城市軌道交通TETRA專用無線通信網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的設計

郭霄彬，魏 奇，費漢明，鐘宜順，郭長青，付 思

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

城市軌道交通TETRA專用無線通信網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的設計

郭霄彬，魏 奇，費漢明，鐘宜順，郭長青，付 思

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

根據(jù)城市軌道交通無線通信需求，在基于IP的TETRA專用無線通信系統(tǒng)的可行性及其優(yōu)勢基礎上提出了專用無線通信網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計方案，闡述了其系統(tǒng)結構及相關軟件的設計，對城市軌道交通的安全、高密度、高效運營具有很大的幫助。

城市軌道交通；專用無線通信；陸地集群無線通信；網(wǎng)絡管理系統(tǒng)

城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)是專門用于城市軌道交通指揮調度和緊急通信的專用移動通信系統(tǒng)，是為了保證軌道交通安全、高密度、高效運營而建設的語音、數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)。它為軌道交通運營的固定用戶（控制中心及車輛段調度員、車站值班員等）和移動用戶（列車司機、防災人員、維修人員）之間的語音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段，對行車安全、提高運輸效率和管理水平、改善服務質量提供了重要保證。同時，在軌道交通運營出現(xiàn)異常情況和有線通信出現(xiàn)故障時，亦能迅速提供防災救援和事故處理等指揮所需要的通信手段。

在基于IP的陸地集群無線通信（TETRA）數(shù)字集群網(wǎng)絡中，最重要的就是TETRA交換機，其承擔著TETRA基礎設施以及其他網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)交換工作，是數(shù)字集群系統(tǒng)中的核心部分。TETRA基礎設施、調度系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理（簡稱：網(wǎng)管）系統(tǒng)、PABX/ PSTN網(wǎng)關均通過IP路由器和網(wǎng)絡交換機連接到局域網(wǎng)中。基于同一個IP的TETRA數(shù)字集群網(wǎng)絡無需集中式數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)和語音都在IP網(wǎng)絡上傳輸，只需要網(wǎng)關就可以實現(xiàn)與其他TETRA網(wǎng)絡互聯(lián)互通，網(wǎng)絡擴展方便，網(wǎng)絡設備設置靈活。

由交換機、基站、傳輸鏈路、數(shù)據(jù)庫等組成的傳統(tǒng)TETRA無線網(wǎng)絡核心是交換和管理基礎設施（SwMI，Switch and Manage Infrastructure），其他網(wǎng)元（調度系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)、IP網(wǎng)關、PABX/ PSTN網(wǎng)關等）都是連接到SwMI上，SwMI承載了整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理操作。這樣的網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)集中處理方式存在的弊端：（1）其降低了TETRA網(wǎng)絡性能；（2）當SwMI故障時，整個系統(tǒng)都會癱瘓；（3）SwMI接口非TETRA規(guī)定的標準接口，難以實現(xiàn)與其他TETRA網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

基于上述背景，提出一種采用基于IP的城市軌道交通TETRA專用無線通信網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計方案：由TETRA交換機實現(xiàn)TETRA設備與網(wǎng)管服務器之間的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)管服務器既作為TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)與網(wǎng)管客戶端通信的橋梁，又是與外部系統(tǒng)通信的接口。

1 基于IP的TETRA專用無線網(wǎng)絡管理系統(tǒng)結構

1.1 TETRA系統(tǒng)組成

城市軌道交通TETRA專用無線通信系統(tǒng)是由多基站的TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)形成的一個無線和有線通信相結合的網(wǎng)絡，主要由TETRA交換設備、調度系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、基站、固定臺、車載臺、天饋系統(tǒng)以及傳輸通道等構成，天饋系統(tǒng)包括漏泄同軸電纜、射頻電纜、天線、耦合器、功分器等。系統(tǒng)采用800 MHz的TETRA數(shù)字集群通信方式，其網(wǎng)絡構架如圖1所示。

圖1 基于IP的TETRA專用無線通信系統(tǒng)組成

系統(tǒng)在控制中心設置TETRA交換機，在城軌沿線各站、車輛段和停車場設置雙載頻的集群基站，各基站通過有線IP傳輸通道，采用環(huán)形或星型組網(wǎng)方式與集群交換機相連；同時，控制中心設置調度系統(tǒng)和網(wǎng)管系統(tǒng)，實現(xiàn)軌道交通全線統(tǒng)一的無線調度和網(wǎng)絡管理。

1.2 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)結構

網(wǎng)管系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡，采用以 C/S架構為主，B/S架構為輔的設計，分為網(wǎng)管服務器和網(wǎng)管客戶端，如圖2所示。服務器是網(wǎng)管系統(tǒng)的核心和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹熬W(wǎng)關”，負責向TETRA系統(tǒng)下發(fā)基礎設施參數(shù)，并接收和分發(fā)TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息。根據(jù)城市軌道交通運營指揮場景以及移動設備智能化發(fā)展的不同需要，網(wǎng)管系統(tǒng)中設有3種網(wǎng)管客戶端。

（1）網(wǎng)管客戶端（C）：基于C/S架構的網(wǎng)管客戶端軟件，應具有TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警監(jiān)視、調度系統(tǒng)資源配置兩大主要功能以及設備告警屏蔽、過濾、確認、前轉操作規(guī)則配置功能；

（2）網(wǎng)管客戶端（B）：基于B/S架構的網(wǎng)管客戶端，方便網(wǎng)絡管理員在遠端通過瀏覽器訪問網(wǎng)管，應具有的功能和網(wǎng)管客戶端（C）相同；

（3）網(wǎng)管APP：網(wǎng)管移動APP客戶端，應具有TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警監(jiān)視以及接收網(wǎng)管服務器推送的設備告警信息功能。

圖2 網(wǎng)絡管理系統(tǒng)設計圖

2 網(wǎng)絡管理服務器設計

2.1 功能描述

在本方案中，網(wǎng)管服務器即要與網(wǎng)管客戶端進行通信，又要與TETRA交換機進行數(shù)據(jù)交互，還是網(wǎng)管系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的接口。其實現(xiàn)的功能包括：

（1）向TETRA交換機下發(fā)TETRA系統(tǒng)基礎設施參數(shù)；（2）從TETRA交換機獲取TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息并持久化；（3）與調度服務器交互獲取時鐘同步信息以及調度系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息；（4）分發(fā)整個系統(tǒng)設備告警信息給不同接口；（5）根據(jù)告警操作規(guī)則對告警信息執(zhí)行自動屏蔽、過濾、確認、前轉操作，前轉即通過短信設備以短信的形式通知接收人；（6）向TETRA交換機和網(wǎng)管客戶端下發(fā)時鐘同步信息并從網(wǎng)管客戶端獲取基礎設施參數(shù)、告警操作規(guī)則。

2.2 軟件架構設計

網(wǎng)管服務器軟件由業(yè)務處理層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)接口層共3層組成，其中，業(yè)務處理層負責設備狀態(tài)和告警信息以及時鐘同步的業(yè)務處理；數(shù)據(jù)處理層負責時鐘同步信息、基礎設施參數(shù)的數(shù)據(jù)轉發(fā)以及設備狀態(tài)和告警信息的持久化、瞬間化處理；數(shù)據(jù)接口層負責網(wǎng)管服務器與其他接口的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)管服務器軟件的體系結構如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡管理服務器軟件架構設計圖

（1）業(yè)務處理層：負責設備狀態(tài)和設備告警信息之間的轉化，同時根據(jù)不同的分發(fā)規(guī)則將設備告警信息分類處理，并執(zhí)行時鐘同步操作；

（2）數(shù)據(jù)處理層：負責將時鐘同步信息、基礎設施參數(shù)做轉發(fā)處理，持久化設備狀態(tài)和告警信息，根據(jù)接口需求加載不同分類的告警信息；

（3）數(shù)據(jù)接口層：負責與調度服務器交互獲取時鐘同步信息以及調度系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息。與TETRA交換機交互下發(fā)時鐘同步信息、基礎設施參數(shù)并獲取TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息。與網(wǎng)管客戶端交互獲取基礎設施參數(shù)、告警操作規(guī)則并下發(fā)時鐘同步信息，與短信設備和集中告警系統(tǒng)連接分類發(fā)送設備告警信息。

2.3 接口描述

網(wǎng)管服務器負責收集TETRA系統(tǒng)和調度系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息并分發(fā)這些告警信息給不同的接口，它還是網(wǎng)管系統(tǒng)與調度系統(tǒng)時鐘同步的關鍵設備。相關外部接口包括：

（1）網(wǎng)管客戶端接口：時鐘同步信息傳輸，接口形式為RS422或者NTP。設備狀態(tài)和告警信息、基礎設施參數(shù)、告警操作規(guī)則傳輸，接口形式為TCP/ IP；（2）TETRA通信接口：基礎設施參數(shù)、TETRA系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息傳輸，接口形式為SNMP。時鐘同步信息傳輸，接口形式為RS422或者NTP； （3）調度服務器接口：調度系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息傳輸，接口形式：TCP/IP。時鐘同步信息傳輸，接口形式為RS422或者NTP；（4）短信設備接口：設備告警信息傳輸給短信設備客戶端，接口形式為TCP/ IP；（5）集中告警系統(tǒng)：設備告警信息傳輸給外部集中告警系統(tǒng)，接口形式為TCP/IP。

3 網(wǎng)絡管理客戶端設計

網(wǎng)管客戶端軟件架構設計如圖4所示。

（1）視圖層提供友好的操作界面供網(wǎng)絡管理員執(zhí)行調度資源配置、基礎參數(shù)配置、設備告警規(guī)則配置操作，并可對整個系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息以及系統(tǒng)間各個接口狀態(tài)進行實時監(jiān)視，可對設備歷史狀態(tài)和歷史告警信息進行查看，另外還提供網(wǎng)管客戶端軟件操作日志查看等功能。

（2）業(yè)務層負責整個系統(tǒng)設備狀態(tài)、告警信息和系統(tǒng)間各個接口狀態(tài)實時監(jiān)控更新功能，負責時鐘同步操作和網(wǎng)管客戶端軟件操作日志記錄等功能。

（3）接口層負責與調度數(shù)據(jù)庫交互來配置管理調度資源。與網(wǎng)管服務器交互來進行基礎設施參數(shù)、告警操作規(guī)則下發(fā)并從網(wǎng)管服務器獲取整個系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警以及時鐘同步信息。

圖4 網(wǎng)絡管理客戶端軟件架構設計圖

4 數(shù)據(jù)傳輸控制設計

為滿足城市軌道交通運營調度安全可靠的需要，在進行TETRA專用無線通信系統(tǒng)的總體設計時應保證網(wǎng)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜁r效性。

4.1 數(shù)據(jù)時效性

網(wǎng)管服務器在收集TETRA系統(tǒng)與調度系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息時均可采用周期輪詢的方式進行，周期可根據(jù)不同場景下的系統(tǒng)設備承載自行設定。由于網(wǎng)管服務器與TETRA交換機交互接口使用SNMP協(xié)議，在獲取設備狀態(tài)和告警信息時也可以采用被動接收的方式進行收集。網(wǎng)管數(shù)據(jù)庫作為網(wǎng)管客戶端、網(wǎng)管服務器設備狀態(tài)和告警信息傳輸?shù)慕涌冢Y合網(wǎng)管客戶端軟件開發(fā)語言，可在數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)改變時觸發(fā)軟件自動加載更新數(shù)據(jù)。網(wǎng)管系統(tǒng)還提供了多種方式來呈現(xiàn)系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息。

4.2 數(shù)據(jù)可靠性

在數(shù)據(jù)時效性的基礎上網(wǎng)管系統(tǒng)對與各個子系統(tǒng)間接口進行了實時監(jiān)控，最大程度保障網(wǎng)管系統(tǒng)與各個子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點連接暢通。整個系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息一一對應，網(wǎng)管服務器可根據(jù)告警操作規(guī)則對無效的、著重關心的、已確認的、需轉發(fā)的設備告警信息分別進行自動屏蔽、自動過濾、自動確認、自動前轉操作。

4.3 數(shù)據(jù)劃分優(yōu)先等級

為有效提高系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕W(wǎng)管系統(tǒng)將整個系統(tǒng)設備狀態(tài)和告警信息進行了優(yōu)先等級劃分，優(yōu)先等級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先顯示。

5 結束語

專用無線通信系統(tǒng)是城市軌道交通安全運行的關鍵系統(tǒng)。采用基于IP的方式實現(xiàn)系統(tǒng)設計可增強系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可擴展性，其中，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)對城市軌道交通保障運行安全、調度業(yè)務暢通、故障定位時效等方面具有重要的意義。

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責任編輯 徐侃春

TETRA based Dedicated Radio Network Management System for Urban Transit

GUO Xiaobin,WEI Qi,FEI Hanming,ZHONG Yishun,GUO Changqing,FU Si
( Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

According to the radio communication needs of Urban Transit,this article based on the feasibility and advantage of the IP-based TETRA Dedicated Radio Communication System,proposed a design of TETRA based Dedicated Radio Network Management System,introduced the system architecture and related software design.The System is helpful for safe,high density and high effcient operation of Urban Transit.

Urban Transit;dedicated radio communication;Terrestrial Trunked Radio( TETRA);Network Management System

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2016）11-0046-04

2016-03-25

郭霄彬，工程師；魏 奇，副研究員。