吳任天

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，高級工程師 南寧 530029）

0 概述

在鐵路的日常運營和建設過程中，如發(fā)生突發(fā)事件或事故需要應急救援時，通信保障是應急指揮的關鍵。由于事故具有隨機性、突發(fā)性特點，救援現(xiàn)場的時間、地點、通信條件通常具有不確定性，尤其是一些突發(fā)事件或事故現(xiàn)場沒有公網或鐵路光纜，導致通信不暢甚至無法通信。在有線和無線通信無法工作的現(xiàn)場，采用衛(wèi)星通信，利用其具有的開通時間短、傳輸距離遠、網絡部署快、信道穩(wěn)定安全等優(yōu)點，可化解救援通信困難。本文介紹南寧局集團公司所研發(fā)的用于鐵路搶險救援的衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)及應用展望,旨在推動這方面的研究更加深入取得更大實效。

1 衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)研發(fā)方案

1.1采用多種視頻信號源為了使集團公司應急指揮中心（以下簡稱指揮中心）能全面、及時、準確了解救援現(xiàn)場情況，本衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）采用多種視頻信號源，包括無人機、便攜攝像機、運動攝像機、云臺攝像頭、全景攝像頭等多種設備進行圖像采集工作。由于現(xiàn)階段衛(wèi)星通信通道使用費昂貴，目前只租用2 M的帶寬。為了確保信號有序、穩(wěn)定、制式統(tǒng)一的傳輸?shù)綉敝笓]中心，需要將救援現(xiàn)場多路采集設備的音視頻信息進行整合，匹配圖像傳輸模塊，圖像壓縮優(yōu)化和編碼后轉換為統(tǒng)一的網絡信號，供集團公司指揮中心與現(xiàn)場溝通及決策。

1.2選用良好的基帶傳輸設備在設計系統(tǒng)方案時對國內外多家衛(wèi)星通信設備廠家，通過對傳輸體制、設備穩(wěn)定度、市場占有率等幾個方面進行考察和比選，確保性價比最優(yōu)；同時結合應急通信場景，選用以DSCPC傳輸體制（具備網絡管理、動態(tài)組網及按需動態(tài)分配帶寬等功能）為代表的ComtechEFData公司生產的衛(wèi)星設備作為所開發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基帶傳輸設備。在衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)過程中，考慮到衛(wèi)星頻率資源的靈活調度，同時兼顧通信數(shù)據(jù)安全，最終選用以鑫諾衛(wèi)星通信有限公司（中國衛(wèi)通集團有限公司旗下從事“天地一體”衛(wèi)星通信運營服務業(yè)務的核心專業(yè)子公司）北京關口站作為衛(wèi)星頻率資源控制主站，在集團公司自建衛(wèi)星通信業(yè)務主站，衛(wèi)星便攜站及業(yè)務主站通過北京關口站進行頻率分配，業(yè)務數(shù)據(jù)從衛(wèi)星便攜站直接通過衛(wèi)星傳輸至南寧業(yè)務主站，即實現(xiàn)了頻率分配的自動化，同時也保證了數(shù)據(jù)傳輸安全。

1.3實現(xiàn)系統(tǒng)安全便捷實用設計預期衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)設計目標包括：軟件硬件安全可靠、設備小型便攜、運用部署迅捷和信號傳輸流暢等實用效果：如體現(xiàn)在指揮中心大屏幕能清晰顯示救援現(xiàn)場即時信息，包括視頻（單兵、無人機、專業(yè)運動相機、云臺攝像機等回傳的實時視頻信號）、圖片、現(xiàn)場全景；具有語音單向廣播和雙向對講功能作用良好，下情反饋和指令下達渠道暢通。衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)構成見 圖1，衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)信號流程圖見圖2。

圖1 衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)構成

圖2 衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)信號流程

2 系統(tǒng)主要設備與功能

1）指揮中心衛(wèi)星業(yè)務主站和救援現(xiàn)場的衛(wèi)星便攜站。設備包括衛(wèi)星天線、調制解調器和網絡設備等。

2）移動單兵背包。單兵背包由攝像機、編碼器、移動電源、無線網橋、拾音器、耳機、多媒體面板、帶LED燈的自鎖開關等組成，具有拍攝并上傳現(xiàn)場實時視頻、與指揮中心對話等功能。

3）無人機。系統(tǒng)采用大疆（DJI）精靈Phantom4無人機（見圖3），可從高空拍攝應急救援現(xiàn)場即時全景，通過遙控器輸出模組，使得無人機拍攝的畫面既可以在與遙控器相連接的手機上查看，又能把畫面輸出到視頻編碼器向指揮中心傳輸。此外，運用無人機上的相機拍攝不受救援處所地形地貌影響，拍攝效果效率高質量好，對鐵路山區(qū)地段事故、災害救援優(yōu)勢尤為突出。

圖3 無人機

4）全景相機。系統(tǒng)采用便攜式帶USB接口的球形小重量的全景攝像頭（見圖4）。將該攝像頭插入到安卓智能手機，然后通過全景拍照app進行拍照，即可得到一張360°全景圖像。

圖4 USB全景相機

5）無線網橋。為保證救援現(xiàn)場能接收各路視頻信號，系統(tǒng)選用性價比較高的5.8 GHz頻段無線網橋（見圖5），將現(xiàn)場設備進行組網。該網橋采用802.11 N技術和2×2兩發(fā)兩收無線架構，支持空中速率高達300 Mbps，滿足高帶寬需求的回程傳輸，四收四發(fā)空中速率可達600 Mbps；兼容802.11 an協(xié)議，采用OFDM調制及MINO技術，支持點對點（PTP）和點對多點（PTMP）的網絡結構。采用無線網橋后，可以在長達50 km的距離上實現(xiàn)點對點或者點對多點網絡連接，數(shù)據(jù)傳輸速度高達108 Mbps。能有效解決區(qū)間的網絡聯(lián)通問題,只要在無線信號覆蓋區(qū)域內，客戶端可以方便地接入網絡，融合系統(tǒng),不需要任何布線，無線終端可以實現(xiàn)零配置接入，較好滿足救援現(xiàn)場和指揮中心之間視頻傳輸需要。

圖4 無線網橋

6）采用具有HDMI輸出的攝像設備。通過采用編碼器將前端攝像機、拾音器采集到的音視頻信號經過壓縮編碼轉換為網絡信號，和在網絡帶寬有限的情況下，計算探索音頻、視頻、圖片能有效傳輸時所需使用的最低帶寬，確保將高清視頻和音頻實時流暢的傳輸?shù)街笓]中心。

7）現(xiàn)場服務器軟件?，F(xiàn)場服務器主要軟件功能（界面如圖6），監(jiān)視現(xiàn)場各路視頻圖像和各視頻采集設備的狀態(tài)，并將各視頻圖像截圖保存并發(fā)布，指揮中心的客戶端可通過衛(wèi)星通道遠程瀏覽各種視頻載圖。當服務器軟件接收來自全景攝像手機發(fā)來的全景圖像時會立刻進行矯正處理并發(fā)送到指揮中心的客戶端中。

圖6 現(xiàn)場服務器操作和顯示界面

8）指揮中心系統(tǒng)軟件。其功能有：視頻預覽、加載截圖、廣播、語音對講、云臺控制、全景瀏覽等。由于租用衛(wèi)星通道帶寬有限（現(xiàn)階段為2 M），若同時多路視頻信號會有通道堵塞，導致卡頓、顯示不清晰等現(xiàn)象發(fā)生，而增加帶寬所需費用將會陡增。因此，綜合考慮經濟效益和系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)經過多次測試，最終采用只實時顯示1路視頻信號、其余各路顯示截圖的方式；各路視頻信號可隨時任意切換，截圖5 s加載一張，加載間隔和地址可通過設置更改，與現(xiàn)場服務器系統(tǒng)同步。這樣既保證視頻信號流暢、清晰，又確保指揮中心能通過切換視頻和截圖看到救援現(xiàn)場情況。

3 系統(tǒng)測試試用效果

本文介紹的主要應用于鐵路事故、災害救援的衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)，目前已由南寧局集團公司科研所開發(fā)完畢并進行了測試和試用。從系統(tǒng)測試和試用情況看，系統(tǒng)在鐵路沿線平原、丘陵和山區(qū)無通信信號地帶，均能通過便攜衛(wèi)星基站，順暢傳輸視頻、語音信號，較好達到了安全、便捷、可靠、實用設計預期，有效解決了鐵路運輸、自然災害搶險救援通訊不暢難題，為縮短救援時間，減少事故、災害損失，提升運輸效率，提供了新的技術保障。

4 結束語

由于衛(wèi)星通信通道資源稀缺、使用價格昂貴，南寧局集團公司正在克服各種困難，力爭早日正式投入使用。筆者相信，隨著我國衛(wèi)星通信的發(fā)展和通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的增加，以及5G通信衛(wèi)星的試驗成功，衛(wèi)星通道資源的增加和使用價格的降低，衛(wèi)星通信系統(tǒng)所具有的靈活便攜優(yōu)勢，將被更多的企業(yè)所認可和追捧，具有無比廣闊的應用前景。