鐵路專用線融合通信系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 宇，王 莉

（廣東省鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510030）

0 引 言

隨著5G技術(shù)的推廣與普及，5G逐步在鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域開展應(yīng)用，潛移默化地影響著鐵路運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)作業(yè)、運(yùn)轉(zhuǎn)乘降、安全管理等多個(gè)方面。5G與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等密不可分，利用5G的大帶寬、低時(shí)延、廣連接等特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對鐵路專用線接入的各類通信資源的整合，通過融合通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫銜接和信息交互共享。此外，還能提供基于流程的聯(lián)動(dòng)調(diào)度操作、場景化應(yīng)用、一鍵處置以及多業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，為行車調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急救援等多部門協(xié)同工作提供高效指揮工具，共同為業(yè)務(wù)部門服務(wù)。

1 鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)分為有線調(diào)度通信系統(tǒng)與無線調(diào)度通信系統(tǒng)，當(dāng)前鐵路有線調(diào)度通信以固定用戶接入交換機(jī)（Frxed user Access Switching，F(xiàn)AS）數(shù)字調(diào)度通信產(chǎn)品為主。為了滿足鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications-Railway，GSM-R）無線通信系統(tǒng)下的各種調(diào)度業(yè)務(wù)與功能的需求，國內(nèi)研發(fā)并應(yīng)用了數(shù)字調(diào)度通信FAS系統(tǒng)[1]。數(shù)字調(diào)度通信FAS系統(tǒng)是原有數(shù)調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)品的升級換代，為GSM-R系統(tǒng)中的固定用戶提供接入條件。局端FAS調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字無阻塞電路交換，同時(shí)兼容原有的數(shù)字共線、點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)以及固定接續(xù)業(yè)務(wù)等。采用觸摸式調(diào)度臺(tái)，增加了功能號碼顯示、呼叫列車功能號碼的功能，支持對固定用戶或移動(dòng)用戶的單呼、全呼、會(huì)議以及廣播等。通過研究智能富媒體調(diào)度系統(tǒng)，建立集語音、圖像、數(shù)據(jù)等富媒體信息為一體的新型調(diào)度通信方式，賦能城軌智能調(diào)度。

國際鐵路聯(lián)盟明確了有線、無線調(diào)度通信系統(tǒng)的屬性和性能要求，以歐盟體系標(biāo)準(zhǔn)為主的鐵路建設(shè)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的穩(wěn)步提升，但是該階段的調(diào)度通信技術(shù)仍以窄帶語音通信為主。2017年，德國鐵路DB網(wǎng)絡(luò)公司提出以IP多媒體系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）為主要技術(shù)對有線調(diào)度通信和GSM-R無線調(diào)度通信設(shè)備進(jìn)行迭代更新，利用新的調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)富媒體調(diào)度通信，實(shí)現(xiàn)調(diào)度員與車站值班員的可視通信[2,3]。

2 鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)概述

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間的推移可分為5種，具體如下。一是模擬調(diào)度系統(tǒng)，采用模擬通信技術(shù)，主要提供語音業(yè)務(wù)；二是數(shù)字調(diào)度通信、模擬無線通信系統(tǒng)，采用數(shù)字有線、模擬無線通信技術(shù)，支持語音、調(diào)度等業(yè)務(wù)的傳送；三是窄帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，采用窄帶數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)，以語音業(yè)務(wù)為主，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度命令、列控?cái)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳送功能；四是智能調(diào)度通信系統(tǒng)，利用IMS-R作為控制核心，采用寬帶移動(dòng)通信、IPv6以及云計(jì)算等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)固定及移動(dòng)結(jié)合、公網(wǎng)及專網(wǎng)結(jié)合、定位及業(yè)務(wù)融合等功能，具備在大數(shù)據(jù)背景下的語音、視頻分析能力；五是智慧調(diào)度系統(tǒng)，充分應(yīng)用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行感知分析并對智能業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，最終達(dá)到智慧決策和執(zhí)行的目的[2,4]。

鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為業(yè)務(wù)應(yīng)用、基礎(chǔ)平臺(tái)以及智能終端3部分。其中，業(yè)務(wù)部分可分為行車調(diào)度、視頻監(jiān)控、電話交換、應(yīng)急通信、隧道電話以及視頻會(huì)議等。基礎(chǔ)平臺(tái)包括核心處理單元與基本單元兩部分，核心處理單元主要實(shí)現(xiàn)語音呼叫、視頻呼叫、視頻監(jiān)控、集群對講、即時(shí)消息、視頻會(huì)議、顯示控制、語音識(shí)別、圖像識(shí)別、位置定位、狀態(tài)呈現(xiàn)、視頻分析以及設(shè)備管理等，基本單元主要實(shí)現(xiàn)呼叫控制、媒體處理、業(yè)務(wù)處理、錄音錄像以及維護(hù)管理等。智能終端分為硬件終端和軟件系統(tǒng)，其中硬件終端包括手持臺(tái)、車載臺(tái)、會(huì)議終端、應(yīng)急單兵以及攝像機(jī)等，軟件系統(tǒng)包括Windows、Linux等。鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)利用各類智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過基礎(chǔ)平臺(tái)的運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)的功能呈現(xiàn)和鐵路的通信調(diào)度。

3 鐵路專用線發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路專用線作為鐵路運(yùn)輸網(wǎng)的組成部分，承擔(dān)了大量物資的輸送與轉(zhuǎn)運(yùn)，在集中接駁、提高鐵路運(yùn)輸效率等方面起到了關(guān)鍵作用。國內(nèi)專用線建設(shè)緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要和市場需求，相關(guān)政府部門和鐵路企業(yè)牽頭建立對接工作機(jī)制，根據(jù)運(yùn)量、基礎(chǔ)環(huán)境等對接大型企業(yè)和新建物流園區(qū)的鐵路專用線建設(shè)需求。在區(qū)域空間方面，圍繞沿海開放型經(jīng)濟(jì)和長江經(jīng)濟(jì)帶等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)沿海和主要港口的鐵路專用線建設(shè)。在具體運(yùn)營服務(wù)方面，鐵路企業(yè)加強(qiáng)主動(dòng)服務(wù)理念，結(jié)合專用線需求特點(diǎn)對運(yùn)輸組織及服務(wù)流程進(jìn)行改進(jìn)，制定針對性的運(yùn)輸計(jì)劃和全程物流方案，降低運(yùn)營支出，提高服務(wù)效率和質(zhì)量。

4 鐵路專用線通信系統(tǒng)應(yīng)用需求

鐵路專用線通信系統(tǒng)主要提供運(yùn)營指揮的語音、數(shù)據(jù)及圖像業(yè)務(wù)，包括傳輸及接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信、GSM-R移動(dòng)通信、電話交換、數(shù)字調(diào)度通信、視頻監(jiān)控、專用應(yīng)急通信、電源及環(huán)境監(jiān)控、同步及時(shí)鐘分配以及通信線路等子系統(tǒng)。各系統(tǒng)相互獨(dú)立，存在信息孤島，無法通過一個(gè)融合平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)調(diào)度。根據(jù)“穩(wěn)增長”的形勢趨向，全國地方鐵路建設(shè)開始密集開工，大部分鐵路專用線為地方鐵路建設(shè)，地方政府、企業(yè)成為主力軍，管理模式趨向于建設(shè)、運(yùn)營、管理一體化，這對于鐵路專用線的通信系統(tǒng)融合有了新的需求。通過建立獨(dú)立的指揮調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)鐵路專用線的自管自營，同時(shí)能夠合理控制建設(shè)成本和運(yùn)營投入，利用新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新應(yīng)用，提升運(yùn)營效率。

鐵路專用線現(xiàn)有調(diào)度通信只能實(shí)現(xiàn)簡單的語音調(diào)度，在實(shí)際運(yùn)行中指揮調(diào)度技術(shù)落后，且通信各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，極大地制約著綜合指揮調(diào)度的效率?？偟膩碚f，綜合指揮調(diào)度系統(tǒng)存在以下問題。

（1）通信技術(shù)滯后，通信質(zhì)量不高。當(dāng)前通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)各技術(shù)制式并存，既有基本時(shí)分復(fù)用（Time-Division Multiplexing，TDM）技術(shù)的音頻通信，也有模擬對講系統(tǒng)，通信效果不一，無法達(dá)到高保真音質(zhì)、流暢高清視頻的通信質(zhì)量，通信信息的有效性得不到保證。

（2）業(yè)務(wù)系統(tǒng)相互獨(dú)立，無法融合，信息難以共享、交互，關(guān)鍵事件處置時(shí)效差。國內(nèi)通信信息化建設(shè)如火如荼，通信業(yè)務(wù)部門都在著手建設(shè)語音調(diào)度系統(tǒng)、語音/視頻會(huì)議系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)以及應(yīng)急通信系統(tǒng)等，但是各系統(tǒng)存在信息孤島，無法高效互聯(lián)，使得工作效率難以提升。將通信技術(shù)和信息技術(shù)無縫融合，解決行車調(diào)度、辦公電話、應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控以及無線通信等通信系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè)、信息交互難、指揮調(diào)度效率低、操作不便等問題已迫在眉睫。

（3）指揮調(diào)度功能簡單，不能滿足現(xiàn)階段的需求。現(xiàn)階段指揮調(diào)度通信功能復(fù)雜程度低，實(shí)現(xiàn)的功能包括撥號呼叫、對講呼叫、強(qiáng)插以及強(qiáng)拆等，無法滿足當(dāng)今時(shí)代對指揮調(diào)度通信的要求，如視頻聯(lián)動(dòng)調(diào)度、3D實(shí)景調(diào)度、短信調(diào)度以及應(yīng)急業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)度等。

運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G移動(dòng)通信以及人工智能等先進(jìn)技術(shù)賦予富媒體通信系統(tǒng)更多的智能化業(yè)務(wù)擴(kuò)展應(yīng)用。例如，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，借助前端采集設(shè)備監(jiān)測調(diào)度中心調(diào)度員、車站值班人員、作業(yè)人員的崗位狀態(tài)，對離崗/盹睡、玩手機(jī)、不合規(guī)跨鐵路線、區(qū)域非法入侵及越界、超范圍作業(yè)、違章上道以及路外施工等危害鐵路線路的不安全狀況進(jìn)行智能識(shí)別和實(shí)時(shí)告警，將多場景安全監(jiān)控策略有機(jī)融合視頻數(shù)據(jù)形成一個(gè)充分共享數(shù)據(jù)價(jià)值的智能分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸安全的規(guī)范化、流程化、精細(xì)化以及智能化管理。

5 融合通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

5.1 融合通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

將富媒體通信系統(tǒng)進(jìn)行整合，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種通信能力和視頻監(jiān)控的進(jìn)一步融合。通過一套融合通信系統(tǒng)即可簡單、高效地完成復(fù)雜的指揮調(diào)度工作，既減少了人力成本，又提高了工作效率。融合通信平臺(tái)采用IMS架構(gòu)，核心網(wǎng)具有業(yè)務(wù)無關(guān)性，具有極強(qiáng)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展和升級能力，在保護(hù)原有投資的前提下用最小的代價(jià)擴(kuò)展新的業(yè)務(wù)。融合通信平臺(tái)支持軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）/應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API），可為地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺(tái)和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供通信能力，節(jié)省GIS平臺(tái)和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè)通信業(yè)務(wù)的投資，并且集成部署易于整體的維護(hù)管理。

可伸縮視頻編碼技術(shù)能夠通過一次編碼實(shí)現(xiàn)若干幀率、分辨率以及質(zhì)量的視頻組合，通過抽取任意組合的碼流進(jìn)行解碼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)播放或傳輸。在發(fā)送的視頻流信息中，按照某種規(guī)則加上一定的冗余位構(gòu)成冗余碼字，在接收端接收到碼字后通過解碼可以自動(dòng)糾正傳輸誤碼，減少了重傳請求及等待延遲的問題。對網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行主動(dòng)探測，采用Probing及Pacing技術(shù)周期性地對實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行探測，并將探測結(jié)果通過接收端帶寬評估及反饋機(jī)制反饋給發(fā)送端，自適應(yīng)調(diào)整碼率適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬。視頻在網(wǎng)絡(luò)丟包率20%的情況下，采用SVC+前向糾錯(cuò)+丟包重傳算法等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)視頻不卡頓、不花屏；音頻在網(wǎng)絡(luò)丟包率50%的情況下，自動(dòng)降低編碼率，實(shí)現(xiàn)正常的通話。

5.2 融合通信系統(tǒng)研究方法

融合通信系統(tǒng)以軟件開發(fā)為主，軟件開發(fā)實(shí)施擬采用敏捷開發(fā)方式。在專用線鐵路通信總體規(guī)劃指導(dǎo)下開展該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)；按照《專用線鐵路通信總體架構(gòu)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求，進(jìn)行多媒體通話通信系統(tǒng)的建設(shè)；以深度開發(fā)利用企業(yè)通信資源為目標(biāo)，融合專用線鐵路其他通信系統(tǒng)，及時(shí)滿足融合通信的需求；進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)劃的融合通信平臺(tái)建設(shè)，可以規(guī)范統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程、技術(shù)規(guī)程和管理手段，保障安全，也將提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可持續(xù)性。

6 鐵路專用線融合通信系統(tǒng)

利用富媒體融合通信應(yīng)用、IMS架構(gòu)及超高清音視頻網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性技術(shù)，充分結(jié)合5G技術(shù)對既有鐵路專用線通信系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，形成鐵路專用線融合通信系統(tǒng)。鐵路專用線融合通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應(yīng)急通信以及視頻監(jiān)控等系統(tǒng)合一，減少新建線專用系統(tǒng)建設(shè)成本和后續(xù)系統(tǒng)的維護(hù)成本。融合通信系統(tǒng)采用基于IMS的可擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)，依照3GPP標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與開發(fā)，綜合了通信技術(shù)和IT的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與承載的分離，融合視頻、語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)，承載調(diào)度、應(yīng)急、辦公等IP寬帶業(yè)務(wù)。融合通信系統(tǒng)擁有電信級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、快速高效的部署方式、成熟完善的安全機(jī)制、多業(yè)務(wù)統(tǒng)一融合以及靈活定制的應(yīng)用擴(kuò)展能力，通過高保真音質(zhì)、高清化視頻、全程可視化操控，依托北斗高精度定位技術(shù)、GIS技術(shù)以及人工智能技術(shù)，帶來了全新的應(yīng)用場景，賦能行業(yè)應(yīng)用，開啟一個(gè)全新的智能化調(diào)度通信時(shí)代。

智能調(diào)度指揮發(fā)展目標(biāo)是整合、交換和共享業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的信息資源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)度、智能協(xié)同、快速應(yīng)急處置，使路網(wǎng)整體行車調(diào)度效率達(dá)到最優(yōu)。調(diào)度指揮相關(guān)業(yè)務(wù)的IP化有助于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)融合、信息共享、數(shù)據(jù)分析以及輔助調(diào)度，分組化建設(shè)趨勢促使鐵路傳統(tǒng)的調(diào)度通信、會(huì)議電視、視頻監(jiān)控必然向IP化發(fā)展。

鐵路專用線融合通信系統(tǒng)通過通信資源的整合實(shí)現(xiàn)鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應(yīng)急通信、視頻監(jiān)控、無線通信以及運(yùn)營維護(hù)等相關(guān)分立通信系統(tǒng)的接入，統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，納入統(tǒng)一平臺(tái)，降低建設(shè)成本與運(yùn)營維護(hù)成本。鐵路專用線融合通信系統(tǒng)對接入及新建的各通信資源整合，提供基于流程的聯(lián)動(dòng)調(diào)度操作，為構(gòu)建鐵路專用線運(yùn)輸安全保障體系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過將先進(jìn)的信息化技術(shù)手段與鐵路運(yùn)輸日常管理相結(jié)合，能有效提升鐵路日常管理的科學(xué)性和精細(xì)化水平。

7 結(jié) 論

在5G時(shí)代下，鐵路專用線融合通信系統(tǒng)是提升管理效率的重要基礎(chǔ)，也是時(shí)代發(fā)展的要求。通過融合通信對鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應(yīng)急通信以及視頻監(jiān)控等專用通信子系統(tǒng)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)減員增效，進(jìn)一步推動(dòng)鐵路專用線朝著建設(shè)、運(yùn)營、管理一體化的方向高速發(fā)展。