無線移動多媒體應急指揮系統

王啟龍 上海鐵路局合肥電務段張建平 上海鐵路局電務處

近年來，為適應鐵路跨越式發展的需要，鐵路運輸生產力布局調整，整合優化運力資源，最大限度地釋放運輸生產力，精簡行政管理人員，產生了許多大站段、大車間，人員及資源向大城市、大站場集中。而我國鐵路點多線長，工務、電務、供電等基層站段作業點非常分散，生產班組遍布鐵路沿線，交通、溝通不便。隨著《中長期鐵路網規劃》的實施，將會出現列車運行速度越來越快、沿線小站越來越少，勞動生產率越來越高，運輸安全壓力越來越大的情況。如何在這種情況下保證行車安全，更加科學地組織、指揮、調度運輸生產，是已經擺在我們面前，亟待解決的問題。

根據《中長期鐵路網規劃》，到2010年，我國鐵路網營業里程將達到9萬公里以上，其中客運專線建設規模為7000公里，復線率和電化率均達到45%。在客運專線開通運營，加快城市化進程，緩解繁忙干線運力緊張局面的同時，也對我們的鐵路運輸安全保障工作提出了更高的要求。首先，高密度、高速度的運輸，留給我們的檢修時間越來越少，我們不僅要千方百計保證設備少出故障，還要在發生故障時能快速反應，及時排除；其次，新技術新設備的上馬速度大大加快，對信息的準確性和實時性依賴性強，特別是網絡方面的故障，原來的故障點，現在擴大成為故障面，發生故障后的影響范圍越來越大。

我們的一線職工，對新科技裝備的掌握程度跟自己的知識結構有關，水平參差不齊。設備發生故障，如果現場值班人員不能及時找到故障點并排除故障，就需要車間、技術科技術人員到現場協助，這將大大增加故障延時，這種方式已不能滿足目前日益緊迫的運輸生產需要。解決這一矛盾，就是要在段調度中心安裝一雙“千里眼”，通過它，了解現場設備狀態，利用段、車間的技術優勢，指揮調度技術人員，協助指揮故障處理，增強處置突發事件的快速處理能力。

無線移動多媒體應急指揮系統----就是本文討論的“千里眼”，它是一種基于COFDM技術的移動音視頻傳輸系統。COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing），即編碼正交頻分復用的簡稱，是目前世界最先進和最具發展潛力的多載波調制技術。它的實用價值就在于支持突破視距限制的應用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術，可以對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其基本原理就是將高速數據流通過串并轉換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸，真正實現了“抗阻擋”、“非視距”、“動中通”的高速數據傳輸，表現出卓越的“繞射”、“穿透”性能。

1 無線移動視訊傳輸技術現狀

1.1 同類產品技術分析

目前市場上無線圖像傳輸設備采用的主要技術有：基于公網的GPRS、CDMA、3G技術、無線局域網802.11技術、基于地面移動電視的COFDM技術和單載波頻分（SC-FDMA）復用技術。

基于移動公網的GPRS傳輸的帶寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，而且出現應急事件時，信息不夠詳實，容易出現斷點和無線接收的死角。CDMA無線傳輸技術同樣存在這樣的缺陷，在理想的狀態下，CDMA下行帶寬是153K，上行帶寬為70～80(K)，在這種傳輸通道帶寬之下，傳輸流暢的視頻基本上不可能實現，對于視頻監控系統而言，這種技術的應用顯然不能夠滿足實際的應用需求。

然而針對其他較高帶寬的無線傳輸方案，比如:無線LAN802.11(b)、802.11(g)、802.11(a)等技術，可以傳輸較高質量的視頻，但它們大多都存在共同的缺點，如只能做到通視傳輸、定向傳輸，難以支持移動傳輸等，從而限制了視頻監控系統的應用。

1.2 基于COFDM的無線視訊設備技術特點

1.2.1 可在非可視和有阻擋的環境中應用

傳統的微波設備，必須在可視條件（既收發兩點之間必須無阻擋）下才能建立無線鏈接通道，在使用中受環境制約較大。而COFDM因其多載波等技術特點，設備具有“非視距”、“繞射”傳輸的優勢，在城區、山地、建筑物內外等不能可視及有阻擋的環境中，能夠以高概率實現圖像的穩定傳輸，不受環境影響或受環境影響小。系統采用全向天線，可以在最短的時間內架設無線傳輸鏈路，采集端和接收端也可以隨意移動，不受方向的限制，系統簡單、可靠，應用靈活。

1.2.2 可用于高速移動中無線傳輸實時圖像

傳統的無線LAN等設備因其技術體制的原因，無法獨立實現采集端和接收端在高速的移動過程中實時傳輸圖像。若要在移動時進行無線圖像傳輸，通常的方案是再配置附加的“伺服穩定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩定等問題，但也只能在一定條件下實現移動點對固定點的傳輸，并且圖像常常會出現中斷，嚴重影響傳輸接收的效果。而對于COFDM設備，它不需要任何附加裝置，就可實現固定-移動，移動-移動間的使用，非常適合安裝到移動平臺上。不僅傳輸具有高可靠性，而且表現出很高的性價比。

1.2.3 傳輸帶寬高，適合高碼流、高畫質的音視頻傳輸

高碼流、高畫質的音視頻數據流對編碼、信道速率要求十分高。一般的數字微波，擴頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG-2編碼，但信道多采用2M速率，而圖像壓縮碼流只有1M左右，可能無法滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等要求。COFDM技術每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調制，合成后的信道速率一般均大于4Mbps，因此，可以傳輸MPEG-2中4:2:0、4:2:2等高質量編解碼圖像，接收后的圖像質量接近DVD畫質，完全可以滿足接收端后期處理要求。

1.2.4 在復雜電磁環境中，COFDM具備優異的抗干擾性能

在復雜電磁環境中，使用單載波調制技術，單個衰落或干擾能夠導致整個通訊鏈路失敗，但是在多載波COFDM技術中，僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯，通過各個子載波的聯合編碼，確保傳輸的低誤碼率，具有很強的抗干擾能力。

綜合上述分析，在我段辦公信息網絡已經聯接到班組的情況下，采用基于COFDM技術的無線移動多媒體技術，在調度中心增加這一“千里眼”，就可以讓調度指揮人員對現場情況了如指掌，無論是對于故障處理、施工天窗組織實施或應急搶險都是如虎添翼。

2 系統設計

2.1 系統功能概述

無線移動多媒體應急指揮系統是一套應用于鐵路運輸領域的移動-固定式寬帶圖像/聲音傳輸設備，由背負式可移動發射機、遠端接收機和調度指揮中心構成。其中背負式發射機主要完成將攝像機的圖像和聲音編碼調制發射功能，遠端接收機完成音視頻信號的接收、解調和解碼并還原為圖像和聲音，可實時存儲。調度指揮中心通過中心視頻語音處理軟件，根據需要調用各站的實時圖像或歷史圖像。車間也可以通過網絡調用各站本地存儲的視頻，供分析總結。通過該系統，段和車間不僅能增加對現場生產狀態的了解，還能為各種應急處理提供更準確直觀的信息，有利于調度指揮人員做出更科學、更有針對性的決斷，更有效地保障行車安全。

系統主要特性如下所示：

（1）系統工作頻段為 320～530(MHz)，信道帶寬為 2、4、8MHz可選。避免各種可能的鐵路無線信道干擾。

（2）系統工作為單工方式（單向語音）/FDD雙工方式(雙向語音)。

（3）系統在空中接口上，采用COFDM 調制方式。

（4）背負式發射機的視頻采集為紅外攝像頭，能在夜間使用。

（5）背負式發射機的音視頻采集設備不依賴雙手。

2.2 系統詳細設計

2.2.1 系統組成原理

利用COFDM技術，發射機和接收機都在移動時仍能可靠工作，而我們一般采用接收機固定（放置在信號機械室或班組值班室內），背負式發射機可在最大傳輸距離內任意移動。這樣設計即可以解決站場室外設備的檢查保養、應急處理，還能利用我段已經連接到班組的鐵路辦公信息網絡，保證音視頻的圖像的質量，增加系統的穩定性，減少投資。系統組成如圖1所示。

圖1 無線移動多媒體系統組成示意圖

2.2.2 數據傳輸原理

數據傳輸原理如圖2所示。

(1)背負式發射機和遠端接收機之間的空中接口采用DVB-T（COFDM方式）標準，圖像編解碼采用MPEGII標準。

(2)背負式發射機將一路視頻輸入信號、兩路音頻（左右聲道）通過編碼調制后經視頻信號天線發射，同時也接收來自遠端接收機的無線音頻信號。

(3)遠端接收機接收到背負式發射機發來的音視頻信號，經過編碼壓縮后經過光纖網傳輸到調度指揮中心。同時將指揮中心發來的音頻數據通過遠端接收機的發射機發送到背負式移動終端。

(4)調度指揮中心將本地語音信號經過編碼傳輸到遠端站，同時將來自遠端接收機的以太網數據解碼為音視頻信號輸出到指揮中心的顯示設備。

圖2 數據傳輸原理示意圖

2.2.3 背負式發射機硬件系統組成

發射機硬件子系統包括射頻模塊、基帶調制編碼模塊、語音對講模塊和電源模塊四個部分，整個子系統如圖3所示。

圖3 可移動發射機硬件組成示意圖

發射機各個模塊功能分述如下：

（1）基帶編碼調制模塊由COFDM調制板和MPEGII編碼板構成，MPEGII編碼板將輸入的音、視頻信號采樣編碼成MPEGII TS碼流。COFDM調制板將輸入的TS碼流先進行信道外RS編碼、交織卷積，然后進行信道內編碼、IFFT、插值最后上變頻為36Mbps的中頻信號輸出給射頻板。

（2）射頻板將輸入的中頻信號上變頻到300MHz射頻信號，進行功率放大發射出去。

（3）語音對講模塊的接收來自遠端接收機的語音調制信號解調后輸出到耳機。

（4）電源模塊將電池輸出的直流電壓（14.8V）通過DCDC變換成調制板、射頻板和語音模塊所需的各路電壓。

為了避免圖像通道和語音通道射頻信號的相互干擾，在圖像和語音通道射頻前級各加一個濾波器。

2.2.4 遠端接收機硬件系統組成

接收機包括DVB-T（移動數字電視廣播）接收板、射頻模塊、語音對講模塊三個部分，如圖4所示。

圖4 遠端接收機硬件組成示意圖

遠端接收機各部分組成及功能如下：

（1）DVB-T接收機主要完成圖像射頻信號的下變頻、解調、解碼功能。

（2）語音對講模塊完成指揮中心端對可移動發射機的語音發射功能。

（3）電源模塊負責提供DVB-T接收機所需的12V直流電源和對講機的7.5V直流電源。

為了提高接收機的靈敏度，在接收機前端增加一級低噪聲放大器。同時為了避免圖像和語音信號的相互干擾，在遠端接收機的天線輸入端和語音模塊的發射端各加了一個濾波器。

遠端接收機在整個系統中起了一個橋梁的作用。因為背負式發射機把經過調制的信號發射出來，在最大發射功率下最大傳輸距離內必須有接收裝置，使得無線傳輸的信號落地并處理。而調度指揮中心的語音信號也要通過遠端接收機發射出去，指揮并指導背負發射機人員工作。

3 結束語

目前，本系統正在合武客專線金寨站試用，完全實現設計意圖，滿足了段應急處理指揮需要，真正為段調度安裝了一雙“千里眼”。下一步將根據現場環境實際情況，增強背負式發射機的電池續航能力，減少背負設備，增加靈活性，讓其使用起來更方便快捷，為大面積推廣做準備。