鐵路專用線融合通信系統應用研究

張 宇，王 莉

（廣東省鐵路規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510030）

0 引 言

隨著5G技術的推廣與普及，5G逐步在鐵路運輸領域開展應用，潛移默化地影響著鐵路運輸的生產作業、運轉乘降、安全管理等多個方面。5G與大數據、云計算、物聯網以及人工智能等密不可分，利用5G的大帶寬、低時延、廣連接等特點可以實現對鐵路專用線接入的各類通信資源的整合，通過融合通信系統實現無縫銜接和信息交互共享。此外，還能提供基于流程的聯動調度操作、場景化應用、一鍵處置以及多業務聯動，為行車調度、生產調度、應急救援等多部門協同工作提供高效指揮工具，共同為業務部門服務。

1 鐵路調度通信系統國內外研究現狀

鐵路調度通信系統分為有線調度通信系統與無線調度通信系統，當前鐵路有線調度通信以固定用戶接入交換機（Frxed user Access Switching，FAS）數字調度通信產品為主。為了滿足鐵路綜合數字移動通信系統（Global System for Mobile communications-Railway，GSM-R）無線通信系統下的各種調度業務與功能的需求，國內研發并應用了數字調度通信FAS系統[1]。數字調度通信FAS系統是原有數調系統產品的升級換代，為GSM-R系統中的固定用戶提供接入條件。局端FAS調度系統能夠實現全數字無阻塞電路交換，同時兼容原有的數字共線、點對點、點對多點以及固定接續業務等。采用觸摸式調度臺，增加了功能號碼顯示、呼叫列車功能號碼的功能，支持對固定用戶或移動用戶的單呼、全呼、會議以及廣播等。通過研究智能富媒體調度系統，建立集語音、圖像、數據等富媒體信息為一體的新型調度通信方式，賦能城軌智能調度。

國際鐵路聯盟明確了有線、無線調度通信系統的屬性和性能要求，以歐盟體系標準為主的鐵路建設實現了技術上的穩步提升，但是該階段的調度通信技術仍以窄帶語音通信為主。2017年，德國鐵路DB網絡公司提出以IP多媒體系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）為主要技術對有線調度通信和GSM-R無線調度通信設備進行迭代更新，利用新的調度系統實現富媒體調度通信，實現調度員與車站值班員的可視通信[2,3]。

2 鐵路調度通信系統概述

鐵路調度通信系統根據時間的推移可分為5種，具體如下。一是模擬調度系統，采用模擬通信技術，主要提供語音業務；二是數字調度通信、模擬無線通信系統，采用數字有線、模擬無線通信技術，支持語音、調度等業務的傳送；三是窄帶移動通信系統，采用窄帶數字移動通信技術，以語音業務為主，能夠實現調度命令、列控數據業務的傳送功能；四是智能調度通信系統，利用IMS-R作為控制核心，采用寬帶移動通信、IPv6以及云計算等技術，能夠實現固定及移動結合、公網及專網結合、定位及業務融合等功能，具備在大數據背景下的語音、視頻分析能力；五是智慧調度系統，充分應用人工智能、物聯網、云計算以及大數據等先進技術，能夠對信息進行感知分析并對智能業務進行控制，最終達到智慧決策和執行的目的[2,4]。

鐵路綜合調度系統總體架構可分為業務應用、基礎平臺以及智能終端3部分。其中，業務部分可分為行車調度、視頻監控、電話交換、應急通信、隧道電話以及視頻會議等。基礎平臺包括核心處理單元與基本單元兩部分，核心處理單元主要實現語音呼叫、視頻呼叫、視頻監控、集群對講、即時消息、視頻會議、顯示控制、語音識別、圖像識別、位置定位、狀態呈現、視頻分析以及設備管理等，基本單元主要實現呼叫控制、媒體處理、業務處理、錄音錄像以及維護管理等。智能終端分為硬件終端和軟件系統，其中硬件終端包括手持臺、車載臺、會議終端、應急單兵以及攝像機等，軟件系統包括Windows、Linux等。鐵路綜合調度系統利用各類智能終端進行數據采集，通過基礎平臺的運算處理實現多種業務的功能呈現和鐵路的通信調度。

3 鐵路專用線發展現狀

鐵路專用線作為鐵路運輸網的組成部分，承擔了大量物資的輸送與轉運，在集中接駁、提高鐵路運輸效率等方面起到了關鍵作用。國內專用線建設緊密結合經濟發展需要和市場需求，相關政府部門和鐵路企業牽頭建立對接工作機制，根據運量、基礎環境等對接大型企業和新建物流園區的鐵路專用線建設需求。在區域空間方面，圍繞沿海開放型經濟和長江經濟帶等區域發展戰略，加強沿海和主要港口的鐵路專用線建設。在具體運營服務方面，鐵路企業加強主動服務理念，結合專用線需求特點對運輸組織及服務流程進行改進，制定針對性的運輸計劃和全程物流方案，降低運營支出，提高服務效率和質量。

4 鐵路專用線通信系統應用需求

鐵路專用線通信系統主要提供運營指揮的語音、數據及圖像業務，包括傳輸及接入網、數據通信、GSM-R移動通信、電話交換、數字調度通信、視頻監控、專用應急通信、電源及環境監控、同步及時鐘分配以及通信線路等子系統。各系統相互獨立，存在信息孤島，無法通過一個融合平臺實現多業務調度。根據“穩增長”的形勢趨向，全國地方鐵路建設開始密集開工，大部分鐵路專用線為地方鐵路建設，地方政府、企業成為主力軍，管理模式趨向于建設、運營、管理一體化，這對于鐵路專用線的通信系統融合有了新的需求。通過建立獨立的指揮調度中心，實現鐵路專用線的自管自營，同時能夠合理控制建設成本和運營投入，利用新技術、新標準實現業務創新應用，提升運營效率。

鐵路專用線現有調度通信只能實現簡單的語音調度，在實際運行中指揮調度技術落后，且通信各子系統相互獨立，極大地制約著綜合指揮調度的效率。總的來說，綜合指揮調度系統存在以下問題。

（1）通信技術滯后，通信質量不高。當前通信業務系統各技術制式并存，既有基本時分復用（Time-Division Multiplexing，TDM）技術的音頻通信，也有模擬對講系統，通信效果不一，無法達到高保真音質、流暢高清視頻的通信質量，通信信息的有效性得不到保證。

（2）業務系統相互獨立，無法融合，信息難以共享、交互，關鍵事件處置時效差。國內通信信息化建設如火如荼，通信業務部門都在著手建設語音調度系統、語音/視頻會議系統、視頻監控系統、地理信息系統以及應急通信系統等，但是各系統存在信息孤島，無法高效互聯，使得工作效率難以提升。將通信技術和信息技術無縫融合，解決行車調度、辦公電話、應急通信、視頻監控以及無線通信等通信系統獨立建設、信息交互難、指揮調度效率低、操作不便等問題已迫在眉睫。

（3）指揮調度功能簡單，不能滿足現階段的需求。現階段指揮調度通信功能復雜程度低，實現的功能包括撥號呼叫、對講呼叫、強插以及強拆等，無法滿足當今時代對指揮調度通信的要求，如視頻聯動調度、3D實景調度、短信調度以及應急業務系統聯動調度等。

運用云計算、大數據、物聯網、4G/5G移動通信以及人工智能等先進技術賦予富媒體通信系統更多的智能化業務擴展應用。例如，利用云計算、大數據和人工智能等技術，借助前端采集設備監測調度中心調度員、車站值班人員、作業人員的崗位狀態，對離崗/盹睡、玩手機、不合規跨鐵路線、區域非法入侵及越界、超范圍作業、違章上道以及路外施工等危害鐵路線路的不安全狀況進行智能識別和實時告警，將多場景安全監控策略有機融合視頻數據形成一個充分共享數據價值的智能分析系統，實現運輸安全的規范化、流程化、精細化以及智能化管理。

5 融合通信系統關鍵技術及研究方法

5.1 融合通信系統關鍵技術

將富媒體通信系統進行整合，能夠實現對多種通信能力和視頻監控的進一步融合。通過一套融合通信系統即可簡單、高效地完成復雜的指揮調度工作，既減少了人力成本，又提高了工作效率。融合通信平臺采用IMS架構，核心網具有業務無關性，具有極強的業務擴展和升級能力，在保護原有投資的前提下用最小的代價擴展新的業務。融合通信平臺支持軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）/應用程序接口（Application Programming Interface，API），可為地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺和其他業務系統提供通信能力，節省GIS平臺和其他業務系統獨立建設通信業務的投資，并且集成部署易于整體的維護管理。

可伸縮視頻編碼技術能夠通過一次編碼實現若干幀率、分辨率以及質量的視頻組合，通過抽取任意組合的碼流進行解碼進而實現播放或傳輸。在發送的視頻流信息中，按照某種規則加上一定的冗余位構成冗余碼字，在接收端接收到碼字后通過解碼可以自動糾正傳輸誤碼，減少了重傳請求及等待延遲的問題。對網絡帶寬進行主動探測，采用Probing及Pacing技術周期性地對實時網絡帶寬進行探測，并將探測結果通過接收端帶寬評估及反饋機制反饋給發送端，自適應調整碼率適應網絡帶寬。視頻在網絡丟包率20%的情況下，采用SVC+前向糾錯+丟包重傳算法等技術手段，實現視頻不卡頓、不花屏；音頻在網絡丟包率50%的情況下，自動降低編碼率，實現正常的通話。

5.2 融合通信系統研究方法

融合通信系統以軟件開發為主，軟件開發實施擬采用敏捷開發方式。在專用線鐵路通信總體規劃指導下開展該項目的設計；按照《專用線鐵路通信總體架構》等相關標準及要求，進行多媒體通話通信系統的建設；以深度開發利用企業通信資源為目標，融合專用線鐵路其他通信系統，及時滿足融合通信的需求；進行統一標準、統一規劃的融合通信平臺建設，可以規范統一的業務流程、技術規程和管理手段，保障安全，也將提高系統的穩定性及可持續性。

6 鐵路專用線融合通信系統

利用富媒體融合通信應用、IMS架構及超高清音視頻網絡適應性技術，充分結合5G技術對既有鐵路專用線通信系統進行改進，形成鐵路專用線融合通信系統。鐵路專用線融合通信系統能夠實現鐵路專用線行車調度、辦公電話、應急通信以及視頻監控等系統合一，減少新建線專用系統建設成本和后續系統的維護成本。融合通信系統采用基于IMS的可擴展系統架構，依照3GPP標準統籌設計與開發，綜合了通信技術和IT的優點，實現業務與承載的分離，融合視頻、語音、數據等業務，承載調度、應急、辦公等IP寬帶業務。融合通信系統擁有電信級網絡服務能力、快速高效的部署方式、成熟完善的安全機制、多業務統一融合以及靈活定制的應用擴展能力，通過高保真音質、高清化視頻、全程可視化操控，依托北斗高精度定位技術、GIS技術以及人工智能技術，帶來了全新的應用場景，賦能行業應用，開啟一個全新的智能化調度通信時代。

智能調度指揮發展目標是整合、交換和共享業務系統間的信息資源，實現動態調度、智能協同、快速應急處置，使路網整體行車調度效率達到最優。調度指揮相關業務的IP化有助于實現業務融合、信息共享、數據分析以及輔助調度，分組化建設趨勢促使鐵路傳統的調度通信、會議電視、視頻監控必然向IP化發展。

鐵路專用線融合通信系統通過通信資源的整合實現鐵路專用線行車調度、辦公電話、應急通信、視頻監控、無線通信以及運營維護等相關分立通信系統的接入，統一接口標準，納入統一平臺，降低建設成本與運營維護成本。鐵路專用線融合通信系統對接入及新建的各通信資源整合，提供基于流程的聯動調度操作，為構建鐵路專用線運輸安全保障體系奠定堅實的基礎。通過將先進的信息化技術手段與鐵路運輸日常管理相結合，能有效提升鐵路日常管理的科學性和精細化水平。

7 結 論

在5G時代下，鐵路專用線融合通信系統是提升管理效率的重要基礎，也是時代發展的要求。通過融合通信對鐵路專用線行車調度、辦公電話、應急通信以及視頻監控等專用通信子系統進行整合，實現減員增效，進一步推動鐵路專用線朝著建設、運營、管理一體化的方向高速發展。