铁路专用线融合通信系统应用研究

2022-12-01张宇，王莉

通信电源技术 2022年5期

张宇，王莉

（广东省铁路规划设计研究院有限公司，广东广州 510030）

0 引言

随着5G技术的推广与普及，5G逐步在铁路运输领域开展应用，潜移默化地影响着铁路运输的生产作业、运转乘降、安全管理等多个方面。5G与大数据、云计算、物联网以及人工智能等密不可分，利用5G的大带宽、低时延、广连接等特点可以实现对铁路专用线接入的各类通信资源的整合，通过融合通信系统实现无缝衔接和信息交互共享。此外，还能提供基于流程的联动调度操作、场景化应用、一键处置以及多业务联动，为行车调度、生产调度、应急救援等多部门协同工作提供高效指挥工具，共同为业务部门服务。

1 铁路调度通信系统国内外研究现状

铁路调度通信系统分为有线调度通信系统与无线调度通信系统，当前铁路有线调度通信以固定用户接入交换机（Frxed user Access Switching，FAS）数字调度通信产品为主。为了满足铁路综合数字移动通信系统（Global System for Mobile communications-Railway，GSM-R）无线通信系统下的各种调度业务与功能的需求，国内研发并应用了数字调度通信FAS系统[1]。数字调度通信FAS系统是原有数调系统产品的升级换代，为GSM-R系统中的固定用户提供接入条件。局端FAS调度系统能够实现全数字无阻塞电路交换，同时兼容原有的数字共线、点对点、点对多点以及固定接续业务等。采用触摸式调度台，增加了功能号码显示、呼叫列车功能号码的功能，支持对固定用户或移动用户的单呼、全呼、会议以及广播等。通过研究智能富媒体调度系统，建立集语音、图像、数据等富媒体信息为一体的新型调度通信方式，赋能城轨智能调度。

国际铁路联盟明确了有线、无线调度通信系统的属性和性能要求，以欧盟体系标准为主的铁路建设实现了技术上的稳步提升，但是该阶段的调度通信技术仍以窄带语音通信为主。2017年，德国铁路DB网络公司提出以IP多媒体系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）为主要技术对有线调度通信和GSM-R无线调度通信设备进行迭代更新，利用新的调度系统实现富媒体调度通信，实现调度员与车站值班员的可视通信[2,3]。

2 铁路调度通信系统概述

铁路调度通信系统根据时间的推移可分为5种，具体如下。一是模拟调度系统，采用模拟通信技术，主要提供语音业务；二是数字调度通信、模拟无线通信系统，采用数字有线、模拟无线通信技术，支持语音、调度等业务的传送；三是窄带移动通信系统，采用窄带数字移动通信技术，以语音业务为主，能够实现调度命令、列控数据业务的传送功能；四是智能调度通信系统，利用IMS-R作为控制核心，采用宽带移动通信、IPv6以及云计算等技术，能够实现固定及移动结合、公网及专网结合、定位及业务融合等功能，具备在大数据背景下的语音、视频分析能力；五是智慧调度系统，充分应用人工智能、物联网、云计算以及大数据等先进技术，能够对信息进行感知分析并对智能业务进行控制，最终达到智慧决策和执行的目的[2,4]。

铁路综合调度系统总体架构可分为业务应用、基础平台以及智能终端3部分。其中，业务部分可分为行车调度、视频监控、电话交换、应急通信、隧道电话以及视频会议等。基础平台包括核心处理单元与基本单元两部分，核心处理单元主要实现语音呼叫、视频呼叫、视频监控、集群对讲、即时消息、视频会议、显示控制、语音识别、图像识别、位置定位、状态呈现、视频分析以及设备管理等，基本单元主要实现呼叫控制、媒体处理、业务处理、录音录像以及维护管理等。智能终端分为硬件终端和软件系统，其中硬件终端包括手持台、车载台、会议终端、应急单兵以及摄像机等，软件系统包括Windows、Linux等。铁路综合调度系统利用各类智能终端进行数据采集，通过基础平台的运算处理实现多种业务的功能呈现和铁路的通信调度。

3 铁路专用线发展现状

铁路专用线作为铁路运输网的组成部分，承担了大量物资的输送与转运，在集中接驳、提高铁路运输效率等方面起到了关键作用。国内专用线建设紧密结合经济发展需要和市场需求，相关政府部门和铁路企业牵头建立对接工作机制，根据运量、基础环境等对接大型企业和新建物流园区的铁路专用线建设需求。在区域空间方面，围绕沿海开放型经济和长江经济带等区域发展战略，加强沿海和主要港口的铁路专用线建设。在具体运营服务方面，铁路企业加强主动服务理念，结合专用线需求特点对运输组织及服务流程进行改进，制定针对性的运输计划和全程物流方案，降低运营支出，提高服务效率和质量。

4 铁路专用线通信系统应用需求

铁路专用线通信系统主要提供运营指挥的语音、数据及图像业务，包括传输及接入网、数据通信、GSM-R移动通信、电话交换、数字调度通信、视频监控、专用应急通信、电源及环境监控、同步及时钟分配以及通信线路等子系统。各系统相互独立，存在信息孤岛，无法通过一个融合平台实现多业务调度。根据“稳增长”的形势趋向，全国地方铁路建设开始密集开工，大部分铁路专用线为地方铁路建设，地方政府、企业成为主力军，管理模式趋向于建设、运营、管理一体化，这对于铁路专用线的通信系统融合有了新的需求。通过建立独立的指挥调度中心，实现铁路专用线的自管自营，同时能够合理控制建设成本和运营投入，利用新技术、新标准实现业务创新应用，提升运营效率。

铁路专用线现有调度通信只能实现简单的语音调度，在实际运行中指挥调度技术落后，且通信各子系统相互独立，极大地制约着综合指挥调度的效率。总的来说，综合指挥调度系统存在以下问题。

（1）通信技术滞后，通信质量不高。当前通信业务系统各技术制式并存，既有基本时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）技术的音频通信，也有模拟对讲系统，通信效果不一，无法达到高保真音质、流畅高清视频的通信质量，通信信息的有效性得不到保证。

（2）业务系统相互独立，无法融合，信息难以共享、交互，关键事件处置时效差。国内通信信息化建设如火如荼，通信业务部门都在着手建设语音调度系统、语音/视频会议系统、视频监控系统、地理信息系统以及应急通信系统等，但是各系统存在信息孤岛，无法高效互联，使得工作效率难以提升。将通信技术和信息技术无缝融合，解决行车调度、办公电话、应急通信、视频监控以及无线通信等通信系统独立建设、信息交互难、指挥调度效率低、操作不便等问题已迫在眉睫。

（3）指挥调度功能简单，不能满足现阶段的需求。现阶段指挥调度通信功能复杂程度低，实现的功能包括拨号呼叫、对讲呼叫、强插以及强拆等，无法满足当今时代对指挥调度通信的要求，如视频联动调度、3D实景调度、短信调度以及应急业务系统联动调度等。

运用云计算、大数据、物联网、4G/5G移动通信以及人工智能等先进技术赋予富媒体通信系统更多的智能化业务扩展应用。例如，利用云计算、大数据和人工智能等技术，借助前端采集设备监测调度中心调度员、车站值班人员、作业人员的岗位状态，对离岗/盹睡、玩手机、不合规跨铁路线、区域非法入侵及越界、超范围作业、违章上道以及路外施工等危害铁路线路的不安全状况进行智能识别和实时告警，将多场景安全监控策略有机融合视频数据形成一个充分共享数据价值的智能分析系统，实现运输安全的规范化、流程化、精细化以及智能化管理。

5 融合通信系统关键技术及研究方法

5.1 融合通信系统关键技术

将富媒体通信系统进行整合，能够实现对多种通信能力和视频监控的进一步融合。通过一套融合通信系统即可简单、高效地完成复杂的指挥调度工作，既减少了人力成本，又提高了工作效率。融合通信平台采用IMS架构，核心网具有业务无关性，具有极强的业务扩展和升级能力，在保护原有投资的前提下用最小的代价扩展新的业务。融合通信平台支持软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）/应用程序接口（Application Programming Interface，API），可为地理信息系统（Geographic Information System，GIS）平台和其他业务系统提供通信能力，节省GIS平台和其他业务系统独立建设通信业务的投资，并且集成部署易于整体的维护管理。

可伸缩视频编码技术能够通过一次编码实现若干帧率、分辨率以及质量的视频组合，通过抽取任意组合的码流进行解码进而实现播放或传输。在发送的视频流信息中，按照某种规则加上一定的冗余位构成冗余码字，在接收端接收到码字后通过解码可以自动纠正传输误码，减少了重传请求及等待延迟的问题。对网络带宽进行主动探测，采用Probing及Pacing技术周期性地对实时网络带宽进行探测，并将探测结果通过接收端带宽评估及反馈机制反馈给发送端，自适应调整码率适应网络带宽。视频在网络丢包率20%的情况下，采用SVC+前向纠错+丢包重传算法等技术手段，实现视频不卡顿、不花屏；音频在网络丢包率50%的情况下，自动降低编码率，实现正常的通话。

5.2 融合通信系统研究方法

融合通信系统以软件开发为主，软件开发实施拟采用敏捷开发方式。在专用线铁路通信总体规划指导下开展该项目的设计；按照《专用线铁路通信总体架构》等相关标准及要求，进行多媒体通话通信系统的建设；以深度开发利用企业通信资源为目标，融合专用线铁路其他通信系统，及时满足融合通信的需求；进行统一标准、统一规划的融合通信平台建设，可以规范统一的业务流程、技术规程和管理手段，保障安全，也将提高系统的稳定性及可持续性。

6 铁路专用线融合通信系统

利用富媒体融合通信应用、IMS架构及超高清音视频网络适应性技术，充分结合5G技术对既有铁路专用线通信系统进行改进，形成铁路专用线融合通信系统。铁路专用线融合通信系统能够实现铁路专用线行车调度、办公电话、应急通信以及视频监控等系统合一，减少新建线专用系统建设成本和后续系统的维护成本。融合通信系统采用基于IMS的可扩展系统架构，依照3GPP标准统筹设计与开发，综合了通信技术和IT的优点，实现业务与承载的分离，融合视频、语音、数据等业务，承载调度、应急、办公等IP宽带业务。融合通信系统拥有电信级网络服务能力、快速高效的部署方式、成熟完善的安全机制、多业务统一融合以及灵活定制的应用扩展能力，通过高保真音质、高清化视频、全程可视化操控，依托北斗高精度定位技术、GIS技术以及人工智能技术，带来了全新的应用场景，赋能行业应用，开启一个全新的智能化调度通信时代。

智能调度指挥发展目标是整合、交换和共享业务系统间的信息资源，实现动态调度、智能协同、快速应急处置，使路网整体行车调度效率达到最优。调度指挥相关业务的IP化有助于实现业务融合、信息共享、数据分析以及辅助调度，分组化建设趋势促使铁路传统的调度通信、会议电视、视频监控必然向IP化发展。

铁路专用线融合通信系统通过通信资源的整合实现铁路专用线行车调度、办公电话、应急通信、视频监控、无线通信以及运营维护等相关分立通信系统的接入，统一接口标准，纳入统一平台，降低建设成本与运营维护成本。铁路专用线融合通信系统对接入及新建的各通信资源整合，提供基于流程的联动调度操作，为构建铁路专用线运输安全保障体系奠定坚实的基础。通过将先进的信息化技术手段与铁路运输日常管理相结合，能有效提升铁路日常管理的科学性和精细化水平。