终端和数据源相连；

所述地面设备包括数据存储NAS、服务器平台、地面无刷直流伺服云台、地面FSO终端，所述服务器平台通过以太网分别与地面无刷直流伺服云台、数据存储NAS连接、地面FSO终端连接；所述服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***；

所述高速缓冲装置从数据源下载数据，将下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；

所述服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向；

所述服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息后，服务器平台发出指令给地面无刷直流伺服云台，对地面FSO终端的指向进行微调；

所述车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦，之后高速缓冲装置发送注册信息给服务器平台进行注册，注册通过后高速缓冲装置开始将数据传输给服务器平台。

2.根据权利要求1所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述高速缓冲装置是从数据源下载数据，将所述下载数据存储到高速缓冲装置的硬盘中；具体是指下载的数据存储到高速缓冲装置的硬盘中进行缓冲，数据源由列车上安装的不同类型的车载设备生成运行数据，数据源包括：6A视频数据、6A行车安全数据、3C数据、综合检测数据；

所述下载的方式包括ftp文件传输协议客户端程序、sftp安全文件传输协议客户端程序、scp安全远程文件拷贝、rsync远程同步下载方式。

3.根据权利要求1所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向，并把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台；具体是指在高速缓冲装置探测到车辆停靠车站的位置距离地面FSO终端预设的距离阈值范围内时，把车载FSO终端的位置信息通过无线通信网络发送给服务器平台，同时高速缓冲装置发出指令给车载FSO终端启动供电；

所述车载FSO终端的位置信息是通过高速缓冲装置配置的北斗差分模块获取，或者通过无线信标方式获取；

所述高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向；具体是指高速缓冲装置根据配置的地面FSO终端位置信息计算车载FSO终端的偏移角度，通过车载无刷直流伺服云台调整车载FSO终端的指向方向；

所述车载FSO终端相对于地面FSO终端的偏移角度，计算所述车载FSO终端的偏移角度，通过计算方位角的方法得到所述车载FSO终端偏移角度，所述车载FSO终端的偏移角度为：

a = arctan(|dy/dx|)；

其中，坐标增量dx= x`- x，坐标增量dy = y`- y ，坐标增量是车载FSO终端设备坐标A(x,y)和地面FSO终端设备坐标B_1（x`, y`）两点坐标分量相减。

4.根据权利要求1所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述服务器平台收到车载FSO终端的位置信息后，通过地面无刷直流伺服云台调整地面FSO终端的指向方向；具体是指服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算所述地面FSO终端的偏移角度，服务器平台通过指令给地面FSO终端启动供电，并将地面FSO终端的偏移角度发给地面无刷直流伺服云台，地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；

所述服务器平台收到车载FSO终端位置信息后计算地面FSO终端的偏移角度，采用计算方位角方法得到地面FSO终端的偏移角度，地面FSO终端的偏移角度是地面FSO终端相对车载FSO终端的偏移角度；

定义地面FSO终端设备坐标为A(x,y)和车载FSO终端设备坐标B_1（x`, y`），计算两点坐标分量相减，得到坐标增量dx = x`- x，dy = y`- y ；

若坐标增量dx,坐标增量dy都不为零；则计算象限角 a = arctan(|dy/dx|)，单位为度；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy>0时，方位角=a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy>0时，方位角=180°-a；

当坐标增量dx<0，坐标增量dy<0时，方位角=180°+a；

当坐标增量dx>0，坐标增量dy<0时，方位角=360°-a；

所述地面无刷直流伺服云台通过CAN总线接收服务器平台发送的地面FSO终端的偏移角度信息，调整地面FSO终端的指向方向；具体是指地面无刷直流伺服云台通过自配置的伺服电机根据所述地面FSO终端的偏移角度调整地面FSO终端的指向方向；当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调。

5.根据权利要求4所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述当地面FSO终端还存在偏移角a≤1°时，则进一步微调；具体是指服务器平台通过CAN总线获取地面无刷直流伺服云台的位置信息，再次通过CAN总线发送指令地面无刷直流伺服云台对地面FSO终端指向进行微调；所述微调是通过服务器平台和地面无刷直流伺服云台通过CAN总线连接构成闭环控制***，通过服务器平台和地面无刷伺服云台的反复获取位置信息，并反复调整偏移角度，最终偏移角度a＜0.01°时，地面FSO终端相对车载FSO终端的指向方向微调结束，车载FSO终端和地面FSO终端通过各自自带的激光轴完成跟踪与对焦；其中，地面无刷直流伺服云台微调的位置信息包括位置精度和调整角度精度。

6.根据权利要求5所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述车载FSO终端和地面FSO终端通过各自自带的激光轴完成跟踪与对焦，还包括高速缓冲装置通过以太网发送自动跟踪启动指令给车载FSO终端，同时所述服务器平台通过以太网发送自动跟踪启动指令给地面FSO终端，车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点，并调整车载FSO终端的激光轴和地面FSO终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦过程；

所述车载FSO终端和地面FSO地面终端通过计算最大光输入点，并调整所述车载FSO终端的激光轴和所述地面FSO地面终端的激光轴的偏移角，自动完成跟踪与对焦；具体是指车载FSO终端接收到地面FSO终端的激光信号，同时，地面FSO终端接收到车载FSO终端的激光信号，车载FSO终端和地面FSO终端计算各自获得接收光功率，车载FSO终端和地面FSO终端根据误码率的大小、接收到对端的光功率后，计算车载FSO终端和地面FSO终端各自得到的最大光输入点，当车载FSO终端和地面FSO终端获得最大光输入点时，所述车载FSO终端和所述地面FSO终端自动完成跟踪与对焦；

其中，所述最大光输入点是指误码率小于1E-12时，得到最大光输入点；所述误码率=传输中的误码数/所传输的总码数*100%；

车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台注册通过后，开始将数据传输给服务器平台。

7.根据权利要求6所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台注册通过后，开始将数据传输给服务器平台；具体是指车载FSO终端和地面FSO终端自动完成跟踪与对焦之后，高速缓冲装置向服务器平台申请注册时，将高速缓冲装置的运行状态信息上报服务器平台；注册通过后高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始将数据传输给服务器平台；高速缓冲装置的运行状态信息包括车载设备上电时间、下电时间、磁盘占用率。

8.根据权利要求7所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述注册通过后高速缓冲装置启动lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序开始将数据传输给服务器平台，还包括高速缓冲装置如果有第n-1个数据未传输完成，进行断点继续传输，直到数据传输给服务器平台完成，高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台。

9.根据权利要求8所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述高速缓冲装置开始第n个数据传输给服务器平台，是指服务器平台收到所述第n个数据后，直接存入数据存储NAS中，根据接收高速缓冲装置上报数据传输进度信息，判断是否有待传输的数据文件；所述数据传输进度信息包括第n个数据传输的文件大小、剩余待传文件数量和大小；

数据传输完成后高速缓冲装置通过指令关闭车载设备的供电，车载FSO终端关闭；服务器平台通过指令关闭地面设备的供电，地面FSO终端关闭；所述 lftp文件客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序断开连接。

10.根据权利要求9所述的一种使用无线光通信进行车地数据转储的***，其特征在于，所述高速缓冲装置包括数据存储缓冲模块、数据处理模块、北斗差分定位模块、接口模块；

所述数据存储缓冲模块，用于存储缓冲数据的读速大于1500MB/s的数据；

所述数据处理模块，用于基于计算能力的边缘计算机对数据进行计算处理；

所述北斗差分定位模块，用于获取车载FSO终端的精准位置信息；

所述接口模块，用于高速缓冲装置的输出端口至少一个以上的万兆网口和n个千兆网口，将采集到的车载设备运行数据通过lftp客户端程序或ftp文件传输协议客户端程序转储到服务器平台。

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