周宇晖

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

川藏铁路东起四川省成都市，向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南，终到西藏自治区首府拉萨。全线运营长度1 567 km，其中成都至雅安段（成雅段）已于2018 年12 月28 日开通运营，拉萨至林芝段（拉林段）已于2014 年12 月开工建设，预计2021 年建成通车；雅安至林芝为新建段，正线全长1 008.45 km，桥隧比95.8%。

川藏铁路沿线地质构造复杂，横贯冈底斯山与念青唐古拉山、喜马拉雅山等多处山脉，地质构造发育、岩性多变、地形复杂、坡陡谷深、气候平面分区及垂直分带明显，因此沿线各处水文地质条件差异较大。雷电、暴雨、雨雪冰冻、大风等极端气候导致崩塌落石、滑坡、泥石流、河谷风沙等不良地质频发。强降雨引发的暴雨洪涝、中小河流洪水，会造成路基电力设施以及桥梁等基础设施的毁坏，以及轨道淹没、涵洞淹没等问题；严重情况下还会引发滑坡、泥石流、崩塌等次生灾害，埋没轨道，造成列车运行中断、颠覆等事故。因此，加强川藏铁路沿线的自然灾害监测系统建设，提高信息实时传输与敏捷处理能力，“由防转预”，对保障铁路运营安全有着极重要的意义。

2 川藏铁路自然灾害监测系统需求分析

2.1 铁路灾害监测系统现状

国内高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统（以下简称灾害监测系统）自2008 年在京津城际铁路首次采用以来，目前已在全国范围的高速铁路及城际铁路开通运行。已开通运行的灾害监测系统均是按线建设，系统由现场监测设备、监控单元、监控数据处理设备、监控终端及传输网络构成。

目前铁路行业内，灾害监测系统主要实现对铁路沿线风、雨、雪、地震及异物侵限的实时监测，针对川藏铁路特殊地形地貌和地质条件，如崩塌落石、滑坡、泥石流、隧道位移等特殊自然灾害，存在灾害突发性强、影响范围大、轨旁监测点布设条件复杂等特点，传统灾害监测系统仍存在着一定的不适用性。

同时，传统方案中灾害监测点信息回传通常采用光电缆和铁路有线传输网络的方案，此种方式占用线缆资源、依赖线路敷设条件和轨旁通信设备房屋，工程成本较高，且不适用于川藏线复杂的线路地质特征。因此，很有必要利用移动物联网技术重新构建川藏铁路的灾害监测系统。

2.2 灾害监测感知技术需求

2.2.1 气候灾害监测感知需求

川藏铁路沿线的气候灾害监测感知需求包括：监测点风速、风向实时监测；易发生滑坡、泥石流、危岩、落石、崩塌等重点区段及高路基、深路堑地段的雨量监测；在最大积雪深度超过设定阈值区域进行雪深监测。

2.2.2 地质灾害监测感知需求

川藏铁路沿线地质灾害监测感知需求包括：沿线路每隔一定范围进行地质灾害监测，如地震、滑坡、泥石流、崩塌、地裂缝、冰川、活动断层、区域地面沉降和区域地表塌陷等；运营期隧道进出口高陡边坡、山体稳定性等监测。

2.2.3 基础设施灾害监测感知需求

基础设施灾害监测感知需求包括：隧道围岩变形、竖向位移、底板沉降监测，同时隧道变形监测的各种传感器应布设在不良地质构造、断层、衬砌结构裂缝较多和其他变形敏感的部位；桥梁变形监测的内容应根据桥梁结构类型确定，特大型桥梁应建立实时监测系统，系统应包含定位、位移传感、内部温度和外部温度传感、风力风向传感等功能，并能够将特大型桥梁主要结构物的形变监测数据实时或定时发送；冻胀路基地段应进行垂直位移监测。

3 物联网技术分析

3.1 物联网概述

物联网（Internet of Things）的概念最早是由麻省理工学院的Auto-ID 中心在1999 年提出的，其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这其中有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是电信网和互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了物品与物品之间，进行信息交换和通讯。

因此，物联网是把传感器与传感器网络技术、通信网与互联网技术、智能运算技术等融为一体，实现全面感知、可靠传送、智能处理为特征的，连接物理世界的网络。通过物联网，可以帮助人类社会与物理世界的有机结合，使人类可以以更加精细和动态的方式认知世界，并进行管理与控制，从而提高整个社会的信息化水平。

目前通常所说的物联网一般指无线物联网技术，在世界范围内主要有蜂窝（NB-IoT，eMTC，LTE-V，GSM 等）和非蜂窝（LoRa）两大技术阵营。蜂窝技术的主要优势是频率复用和时空复用，使无线资源的利用率得以大大提高；而非蜂窝技术依托于其本身部署于免授权频谱，使得系统建设不受限于国家无线电频率监管，变得更加灵活，但同时由于是免授权频谱，也使得干扰难以协调、缺乏统一管理，服务质量难以得到保证。同时，蓝牙、ZigBee、卫星通信、光电缆等技术均可归集为广义的物联网技术。

因此，频率资源和应用场景匹配是物联网技术应用的关键。

3.2 铁路专用移动通信系统频率

无线电频谱是一个有限、不可再生的自然资源，也是国家宝贵的战略资源，因此各国对于无线电频谱都有专门的管理机构，出台专门的政策法规，实现无线电频谱的统一规划管理。目前各国的频谱管理大多数采用固定频谱分配策略，即频谱资源由政府主管部门管理并分配给固定的授权用户，这样能够确保各用户之间避免过多相互干扰，更好利用频谱资源。目前频谱资源可分为两类：授权频谱（Licensed Spectrum）和非授权频谱（Unlicensed Spectrum）。

1）授权频谱

授权频谱受到严格的限制和保护，只允许授权用户及其符合规范的设备接入，而且用户要为此进行付费。目前，公安、铁路、民航、广电、电信等重要的部门均拥有一定的授权频谱，其具有安全性好、干扰小、受法律保护等特点。

2）非授权频谱

非授权频谱是满足一定规范和标准的设备都可以接入和使用的频谱，但必须保证不对其他用户造成干扰。比较典型的有Wi-Fi、蓝牙等技术。但非授权频谱不受监管机构保护，产生干扰后需企业间相互协调，难度较大。

由于灾害监测信息属于相对敏感信息，对铁路行车运行安全产生直接影响，因此，与其相关的物联网应用建议选用铁路专用频谱资源。

国内铁路是最早使用无线电技术实现列车调度指挥、安全控制、信息传送的行业，特别是高速铁路的调度指挥、列车运行自动控制、车地间各类安全检测信息的传送和交互，必须依靠无线电通信技术。自二十世纪五十年代至今，国内铁路部门部署了多种铁路移动通信系统，包括GSM-R 系统、列车无线调度通信系统、站场调车和养护维修通信系统、车号自动识别系统、列车安全防护报警系统、站场宽带无线接入系统和高速铁路列车运行控制应答器系统。

目前，铁路专用移动通信系统频率可被授权在全国范围内进行广域覆盖的有GSM-R 系统所使 用 的885 ～889/930 ～934 MHz 频 率（带 宽2×4 MHz，信道间隔200 kHz）以及列尾、站场调车和养护维修通信所用的400 MHz 频率（窄带，24 个频点，信道间隔25 kHz）。

3.3 应用场景分析

川藏铁路桥隧比95.8%，其中新建隧道851.48 km（72 座），占线路长度84.43%。因此，选择北斗等卫星通信技术，在隧道内需要增设地面增强站和无线直放站进行覆盖，从工程经济性角度并不适用。且从运营维护角度，全线应选择统一的物联网回传技术。

3.4 移动物联网接入技术

3.4.1 mMTC

海量机器类通信又称为大规模物联网（massive Machine Type of Communication，mMTC），是3GPP 定义的5G 应用场景之一，主要为解决物与物的大规模通信需求，应用于智慧城市、智能家居、可穿戴设备等以传感和数据采集为目标的场景。但根据3GPP 标准化进程，mMTC 标准尚未冻结，预计将于2022 年的Rel 17 版本推出。

3.4.2 LTE-V（LTE-Vehicle）

LTE-V 以LTE 蜂窝网络作为V2X（Vehicleto-Everything）的基础。LTE-V 能重复使用现有的蜂窝基站基础建设与频谱。LTE-V 包括集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）两种技术。其中LTE-V-Cell 以基站为分布中心，车和车之间通过基站交互信息；LTE-V-Direct 则是车车之间的直接通信。

3.4.3 eMTC

eMTC 是LTE-M2M（LTE-Machine-to-Machine）在3GPP Rel13 规范中的叫法，是基于LTE 演进的物联网技术。eMTC 在现有LTE 技术基础上，使用1.4 MHz 频宽承载业务，满足物联网设备需求，支持低速移动和小区切换。

3.4.4 NB-IoT

NB-IoT 是在基于FDD LTE 技术上改造而来的，物理层设计大部分沿用LTE 系统技术，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高层协议设计沿用LTE 协议，针对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。NB-IoT 来源自NB-CIoT 和NB-LTE，在3GPP Rel13 规范中标准化，是一种更适用于静止或准静止条件下低速率数据传输的物联网技术。

3.4.5 Weightless-P

Weightless-P 技术是针对物联网应用中低功耗、低成本和复杂多变的通信场景而专门设计的无线通信技术，主要工作在1 GHz 以下频段内。物理层采用GMSK 和OQPSK 常用调制技术，能够在人口密集的城市环境提供2 km 的覆盖范围。

3.4.6 LoRa

LoRa 是LPWAN 通信技术的一种，是美国Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz 等，是一种更适用于静止或准静止条件下低速率数据传输的物联网技术，特别适用于频谱申请困难的场景。

3.4.7 多种物联网技术特性对比

从部署方式、占用带宽、数据速率、空口技术等多个维度对上述移动物联网技术进行对比，具体如表1 所示。

表1 物联网技术特性对比表Tab 1 Comparison of technological characteristics for internet of things

3.5 物联网技术方案建议

目前铁路可用于广域覆盖的专用移动通信系统频率主要为900 MHz 的2×4 MHz 带宽（频宽200 kHz）和400 MHz 的24 个 频 点（频 宽25 kHz）。结合专用频率，可用的物联网技术有NB-IoT、Weightless-P。

1）NB-IoT

可使用GSM-R 标准频率中的一对频点（200 kHz）进行NB-IoT 系统部署，900 MHz 为NB-IoT 标准频率配置，全球产业链丰富，具体使用方案如图1 所示。

图1 NB-IoT铁路频率使用规划图Fig.1 Comparation list of IoT technology characteristics

工程部署时，核心网可设置在目前GSM-R MSC 所在地，由于频率特性相同，NB-IoT 的基站可与GSM-R 基站同址部署，既能解决网内干扰问题，也能节省站址用地、外电引入、铁塔架设等基础设施投资。但NB-IoT 占用了GSM-R 系统的一对频点，因此需考虑与GSM-R 系统间的频率规划和干扰协调问题。

2）Weightless-P

可使用400 MHz 数字对讲频率中的一对频点（25 kHz）进行系统部署，核心网可设置在目前GSM-R MSC 所在地。由于400 MHz 频率较低，根据路径损耗计算，覆盖范围至少是GSM-R系统的一倍，因此Weightless-P 的基站可采取与GSM-R 基站隔站部署的方案，节省站址用地、外电引入、铁塔架设等基础设施投资。但Weightless-P系统的数据速率较低（200 bit/s），仅能适用于部分模拟开关量的监测数据信息回传。

4 基于移动物联网的灾害监测系统方案建议

川藏铁路灾害监测系统采用“一中心，一张网，泛连接”的整体系统框架，打破传统风、雨、雪等灾害监测子系统的概念，构建底层感知与上层应用解耦的全系统架构。

“一中心”是指在路局所在地建设统一的云平台和数据服务中心，维护管理人员配备瘦终端和云桌面。但如地震监测等与列车控制联动的重要应用系统，可在车站级部署物理服务器，作为车站降级处理使用。其他子系统均采用中心化方案。

“一张网”是指移动物联网。

“泛连接”是指由移动物联网连接的在轨旁部署的感知设施。

系统架构如图2 所示。

通过中心云计算+大数据技术，能够实现对各种监测传感器提供的信息进行综合处理和数据分析，具有空间定位、定性和定量分析的功能；可实时动态地获取信息、处理信息，为减灾救灾提供可靠、高效的服务。

图2 川藏铁路灾害监测及物联网系统架构示意图Fig.2 Schematic diagram of Sichuan-Tibet railway disaster monitoring and IoT system architecture

同时，利用川藏铁路沿线泛在部署的各类传感器的监测数据和报警信息，通过分析某一时间周期内，灾害报警次数、影响时长等参数对灾害报警进行规律挖掘，建立灾害分析的大数据模型，预测灾害发生的时间、地点、规模等信息。主要分析大风、暴雨、暴雪、地质灾害、基础设施健康等的时空分布规律，对未来一定时期内灾害发生概率及发展变化趋势进行预测和评估。

5 结束语

随着信息通信技术的飞速发展，“云大物移智”已经深入到生产生活的方方面面。川藏铁路作为当前国家重点工程，在引导产业布局、整合旅游资源、拉动西部地区经济社会发展方面都有着举足轻重的作用。因此，在川藏铁路示范建设具有创新性的灾害监测系统，既可以解决工程建设与运营维护的实际需求，也可以继续推进“智能铁路”的发展，有着重大而深远的意义。