基于IMS架構的鐵路災害監測系統研究

顧忠建，單洪政

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司通號設計院，北京 100055;2.北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司，北京 100095)

1 概述

鐵路自然災害及異物侵限監測系統(簡稱鐵路災害監測系統)主要應用于高速鐵路、客運專線鐵路、城際鐵路以及部分200 km/h客貨共線鐵路，用于對風、雨、雪、地震、異物侵限等災害進行監測、預警及報警。鐵路災害監測系統主要采用以線路為單位獨立建設數據處理設備中心的方式，并且各線路的設備供應商也不統一。

目前在京滬高速鐵路、京津城際鐵路、廣珠城際鐵路、向浦鐵路、長吉鐵路等線路已經獨立建設數據處理設備中心并開通運營，通過幾年來的系統建設和運行情況來看，鐵路災害監測系統主要存在分散建設，技術標準不統一，互聯互通困難等問題。

隨著各鐵路局災害監測系統中心的提出，以及相關標準化工作的進行，原鐵道部發布了鐵科技［2013］35號《高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統總體技術方案(暫行)》以及鐵總建設［2013］86號《鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定》，明確了各鐵路局中心的各項要求，其中明確要求各鐵路局災害監測系統中心不僅需要與各設備供應商的監控單元互聯互通，還需要與既有線路災害監測系統中心，以及與其他相關系統進行互聯互通。路局災害監測中心接口關系見圖1。

圖1 路局災害監測中心接口關系

鐵路災害監測系統相關標準發布后，截至目前尚沒有正式開通運行的路局中心系統，針對互聯互通方面也沒有出臺相關的細則。

通過對IMS架構的分析，針對鐵路防災安全監控相關標準和規范，同時參考鐵路綜合視頻監控系統技術規范，提出一種適用于防災監控路局中心的系統架構和接口規范，并且從開放性、擴展性、安全性等方面進行深入研究。

2 IP多媒體子系統(IMS)

IP多媒體子系統是3GPP提出的適應于下一代通信的系統的，基于IP協議的過媒體通信系統標準。IMS邏輯架構見圖2。

IMS架構中采用分層設計理念以及控制和承載分離，業務和控制分離的思想，可以通過在業務層部署應用服務器，以擴展新業務的方式，因此，系統具有良好的業務擴展性。

圖2 IMS邏輯架構

IMS的核心控制協議為SIP協議，通過采用XML對SIP協議進行擴展，以支持各種IMS網絡特有的業務和特性。

SIP協議是互聯網領域廣泛采用的會話控制協議。SIP消息采用文本編碼方式，底層傳送協議支持TCP和UCP兩種方式，支持應用層可靠傳送機制。

SIP主要的協議過程包括支持注冊和會話管理機制。

SIP的安全性方面支持認證和加密機制，實現對信息內容以及消息完整性的檢驗。

SIP協議不僅在通信領域得到廣泛應用，而且在其他領域也有很多的應用。目前，在電網視頻監控系統技術規范，以及鐵路綜合視頻監控技術規范中采用的就是SIP+XML為基礎的協議框架。

3 基于IMS架構的鐵路災害監測系統

作為鐵路行業發展時間較短的一種系統，鐵路防災安全監控系統尚處于發展和完善時期，未來可能需要擴展災害監控范圍，以及采用新型傳感器，因此，系統要具有良好的接入能力以及靈活的業務擴展能力。同時，為了實現與周邊各系統的數據互通和業務聯動，也要求系統具有強大的互聯互通能力。

3.1 系統架構

基于IMS的鐵路災害監測系統架構如圖3所示。

基于IMS架構的鐵路災害監測系統架構包括終端/感知層、接入層、核心層、業務層等4個層次。

(1)終端/感知層

包括各種終端、傳感器以及其他相關系統。

(2)接入層

接入層主要提供對終端、傳感器以及相關系統的接入功能。

圖3 基于IMS的鐵路災害監測系統架構

對于采用標準化接口的終端，可以直接接入核心網。對于現有的不支持網絡接口的傳感器，通過監控單元統一接入核心網。對于新型網絡傳感器，如果支持標準接口，可以直接接入核心網;如果不支持標準接口，可以通過接入網關對協議及數據轉換后接入核心網。此外，系統通過接口服務將與視頻監控、列控、氣象、地震等的接口進行轉換后統一接入到系統核心網。

(3)核心層

核心層提供終端、傳感器及相關系統的接入注冊、認證管理，以及業務重定向和業務尋址等功能。

(4)業務層

由數據庫和存儲服務、聯機數據分析服務構成基礎服務，聯機分析服務構成業務處理基礎服務。

為了減小業務間的耦合性，提高系統業務擴展能力和業務處理能力，系統將風、雨、雪、異物、地震等分別作為業務服務，單獨設置，獨立部署。系統建設初期，在業務量較小的時候，也可以將多個應用服務部署在同一主機中，隨著規模擴展，可以逐漸實現分布部署。

基于IMS架構的災害監測系統架構具有以下特點。

(1)系列化的標準接口

IMS規范提供了系列化的豐富的基于SIP和DIAMETER的標準接口可供參考，因此，極大地方便了接口協議的制定。

(2)強大的業務擴展性

為了提高系統的業務擴展能力，在業務層上將風、雨、雪、地震、異物等業務作為獨立的應用服務，一方面可以降低業務間的耦合，便于部署其他的新型業務，同時可以提升系統的業務處理能力。

當系統需要部署新的業務的時候，只需要在應用層部署新的應用服務，在核心層增加相關配置，然后增加新的業務終端，或者在現有終端上進行升級新業務處理模塊即可，對既有系統和業務的影響非常小，有利于系統的維護和穩定。

(3)靈活的系統接入能力

對于新的設備、傳感器及相關系統，如果需要接入到系統中，如果支持標準協議，可以直接接入到核心網;如果不支持標準協議，只需要在接入層增加接入網關，將協議和數據轉換成標準格式，即可接入核心層。由此可見，通過將不同系統間的差異隔離在系統邊緣，降低了系統核心的復雜度，提高了核心層和業務層的穩定性。

3.2 接口和協議

采用IMS架構的鐵路災害監測系統的協議框架如圖4所示。

圖4 系統協議框架

圖4中的A/B/C接口分別說明如下。

(1)A接口為前端設備(監控單元、接入網關、接口服務、IP傳感器等)與核心層之間的接口。

主要接口功能包括:接入認證、能力協商、狀態報告、資源連接、實時數據傳送、報警數據傳送等。

(2)B接口為終端與核心層之間的接口。主要接口功能包括:接入認證、資源查詢、資源連接、實時數據傳送、報警數據傳送等。

(3)C接口為業務層和核心層之間的接口。主要接口功能包括:應用服務狀態查詢、資源連接等。

參考IMS架構相關規范，上述A/B/C接口主要采用以下協議。

(1)SIP協議

SIP協議主要用于實現業務實體間的注冊、認證以及業務控制等協議功能。

為了支持鐵路災害監測系統特有的業務特性，在SIP應用數據中可以攜帶擴展消息數據，對于擴展部分，采用XML語言進行描述。XML語言采用文本編碼方式，具有數據自描述特性，因此，具有良好的擴展性，同時可以方便地實現不同版本間的兼容性。

SIP協議采用SIP-URI進行尋址，對終端、傳感器等設備的SIP-URI建議采用數字編碼，編碼建議由“區域 +線路+設備類型+設備編號”等信息組成。

(2)RTP/RTCP協議

對于實時數據，采用RTP協議進行傳送，RTP凈荷編碼及凈荷格式可以根據風、雨、雪、地震、異物等業務數據類型進行單獨定義。

RTP協議采用UDP協議作為底層傳送協議，因此具有實時特性，但不保證可靠傳送，因此對于數據量不大，但要求可靠傳送的數據(如告警消息)，可以采用SIP協議的INFO消息攜帶。

需要注意的是，RTP協議支持在數據包中封裝多個數據幀，因此可以實現傳感器數據的實時冗余傳送。

3.3 主要業務流程

采用IMS架構的鐵路防災安全監控系統的典型業務流程如下。

(1)設備接入認證和能力查詢(圖5)

圖5 設備接入和能力查詢

(2)傳感器連接和數據傳送(圖6)

圖6 傳感器連接和數據傳送

(3)終端接入和數據傳送(圖7)

3.4 安全性與可靠性分析

為了保證系統信息和數據傳送安全性，系統采用以下安全機制:

(1)網絡隔離;

(2)源IP地址認證;

(3)用戶名密碼認證;

(4)消息完整性檢驗;

(5)認證數據加密;

(6)文本編碼:信息冗余;

(7)傳送層安全;

圖7 終端接入和數據傳送

(8)系統運行日志。

在系統運行層面，系統采取以下可靠性機制:

(1)軟件守護進程;

(2)硬件watch-dog;

(3)核心服務及應用服務冗余。

在數據可靠傳送方面，系統主要采取以下措施:

(1)網絡層雙網絡冗余傳送;

(2)采用TCP等可靠的傳送層協議;

(3)采用SIP等應用層可靠傳送協議;

(4)采用RTP冗余幀等數據冗余傳送措施。

IMS架構作為3GPP主導的標準體系，具有較為完善的架構、接口和協議，能夠支撐一整套完善的業務體系開發，得到了大量設備廠商的廣泛支持，也經過了運營單位的實踐檢驗。

4 結語

通過以上分析，初步驗證了IMS架構在鐵路災害監測系統中應用的可行性，可以為相關部門和人員在標準制定、系統設計以及互聯互通方面提供參考。

［1］中國鐵路總公司.鐵路自然災害及異物侵限監測系統工程設計暫行規定［S］.北京:中國鐵路總公司，2013.

［2］中華人民共和國鐵道部.高速鐵路自然災害及異物侵限監測系統總體技術方案(暫行)［S］.北京:中華人民共和國鐵道部，2013.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵路綜合視頻監控系統接口技術要求(征求意見稿)［S］.北京:中華人民共和國鐵道部，2013.

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