物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推進(jìn)鐵路通信監(jiān)測(cè)技術(shù)深度融合應(yīng)用的探究

何兆賢

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司昆明通信段，云南 昆明 650011）

0 引 言

信息化和智能化是鐵路行業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是推進(jìn)智慧鐵路建設(shè)與運(yùn)維的重要技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要依靠圖片識(shí)別技術(shù)、FRID技術(shù)、傳感技術(shù)以及衛(wèi)星定位技術(shù)等與通信技術(shù)進(jìn)行融合，是信息集成技術(shù)融合通信技術(shù)后運(yùn)用的延伸與擴(kuò)展。它主要是利用智能技術(shù)對(duì)物理世界的事物進(jìn)行感知、控制和信息處理，是在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互、精準(zhǔn)控制和遠(yuǎn)程管理為目的的一門(mén)技術(shù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)與通信網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合在一起，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的延伸需要依賴通信網(wǎng)的覆蓋，而物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用不斷推進(jìn)通信網(wǎng)技術(shù)的革新。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著各行業(yè)在管理、生產(chǎn)、技術(shù)方面的變革與重塑。近年來(lái)，隨著智慧鐵路建設(shè)的提出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路上得到了較好應(yīng)用。在設(shè)備運(yùn)用維護(hù)方面，各系統(tǒng)已經(jīng)逐步建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化管理系統(tǒng)，如車(chē)輛專業(yè)有5T系統(tǒng)，供電專業(yè)有6C系統(tǒng)，信號(hào)專業(yè)有信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。而通信專業(yè)較早成熟應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，目前已產(chǎn)生一批功能更完善的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用，主要以通信大數(shù)據(jù)、電源與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、綜合視頻系統(tǒng)、異物侵限及防災(zāi)系統(tǒng)等一批具備物聯(lián)網(wǎng)功能的應(yīng)用系統(tǒng)為典型代表。這些系統(tǒng)的應(yīng)用有利于行車(chē)組織、生產(chǎn)組織的科學(xué)決策，提高人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的精確控制與管理，是物聯(lián)網(wǎng)在鐵路通信專業(yè)的最新運(yùn)用體現(xiàn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)在鐵路通信中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于通信行業(yè)天然的技術(shù)性與便利性，鐵路通信專業(yè)較早開(kāi)展了物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)且運(yùn)用成熟。因此，下面將按照現(xiàn)有的運(yùn)用狀體、技術(shù)水平以及智能化程度等介紹物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1.1 電源與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

電源與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是利用傳感器技術(shù)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備基礎(chǔ)信息、環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并可視化呈現(xiàn)的系統(tǒng)。它具有一整套完備的技術(shù)體系，主要設(shè)備有前端傳感器、信息采集器、傳輸鏈路、中心處理設(shè)備及客戶端。它的基本原理廣泛運(yùn)用于各系統(tǒng)，代表著鐵路通信專業(yè)是最早期的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，主要運(yùn)用于設(shè)備的運(yùn)維管理。某鐵路動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)用例，如圖1所示。

圖1 電源與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

電源與動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由監(jiān)控中心/監(jiān)控分中心、監(jiān)控站和監(jiān)控通道組成。監(jiān)控通道是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)控命令在通信站與通信中心之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，利用鐵路通信網(wǎng)，通常采用鐵路IP數(shù)據(jù)網(wǎng)或2M專線傳輸方式組網(wǎng)，并可組建多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即具有兩級(jí)或兩級(jí)以上監(jiān)控中心。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、復(fù)雜，支持大規(guī)模系統(tǒng)，主要由監(jiān)控中心、監(jiān)控分中心、監(jiān)控通道以及監(jiān)控站組成。

監(jiān)控站由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采集單元、監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、各種類型的傳感器和探測(cè)器組成，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采集單元是監(jiān)控站中的主要設(shè)備，由軟硬件一體化設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、分析和上報(bào)。前端傳感器及智能設(shè)備主要包括溫濕度傳感器、煙感、門(mén)磁、水浸（地濕）、紅外、玻璃破碎、蜂鳴器、控?zé)糸_(kāi)關(guān)、蓄電池組、開(kāi)關(guān)電源、UPS、空調(diào)和其他智能設(shè)備[3]。

圖2 監(jiān)控站的組成和結(jié)構(gòu)

圖3為典型通信機(jī)房動(dòng)力設(shè)備分布圖，主要設(shè)備包括工控機(jī)、計(jì)算機(jī)、傳輸交換、開(kāi)機(jī)關(guān)、開(kāi)機(jī)柜、蓄電池變壓器以及并機(jī)柜發(fā)電機(jī)組高壓配電等。通信機(jī)房的動(dòng)力設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)傳感器相連通，反饋所有采集的信息，從而為各類設(shè)備設(shè)施的監(jiān)控提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資料。

圖3 典型通信機(jī)房動(dòng)力設(shè)備分布圖

1.2 綜合視頻系統(tǒng)

綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路中應(yīng)用的前身為圖像與語(yǔ)言監(jiān)控系統(tǒng)，屬于安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。早期的圖像語(yǔ)言監(jiān)控系統(tǒng)由于帶寬及存儲(chǔ)設(shè)備的性能限制，存在圖像碼率小、圖片模糊、無(wú)夜視功能以及存儲(chǔ)時(shí)間短等問(wèn)題。隨著通信技術(shù)和存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)逐漸發(fā)展為大帶寬、高碼率、夜視功能完善、存儲(chǔ)時(shí)間滿足需求的綜合視頻系統(tǒng)，如圖4所示。它具有一整套完備的技術(shù)體系，主要有前端帶夜視功能的圖像采集器、傳感器、控制器、傳輸鏈路、車(chē)站存儲(chǔ)設(shè)備、中心處理設(shè)備及客戶端組成，主要應(yīng)用于外部環(huán)境的時(shí)時(shí)呈現(xiàn)、輔助決策與歷史突發(fā)時(shí)間的調(diào)查和取證。

1.3 異物侵限及防災(zāi)系統(tǒng)

異物侵限及防災(zāi)系統(tǒng)主要是對(duì)外部環(huán)境（風(fēng)、雨、雪、雷）及自然災(zāi)害（地震等）進(jìn)行感知，并將信息傳送至行車(chē)指揮部門(mén)，便于行車(chē)指揮部門(mén)及時(shí)制定科學(xué)合理的行車(chē)計(jì)劃，及時(shí)調(diào)整列車(chē)的開(kāi)行，主要由現(xiàn)場(chǎng)采集單元、車(chē)站信息處理設(shè)備、傳輸鏈路、中心處理設(shè)備及客戶端組成，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路中的最新運(yùn)用[4]。

2 現(xiàn)有鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在鐵路通信專業(yè)得到了快速部署與應(yīng)用，但就現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，還不能完全滿足智能化運(yùn)維的需要，還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求不斷對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn)。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在末端部署不夠靈活，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大、成本高

目前的物聯(lián)網(wǎng)視頻采集器、傳感器等終端設(shè)備的部署均采用有線通信作為基礎(chǔ)承載方式，未能實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，導(dǎo)致末端配套建設(shè)部署難度大、投資成本高，不利于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大面積推廣使用及技術(shù)融合。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在前端運(yùn)用功能還不完善，大量數(shù)據(jù)還停留在采集層面

鐵路通信專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要依靠視頻識(shí)別技術(shù)和傳感技術(shù)[5]，但從目前在用的綜合視頻系統(tǒng)、電源動(dòng)力環(huán)境與監(jiān)控系統(tǒng)、異物侵限及防災(zāi)系統(tǒng)來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)并未完全得到有效的處理應(yīng)用，存儲(chǔ)中的大量數(shù)據(jù)還是原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的有效價(jià)值未得到有針對(duì)性的挖掘開(kāi)發(fā)。

2.3 各物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，系統(tǒng)多，融合難度大

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)的目的是要充分發(fā)揮信息獲取與處理渠道，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，為科學(xué)決策與事故控制提供決策依據(jù)。其中，信息共享和系統(tǒng)融合是關(guān)鍵的一環(huán)，應(yīng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打破既有信息孤島，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能融合。目前，既有的鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，還未完成互聯(lián)互通與信息推送，系統(tǒng)多，融合難度大。

3 鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用后續(xù)探究

鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在運(yùn)用過(guò)程中會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)不適于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的情況，需要不斷改進(jìn)與完善，不斷推進(jìn)鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。基于鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用存在的問(wèn)題，后續(xù)研究應(yīng)主要重視以下幾個(gè)方面。

3.1 部署方面

結(jié)合大面積5G通信技術(shù)的部署應(yīng)用，應(yīng)以全新的視角研究通信物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，重點(diǎn)研究末端接入技術(shù)。下一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)以車(chē)站為核心，以便部署的無(wú)線鏈接方式接入鐵路專用通信網(wǎng)，降低建設(shè)與部署成本。

3.2 數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘

應(yīng)利用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)分析、貝葉斯等算法，結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行融合研究，形成智能運(yùn)維所需的各類技術(shù)手段，利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集各設(shè)備漸變數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，呈現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)，提高設(shè)備維護(hù)的精準(zhǔn)性與預(yù)見(jiàn)性，解決物聯(lián)網(wǎng)部署完成后作用發(fā)揮不徹底的問(wèn)題，從而推進(jìn)鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的深入。

3.3 推進(jìn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)互連互通、融合發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于信息的共享與處理。目前，鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層面相對(duì)獨(dú)立，可進(jìn)一步推進(jìn)綜合視頻系統(tǒng)、電源與動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)、異物侵限及防災(zāi)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的深度融合，形成遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，從而獲得比較準(zhǔn)確的通信設(shè)備狀態(tài)、鐵路線運(yùn)行狀態(tài)的信息，能夠在不同天氣、不同溫度下形成時(shí)時(shí)在線監(jiān)控，提升通信技術(shù)保障鐵路的運(yùn)輸能力，降低風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，保證運(yùn)輸安全。

4 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將對(duì)鐵路通信技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向起到引領(lǐng)作用，是鐵路通信維護(hù)智能化的主要技術(shù)手段。本文站在現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用者的角度，深度剖析目前鐵路通信行業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用技術(shù)中存在的問(wèn)題，并通過(guò)探討方式有針對(duì)性地提出后續(xù)應(yīng)用研究的方向，希望能夠不斷推進(jìn)技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不適應(yīng)問(wèn)題的解決，推動(dòng)鐵路通信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)向前發(fā)展。