夏珊珊

（湖南工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

PIS系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)中，能夠為乘客提供信息服務(wù)，同時為地面服務(wù)中心提供實時的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，作為事故處理憑據(jù)。隨著軌道交通信息化、智慧化程度的加深，PIS系統(tǒng)中主要傳輸?shù)耐且郧д鬃止?jié)為單位的視頻數(shù)據(jù)文件，通過傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻文件要耗費許多時間，無法及時傳遞信息。5G移動通信可與智能建造、智慧車站等八種城軌業(yè)務(wù)相結(jié)合?；诖?，本文設(shè)計的PIS系統(tǒng)中利用5G傳輸通道進行文件傳輸，以提高文件傳輸?shù)乃俣?，實現(xiàn)文件的車地傳輸。本方案能有效解決視頻等大數(shù)據(jù)文件傳輸速度慢的問題。

1 總體方案

現(xiàn)有PIS系統(tǒng)可以分為總控制系統(tǒng)、站點系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和車廂內(nèi)系統(tǒng)四個部分，具有視頻監(jiān)控、列車廣播、OCC廣播、自動報站、視頻顯示等功能。文件數(shù)據(jù)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)（遵循IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，理論上可以得到1 Gb/s的傳輸速率，但對硬件要求較高）和LTE承載網(wǎng)進行傳輸。

基于5G的PIS文件傳輸方案包括車載和地面兩個部分。車載部分由OCS智能運維主機（以下簡稱OCS）、車載PIS系統(tǒng)（帶顯示屏）、地面PIS系統(tǒng)車載設(shè)備（以下簡稱地面PIS設(shè)備）和車載5G天線構(gòu)成，地面部分由高速轉(zhuǎn)儲服務(wù)器、地面PIS中心和地面天線組成。其中，通過OCS、高速轉(zhuǎn)儲服務(wù)器和天線共同完成PIS視頻文件和其他車載數(shù)據(jù)文件的傳輸任務(wù)。由于各個PIS廠商提供的PIS設(shè)備不同，為提高方案的普適性，將高速轉(zhuǎn)儲服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹皹蛄骸?，?shù)據(jù)經(jīng)高速轉(zhuǎn)儲服務(wù)器后再發(fā)往OCS或地面核心交換機；地面PIS設(shè)備緩存由OCS轉(zhuǎn)發(fā)的地面PIS中心發(fā)布的視頻文件；車載PIS系統(tǒng)獲取地面PIS設(shè)備的視頻文件并通過顯示屏進行播放，通過OCS實現(xiàn)監(jiān)控視頻落地。本方案可實現(xiàn)車載PIS視頻傳輸、視頻點播、監(jiān)控視頻自動落地等功能。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

實時監(jiān)控視頻由車載PIS主機推送給OCS，通過5G通道傳輸?shù)降孛妗Ｎ募蟼鲿r，車載PIS系統(tǒng)每隔10 min向OCS推送視頻文件，一個文件約200 MB，暫時存入OCS主機自帶的數(shù)據(jù)存儲硬盤中；OCS在具備傳輸條件時，自動向高速轉(zhuǎn)儲服務(wù)器傳輸文件，轉(zhuǎn)儲服務(wù)器通過以太網(wǎng)線與PIS中心相連，從而將文件傳輸至PIS中心。文件下載時，PIS中心先將播表、視頻文件等發(fā)送至轉(zhuǎn)儲服務(wù)器，再由轉(zhuǎn)儲服務(wù)器發(fā)送至OCS主機暫存；同時，OCS主機將收到的視頻文件數(shù)據(jù)發(fā)送至地面PIS設(shè)備，地面PIS設(shè)備通過AUDIO/VGA/485將視頻數(shù)據(jù)發(fā)至車載PIS系統(tǒng)，最后通過顯示屏播放。

2 文件傳輸方案具體設(shè)計

OCS相當(dāng)于“數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站”，采用多線程技術(shù)，可同時進行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，開啟多條數(shù)據(jù)傳輸線程，提高傳輸速度。傳輸過程中，OCS向地面服務(wù)器發(fā)送心跳報文，通過接收地面服務(wù)器的廣播報文判斷傳輸鏈路是否中斷。

2.1 傳輸準(zhǔn)備

車載數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示，OCS主機處理來自地面和車載兩端的數(shù)據(jù)。在具備傳輸條件時（即OCS主機成功登錄地面服務(wù)器，心跳報文正常，5G鏈路通暢），自動將列車運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，并且根據(jù)地面服務(wù)器發(fā)來的不同指令完成相應(yīng)操作。

圖2 車載數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

OCS主機開機啟動后會遍歷一次主機上的文件，按時間刪除舊文件，加載新產(chǎn)生的文件，監(jiān)聽數(shù)據(jù)收發(fā)端口，隨時處理接收到的數(shù)據(jù)。接收到車載PIS的視頻數(shù)據(jù)和TCMS監(jiān)控數(shù)據(jù)等需要落地的數(shù)據(jù)后，將其加入到上傳隊列，再由上傳線程傳輸?shù)降孛?。?dāng)接收到轉(zhuǎn)儲服務(wù)器數(shù)據(jù)時，首先判斷指令類型，若是播表發(fā)布指令，則解析報文中的文件路徑、文件名、用戶名、密碼等信息，從指定目錄下載視頻文件；若是反饋指令，則向地面反饋數(shù)據(jù)傳輸情況。OCS主機同時還接收地面PIS設(shè)備的反饋報文，當(dāng)文件下載失敗時，反饋給PIS中心。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 OCS數(shù)據(jù)處理流程

2.2 車-地文件傳輸

車地通信接口采用基于RJ 45連接的TCP/IP接口，指令數(shù)據(jù)通信協(xié)議為UDP方式，視頻、播表文件采用FTP方式進行傳輸。文件下載時（從地面服務(wù)器到車載PIS系統(tǒng)），OCS主機通過UDP報文包與車載PIS設(shè)備、地面服務(wù)器、地面PIS設(shè)備進行命令交互、點播文件；通過FTP文件傳輸方式將地面文件下載至車上。首先獲取所需文件的文件路徑和文件名，判斷文件是否存在并下載，下載成功后向地面發(fā)送成功報文，將文件傳輸至地面PIS設(shè)備并記錄到數(shù)據(jù)文件中；若下載失敗，則向地面發(fā)送失敗報文，等待10 s后重新下載，如果失敗次數(shù)超過3次，則等待下一次下載線程。文件上傳時（從車載網(wǎng)絡(luò)到地面服務(wù)器），車載PIS系統(tǒng)以FTP方式將文件傳送給OCS主機，列車到站或入庫后將自動連接地面網(wǎng)絡(luò)，建立5G傳輸鏈路，OCS主機通過FTP文件傳輸和冗余方式將文件發(fā)送至地面系統(tǒng)。先傳輸新文件，再傳輸舊文件。文件上傳成功后記錄到數(shù)據(jù)文件中，并發(fā)送到轉(zhuǎn)儲服務(wù)器；上傳失敗則向地面返回失敗報文，等待10 s后重新下載，如果超過3次，則返回，等待下一次上傳線程。

3 實驗驗證

在實驗室搭建測試平臺，進行車載OCS系統(tǒng)、地面PIS系統(tǒng)、車載PIS系統(tǒng)、地面服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸測試實驗。實驗測試了車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群臀募鬏數(shù)臏?zhǔn)確性以及斷點續(xù)傳功能。實驗證明，本方案在PIS系統(tǒng)大文件傳輸問題上具有可行性和較好的效果。

3.1 實驗平臺搭建

測試時，按照圖4正確連接各測試設(shè)備并上電。其中車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括OCS主機、車載PIS、地面PIS設(shè)備和其他車載設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)。配置發(fā)送端測試PC，在發(fā)送端測試的PC上創(chuàng)建并發(fā)送數(shù)據(jù)流量。設(shè)置地面服務(wù)器IP地址為192.168.100.200，設(shè)置OCS主機IP地址為192.168.100.10。

圖4 測試配置

3.2 實驗結(jié)果

OCS主機上的緩存文件如圖5所示。可以看出，OCS主機收到了來自車載PIS系統(tǒng)的視頻文件，表明OCS自動采集數(shù)據(jù)功能正常實現(xiàn)。

圖5 OCS收到的車載PIS發(fā)來的視頻

文件開始傳輸之前先利用PC機在車地兩端的服務(wù)器互相ping對方的網(wǎng)絡(luò)，檢查網(wǎng)絡(luò)是否通暢。在OCS主機上創(chuàng)建測試文件cicu_1.7和cicu_1.8。圖6表示地面服務(wù)器正確收到了OCS主機上的文件，表明自動傳輸功能正常實現(xiàn)。

實驗結(jié)果表明，車地通信正常，文件傳輸準(zhǔn)確無誤，本方案的基礎(chǔ)功能可以實現(xiàn)。

圖6 地面服務(wù)器收到來自O(shè)CS的文件

采用5G天線的速度查看工具可以觀察到如圖7所示結(jié)果，傳輸速度能達(dá)到1.5 Gb/s以上。

圖7 傳輸速度

4 結(jié) 語

本文提出了一種新的PIS系統(tǒng)傳輸方案，利用5G大帶寬、高速度、低時延等特點，將PIS中的視頻等大文件通過5G通道傳輸，實現(xiàn)了PIS大文件的高效快速傳輸。實驗結(jié)果證明，地面系統(tǒng)和車載網(wǎng)絡(luò)可以正常通信，車載數(shù)據(jù)可以自動、準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛娣?wù)器；當(dāng)服務(wù)器中斷重連后，仍可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，使用5G通道傳輸數(shù)據(jù)時，可以達(dá)到1.5 Gb/s的傳輸速度，讓視頻傳輸更清晰流暢，能夠給乘客帶來更好的乘車體驗。由于歷史發(fā)展原因和傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進步，PIS系統(tǒng)正在朝著車地一體化、云化的方向發(fā)展。將5G應(yīng)用于軌道交通是目前研究的熱點之一，不止是監(jiān)控視頻的傳輸，列車運行的其他數(shù)據(jù)的傳輸、視頻轉(zhuǎn)播、直播以及為旅客提供更好的上網(wǎng)體驗等，都是值得探索的方向。