鐵路防災減災通信中北斗衛星系統與TMIS融合發展研究

孫遠運，施衛忠，何為，汪涵，樂建煒，吳寧

（1. 中國鐵路信息科技有限責任公司，北京 100844；2. 中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050）

1 鐵路防災減災應急管理系統

我國鐵路具有線長、點多、面廣，野外地理地質、氣候復雜多變等特點，若不能及時掌握沿線各重要監測點的災害預警信息，必將影響提前防范或災后補救工作，給鐵路運輸帶來極大安全隱患和經濟損失。

鐵路防災減災應急管理系統主要針對危及鐵路運行安全的自然災害（風、雨、雪、地震）、異物侵限等進行監測報警。系統主要由現場傳感設備層、基站層、鐵路局集團公司數據中心層等構成。現場傳感設備層為數據采集層，主要完成對風、雨、雪、地震、異物侵限信息數據的實時采集[1]。基站層為基站防災監控單元，主要承擔對采集、解析、處理數據的匯集傳輸。鐵路局集團公司數據中心層接收傳輸數據，實現對數據的存儲、處理、分析，將結果發送到調度中心防災終端[2]。通常情況下，數據采集層的數據通過電氣化局鋪設的專用電纜、光纖等線纜，基于RS485或RS232協議，將原始數據匯集并傳送至通信基站，交由監控單元處理。監控單元將匯集的原始數據送入相應的地址空間，通過通信段預留的TCP/IP通信端口，將數據匯集至信號塔，使用2M帶寬GSM-R網絡[3]將數據發送匯集至鐵路局集團公司數據中心。但在野外偏僻地域，GSM-R網絡信號質量變差，影響數據的傳輸。在此，將衛星通信與鐵路現有通信方式相結合，構建鐵路北斗衛星通信系統，實現鐵路防災減災應急管理系統的全天候無盲區通信。

2 鐵路北斗衛星通信系統功能與構成

2.1 系統功能

北斗衛星系統具有快速定位、短報文通信和精密授時三大功能，鐵路北斗衛星通信系統利用其快速定位和短報文通信功能，作為鐵路防災減災應急管理系統的子系統，負責現場監測數據的接收與上傳，保證系統內數據穩定可靠快速地傳輸，其功能結構見圖1。

在鐵路沿線各災害易發多發點安裝諸如沉降、滑坡、泥石流、塌陷等智能一體化傳感監測設備，北斗自然災害監測終端的內置芯片會將監測數據通過衛星鏈路傳送至北斗衛星系統的地面主控站，并經由主控站傳送至鐵路北斗衛星通信系統的北斗數據接收端。從而保證在沒有GPRS/3G/4G的野外偏僻地域現場，監測數據能實時傳送并及時預警。經過處理的衛星數據經由鐵路北斗衛星系統進入全路的數據高速網絡TMIS進行傳輸[4]。在移動信號覆蓋區域，系統將優先選擇GPRS/3G/4G數據傳輸模式。

圖1 鐵路北斗衛星通信系統功能結構

2.2 系統核心構成

鐵路北斗衛星通信系統由鐵路北斗衛星專用通信設備、北斗數據網與TMIS網間的雙向數據交換平臺2個核心部分構成。

2.2.1 鐵路北斗衛星專用通信設備

鐵路北斗衛星專用通信設備是自然災害監測終端與鐵路北斗衛星通信系統主服務器間的無線信息傳輸通道，經過課題組的定制研發，它同時具備無線網絡通信接口和北斗短報文接口。而且鐵路北斗衛星專用通信設備具備實時定位功能，可實時對自然災害監測進行定位，通過數據通信接口將定位信息報告到主服務器，告知當前自然災害監測位置。

鐵路北斗衛星專用通信設備包含電源管理單元、信息采集單元、主控單元、無線網絡通信單元、北斗單元及記錄單元等（見圖2）。

圖2 鐵路北斗衛星專用通信設備結構

（1）電源管理單元：為自然災害監測終端各單元提供所需要的電源[5]。

（2）信息采集單元：設計各類有線通信接口，收集、解析、篩選信息，最后將初步處理后的數據發送至主控單元。

（3）主控單元：接收自然災害監測及定位信息，進行格式化并壓縮，通過無線網絡通道或北斗短報文通道進行數據傳輸。

（4）無線網絡通信單元：設計WLAN、GPRS（或3G）等無線網絡通信組件，可彌補北斗短報文通信間隔長、通信數據量小的缺陷。

（5）北斗單元：包括北斗定位及北斗短報文組件，分別實現實時定位自然災害監測位置和惡劣工作環境下與地面服務器間的實時數據通信。

（6）記錄單元：偵聽內部總線信息，實時記錄信息并導入轉儲器中，進行離線數據分析。

2.2.2 北斗數據網與鐵路綜合IT網（TMIS網）的雙向數據交換平臺

北斗衛星通信以覆蓋范圍大、靈活可靠的特點彌補了地面移動通信的不足[6]，但同時也具有傳輸時延長（500～800 ms）、報文長度有限、通信費用高等缺點。因此，在移動信號覆蓋區域還是優先采用GPRS/3G/4G或光纜等通信鏈路進行數據傳輸[7]。各種通信方式對比見表1。

表 1 各種通信方式對比

在此，北斗數據網與TMIS網的雙向數據交換平臺可以實現衛星報文數據格式與移動互聯網數據格式的互換，從而可利用鐵路現有成熟的TMIS網與衛星數據網絡間進行雙向數據傳輸，在北斗衛星和互聯網的數據連接通道上做出了創新和探索[8]。北斗數據網與TMIS網雙向數據交換平臺交換的數據除北斗短報文數據以外，還包括現場終端通過3G/4G網絡發送的數據。以北斗報文數據傳輸為例，與TMIS網的數據交互流程見圖3。

圖3 北斗報文數據進入鐵路綜合IT網（TMIS網）流程

3 關鍵技術實現

3.1 改造北斗報文傳輸質量

鐵路行業應用需要可靠的通信鏈路，普通的北斗衛星短報文終端通信成功率低，一般為90%左右；發送頻次低，一般為60 s/次；數據包長有限，一般有效字節數量為78 Byte/包，不能充分滿足鐵路行業的應用需求[9]。課題組研制了適用于軌道交通沿線安全監測的北斗衛星短報文通信終端，并在以下方面做出改進：

（1）通過報文校驗機制檢驗丟包并觸發重發機制，從而實現高成功率傳輸。目前可通過2種方式實現丟包檢測：一種是發送方等待接受方的反饋超時，另一種是通過報文編碼檢測，接收方主動向發送方請求重發丟包的數據報文。在此，2種方式同時采用，并通過控制系統對其實時切換[10]。以后一種方式為例，設計流程見圖4。

（2）通過多卡切換技術實現高頻次短報文發送，以滿足高頻次的應急應用場景。通過控制單元以定時切換的方式實現1個北斗通信模塊與多張北斗SIM卡的協同工作，使專用設備滿足高頻次北斗短報文通信的功能；通過發送控制策略實現多卡通信的負載均衡。

圖4 丟包檢測及觸發重發的設計流程

（3）通過自動拆包組包技術實現長數據報文的透明傳輸。通過自定義報文協議，將長報文分成多條短報文，并為短報文分配序號，然后逐條獨立發送；接收終端接收后再根據分包序號將各短報文組成長報文輸出。

3.2 短報文模塊設計

短報文模塊結構見圖5，短報文模塊硬件見圖6。模塊供電采用低功耗設計，采用2處供電：+5 V直接供電和電池供電，電池由主板提供。使用+5 V供電時，關閉電池供電，+5 V斷電后首先關閉RDSS_5V_ON，再打開V_BAT_RDSS，防止+5 V突然來電。

3.3 搭建北斗數據網與TMIS網間的雙向數據交換平臺

衛星通信與互聯網通信之間有著天然的屏障，為了實現衛星數據、互聯網數據藉由該平臺的雙向互傳，研究并解決2個問題：（1）北斗監測數據進入TMIS網的通信技術；（2）TMIS網內下發的遙測指令和應急指揮消息進入北斗衛星系統的通信技術。

根據鐵路應用需求，設計完成滿足行業需求的北斗終端技術方案。由于北斗數據的獲取和訪問是與特定的北斗硬件設備終端綁定在一起的，因此，根據選定的北斗終端設備的描述與分析及其數據接入、通信和傳輸細節，通過自定義通信協議、數據格式等完成北斗數據訪問的定制性開發。

數據交換平臺的核心是通信服務器的設計，通信服務器的傳輸、轉發機制采用TCP/IP協議，通過socket套接字進行傳輸，保證數據指令不丟包。協議的數據包結構由同步頭、數據信息、CRC校驗位組成。同步頭占用12 bit，用于進行數據幀起始位的同步判斷、標識數據包種類；數據信息的長度由不同數據包決定；CRC校驗碼占用12 bit，用于保證數據傳輸、轉發的可靠性和有效性[11]。

通信服務器作為傳輸中繼服務器，完成IP數據包的處理和轉發，對接收到的來自智能監測終端和TMIS的數據和指令進行分析、備份、存儲，對北斗衛星系統的原業務數據格式進行重新編制處理，使之成為普通計算機網絡可以傳輸和解釋的形式，以便系統用戶對北斗衛星系統數據的解析和利用，實現北斗數據網絡和TMIS網的數據交換。

4 功能測試結果

針對鐵路北斗衛星專用通信設備，測試其短報文通信和4G網絡通信功能。

4.1 短報文測試

測試模式：自發自收。

供電方式：可編程直流電源PWS4305，數據發送時，從可編程直流電源顯示面板觀察有無輸出電壓被拉低現象。

（1）供電電壓：5 V；限流電流：5.0 A；數據發送成功率100%（信號強度：4個波束信號，強度分別為3、1、3、4；數據發送次數：22；數據接收次數：22）。

（2）供電電壓：5 V；限流電流：2.0 A；數據發送成功率0%（信號強度：4個波束信號，強度分別為：3、1、3、4；數據發送次數：6；數據接收次數：0。發送數據時電壓被拉低到4.65 V左右）。

（3）供電電壓：5 V；限流電流：3.5 A；數據發送成功率100%（信號強度：4個波束信號，強度分別為：3、1、3、4；數據發送次數：22；數據接收次數：22）。

（4）供電電壓：5 V；限流電流：2.75 A；數據發送成功率96%（信號強度：4個波束信號，強度分別為3、1、3、4；數據發送次數：25；數據接收次數：24）。

圖5 短報文模塊結構

圖6 短報文模塊硬件

（5）供電電壓：5 V；限制電流：2.375 A；數據發送成功率0%（信號強度：4個波束信號，強度分別為：3、1、3、4；數據發送次數：8；數據接收次數：0。數據發送時，電源電壓被拉低到4.98 V左右）。

（6）供電電壓：5 V；限制電流：2.562 5 A；數據發送成功率36.73%（信號強度：4個波束信號，強度分別為3、1、3、4；數據發送次數：49；數據接收次數：18）。

測試軟件界面見圖7。

圖7 測試軟件界面

4.2 4G網絡測試

設備通過4G網絡回傳位置數據到后臺服務器，數據準確、功能正常。回傳經緯度數據及某一經緯度對應的地理位置分別見圖8、圖9。

圖8 后臺接收的位置數據

圖9 經緯度對應的地理位置

5 結束語

大量安裝于鐵路沿線的移動裝備和監測設施的監測數據能否及時回傳關系到鐵路防災減災應急管理系統的成敗，北斗衛星的短報文通信功能是應對鐵路沿線復雜多變地質氣候條件的最佳解決方案[12]。鐵路北斗衛星通信系統依托北斗衛星的高精度定位和短報文通信服務構建，不受溫度、氣候等自然環境影響，能夠在野外環境、惡劣氣候條件、移動互聯網絡中斷的情況下，為鐵路部門提供穩定、可靠、低成本的衛星通信服務，同時又充分利用了鐵路現有的網絡基礎設施和資源，以提高效率、節約成本。該科研成果的應用和推廣，將全面替代GPS在我國鐵路行業的壟斷地位，避免GPS帶來的潛在安全風險，滿足鐵路運輸的安全性需求。