孫遠(yuǎn)運(yùn)，施衛(wèi)忠，何為，汪涵，樂建煒，吳寧

（1. 中國(guó)鐵路信息科技有限責(zé)任公司，北京 100844；2. 中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

1 鐵路防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)

我國(guó)鐵路具有線長(zhǎng)、點(diǎn)多、面廣，野外地理地質(zhì)、氣候復(fù)雜多變等特點(diǎn)，若不能及時(shí)掌握沿線各重要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的災(zāi)害預(yù)警信息，必將影響提前防范或?yàn)?zāi)后補(bǔ)救工作，給鐵路運(yùn)輸帶來極大安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

鐵路防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)主要針對(duì)危及鐵路運(yùn)行安全的自然災(zāi)害（風(fēng)、雨、雪、地震）、異物侵限等進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備層、基站層、鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)中心層等構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備層為數(shù)據(jù)采集層，主要完成對(duì)風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[1]?；緦訛榛痉罏?zāi)監(jiān)控單元，主要承擔(dān)對(duì)采集、解析、處理數(shù)據(jù)的匯集傳輸。鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)中心層接收傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析，將結(jié)果發(fā)送到調(diào)度中心防災(zāi)終端[2]。通常情況下，數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)通過電氣化局鋪設(shè)的專用電纜、光纖等線纜，基于RS485或RS232協(xié)議，將原始數(shù)據(jù)匯集并傳送至通信基站，交由監(jiān)控單元處理。監(jiān)控單元將匯集的原始數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的地址空間，通過通信段預(yù)留的TCP/IP通信端口，將數(shù)據(jù)匯集至信號(hào)塔，使用2M帶寬GSM-R網(wǎng)絡(luò)[3]將數(shù)據(jù)發(fā)送匯集至鐵路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)中心。但在野外偏僻地域，GSM-R網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量變差，影響數(shù)據(jù)的傳輸。在此，將衛(wèi)星通信與鐵路現(xiàn)有通信方式相結(jié)合，構(gòu)建鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)的全天候無盲區(qū)通信。

2 鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能與構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)功能

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有快速定位、短報(bào)文通信和精密授時(shí)三大功能，鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)利用其快速定位和短報(bào)文通信功能，作為鐵路防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收與上傳，保證系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠快速地傳輸，其功能結(jié)構(gòu)見圖1。

在鐵路沿線各災(zāi)害易發(fā)多發(fā)點(diǎn)安裝諸如沉降、滑坡、泥石流、塌陷等智能一體化傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備，北斗自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)終端的內(nèi)置芯片會(huì)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星鏈路傳送至北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的地面主控站，并經(jīng)由主控站傳送至鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的北斗數(shù)據(jù)接收端。從而保證在沒有GPRS/3G/4G的野外偏僻地域現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳送并及時(shí)預(yù)警。經(jīng)過處理的衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)由鐵路北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入全路的數(shù)據(jù)高速網(wǎng)絡(luò)TMIS進(jìn)行傳輸[4]。在移動(dòng)信號(hào)覆蓋區(qū)域，系統(tǒng)將優(yōu)先選擇GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸模式。

圖1 鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)核心構(gòu)成

鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)由鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備、北斗數(shù)據(jù)網(wǎng)與TMIS網(wǎng)間的雙向數(shù)據(jù)交換平臺(tái)2個(gè)核心部分構(gòu)成。

2.2.1 鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備

鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備是自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)終端與鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)主服務(wù)器間的無線信息傳輸通道，經(jīng)過課題組的定制研發(fā)，它同時(shí)具備無線網(wǎng)絡(luò)通信接口和北斗短報(bào)文接口。而且鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備具備實(shí)時(shí)定位功能，可實(shí)時(shí)對(duì)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)進(jìn)行定位，通過數(shù)據(jù)通信接口將定位信息報(bào)告到主服務(wù)器，告知當(dāng)前自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)位置。

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

圖2 鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備結(jié)構(gòu)

（1）電源管理單元：為自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)終端各單元提供所需要的電源[5]。

（2）信息采集單元：設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)發(fā)送至主控單元。

（3）主控單元：接收自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)及定位信息，進(jìn)行格式化并壓縮，通過無線網(wǎng)絡(luò)通道或北斗短報(bào)文通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（4）無線網(wǎng)絡(luò)通信單元：設(shè)計(jì)WLAN、GPRS（或3G）等無線網(wǎng)絡(luò)通信組件，可彌補(bǔ)北斗短報(bào)文通信間隔長(zhǎng)、通信數(shù)據(jù)量小的缺陷。

（5）北斗單元：包括北斗定位及北斗短報(bào)文組件，分別實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)位置和惡劣工作環(huán)境下與地面服務(wù)器間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

（6）記錄單元：偵聽內(nèi)部總線信息，實(shí)時(shí)記錄信息并導(dǎo)入轉(zhuǎn)儲(chǔ)器中，進(jìn)行離線數(shù)據(jù)分析。

2.2.2 北斗數(shù)據(jù)網(wǎng)與鐵路綜合IT網(wǎng)（TMIS網(wǎng)）的雙向數(shù)據(jù)交換平臺(tái)

北斗衛(wèi)星通信以覆蓋范圍大、靈活可靠的特點(diǎn)彌補(bǔ)了地面移動(dòng)通信的不足[6]，但同時(shí)也具有傳輸時(shí)延長(zhǎng)（500～800 ms）、報(bào)文長(zhǎng)度有限、通信費(fèi)用高等缺點(diǎn)。因此，在移動(dòng)信號(hào)覆蓋區(qū)域還是優(yōu)先采用GPRS/3G/4G或光纜等通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]。各種通信方式對(duì)比見表1。

表 1 各種通信方式對(duì)比

在此，北斗數(shù)據(jù)網(wǎng)與TMIS網(wǎng)的雙向數(shù)據(jù)交換平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星報(bào)文數(shù)據(jù)格式與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)格式的互換，從而可利用鐵路現(xiàn)有成熟的TMIS網(wǎng)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，在北斗衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接通道上做出了創(chuàng)新和探索[8]。北斗數(shù)據(jù)網(wǎng)與TMIS網(wǎng)雙向數(shù)據(jù)交換平臺(tái)交換的數(shù)據(jù)除北斗短報(bào)文數(shù)據(jù)以外，還包括現(xiàn)場(chǎng)終端通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)。以北斗報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸為例，與TMIS網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互流程見圖3。

圖3 北斗報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)入鐵路綜合IT網(wǎng)（TMIS網(wǎng)）流程

3 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 改造北斗報(bào)文傳輸質(zhì)量

鐵路行業(yè)應(yīng)用需要可靠的通信鏈路，普通的北斗衛(wèi)星短報(bào)文終端通信成功率低，一般為90%左右；發(fā)送頻次低，一般為60 s/次；數(shù)據(jù)包長(zhǎng)有限，一般有效字節(jié)數(shù)量為78 Byte/包，不能充分滿足鐵路行業(yè)的應(yīng)用需求[9]。課題組研制了適用于軌道交通沿線安全監(jiān)測(cè)的北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信終端，并在以下方面做出改進(jìn)：

（1）通過報(bào)文校驗(yàn)機(jī)制檢驗(yàn)丟包并觸發(fā)重發(fā)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)高成功率傳輸。目前可通過2種方式實(shí)現(xiàn)丟包檢測(cè)：一種是發(fā)送方等待接受方的反饋超時(shí)，另一種是通過報(bào)文編碼檢測(cè)，接收方主動(dòng)向發(fā)送方請(qǐng)求重發(fā)丟包的數(shù)據(jù)報(bào)文。在此，2種方式同時(shí)采用，并通過控制系統(tǒng)對(duì)其實(shí)時(shí)切換[10]。以后一種方式為例，設(shè)計(jì)流程見圖4。

（2）通過多卡切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高頻次短報(bào)文發(fā)送，以滿足高頻次的應(yīng)急應(yīng)用場(chǎng)景。通過控制單元以定時(shí)切換的方式實(shí)現(xiàn)1個(gè)北斗通信模塊與多張北斗SIM卡的協(xié)同工作，使專用設(shè)備滿足高頻次北斗短報(bào)文通信的功能；通過發(fā)送控制策略實(shí)現(xiàn)多卡通信的負(fù)載均衡。

圖4 丟包檢測(cè)及觸發(fā)重發(fā)的設(shè)計(jì)流程

（3）通過自動(dòng)拆包組包技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文的透明傳輸。通過自定義報(bào)文協(xié)議，將長(zhǎng)報(bào)文分成多條短報(bào)文，并為短報(bào)文分配序號(hào)，然后逐條獨(dú)立發(fā)送；接收終端接收后再根據(jù)分包序號(hào)將各短報(bào)文組成長(zhǎng)報(bào)文輸出。

3.2 短報(bào)文模塊設(shè)計(jì)

短報(bào)文模塊結(jié)構(gòu)見圖5，短報(bào)文模塊硬件見圖6。模塊供電采用低功耗設(shè)計(jì)，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(shí)，關(guān)閉電池供電，+5 V斷電后首先關(guān)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(shù)據(jù)網(wǎng)與TMIS網(wǎng)間的雙向數(shù)據(jù)交換平臺(tái)

衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)通信之間有著天然的屏障，為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)藉由該平臺(tái)的雙向互傳，研究并解決2個(gè)問題：（1）北斗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入TMIS網(wǎng)的通信技術(shù)；（2）TMIS網(wǎng)內(nèi)下發(fā)的遙測(cè)指令和應(yīng)急指揮消息進(jìn)入北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的通信技術(shù)。

根據(jù)鐵路應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)完成滿足行業(yè)需求的北斗終端技術(shù)方案。由于北斗數(shù)據(jù)的獲取和訪問是與特定的北斗硬件設(shè)備終端綁定在一起的，因此，根據(jù)選定的北斗終端設(shè)備的描述與分析及其數(shù)據(jù)接入、通信和傳輸細(xì)節(jié)，通過自定義通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式等完成北斗數(shù)據(jù)訪問的定制性開發(fā)。

數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的核心是通信服務(wù)器的設(shè)計(jì)，通信服務(wù)器的傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制采用TCP/IP協(xié)議，通過socket套接字進(jìn)行傳輸，保證數(shù)據(jù)指令不丟包。協(xié)議的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)由同步頭、數(shù)據(jù)信息、CRC校驗(yàn)位組成。同步頭占用12 bit，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)幀起始位的同步判斷、標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包種類；數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)度由不同數(shù)據(jù)包決定；CRC校驗(yàn)碼占用12 bit，用于保證數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性和有效性[11]。

通信服務(wù)器作為傳輸中繼服務(wù)器，完成IP數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)接收到的來自智能監(jiān)測(cè)終端和TMIS的數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行分析、備份、存儲(chǔ)，對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的原業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行重新編制處理，使之成為普通計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以傳輸和解釋的形式，以便系統(tǒng)用戶對(duì)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)的解析和利用，實(shí)現(xiàn)北斗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和TMIS網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

4 功能測(cè)試結(jié)果

針對(duì)鐵路北斗衛(wèi)星專用通信設(shè)備，測(cè)試其短報(bào)文通信和4G網(wǎng)絡(luò)通信功能。

4.1 短報(bào)文測(cè)試

測(cè)試模式：自發(fā)自收。

供電方式：可編程直流電源PWS4305，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，從可編程直流電源顯示面板觀察有無輸出電壓被拉低現(xiàn)象。

（1）供電電壓：5 V；限流電流：5.0 A；數(shù)據(jù)發(fā)送成功率100%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：22；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：22）。

（2）供電電壓：5 V；限流電流：2.0 A；數(shù)據(jù)發(fā)送成功率0%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為：3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：6；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：0。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(shù)據(jù)發(fā)送成功率100%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為：3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：22；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：22）。

（4）供電電壓：5 V；限流電流：2.75 A；數(shù)據(jù)發(fā)送成功率96%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：25；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：24）。

圖5 短報(bào)文模塊結(jié)構(gòu)

圖6 短報(bào)文模塊硬件

（5）供電電壓：5 V；限制電流：2.375 A；數(shù)據(jù)發(fā)送成功率0%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為：3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：8；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：0。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，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(shù)據(jù)發(fā)送成功率36.73%（信號(hào)強(qiáng)度：4個(gè)波束信號(hào)，強(qiáng)度分別為3、1、3、4；數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)：49；數(shù)據(jù)接收次數(shù)：18）。

測(cè)試軟件界面見圖7。

圖7 測(cè)試軟件界面

4.2 4G網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)回傳位置數(shù)據(jù)到后臺(tái)服務(wù)器，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、功能正常?；貍鹘?jīng)緯度數(shù)據(jù)及某一經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的地理位置分別見圖8、圖9。

圖8 后臺(tái)接收的位置數(shù)據(jù)

圖9 經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的地理位置

5 結(jié)束語

大量安裝于鐵路沿線的移動(dòng)裝備和監(jiān)測(cè)設(shè)施的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能否及時(shí)回傳關(guān)系到鐵路防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)的成敗，北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信功能是應(yīng)對(duì)鐵路沿線復(fù)雜多變地質(zhì)氣候條件的最佳解決方案[12]。鐵路北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)依托北斗衛(wèi)星的高精度定位和短報(bào)文通信服務(wù)構(gòu)建，不受溫度、氣候等自然環(huán)境影響，能夠在野外環(huán)境、惡劣氣候條件、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，為鐵路部門提供穩(wěn)定、可靠、低成本的衛(wèi)星通信服務(wù)，同時(shí)又充分利用了鐵路現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和資源，以提高效率、節(jié)約成本。該科研成果的應(yīng)用和推廣，將全面替代GPS在我國(guó)鐵路行業(yè)的壟斷地位，避免GPS帶來的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，滿足鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩孕枨蟆?/p>