張 宇，王 莉

（廣東省鐵路規(guī)劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 510030）

0 引 言

隨著5G技術(shù)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?shù)纳a(chǎn)作業(yè)、運轉(zhuǎn)乘降、安全管理等多個方面。5G與大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)無縫銜接和信息交互共享。此外，還能提供基于流程的聯(lián)動調(diào)度操作、場景化應用、一鍵處置以及多業(yè)務聯(lián)動，為行車調(diào)度、生產(chǎn)調(diào)度、應急救援等多部門協(xié)同工作提供高效指揮工具，共同為業(yè)務部門服務。

1 鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)分為有線調(diào)度通信系統(tǒng)與無線調(diào)度通信系統(tǒng)，當前鐵路有線調(diào)度通信以固定用戶接入交換機（Frxed user Access Switching，F(xiàn)AS）數(shù)字調(diào)度通信產(chǎn)品為主。為了滿足鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications-Railway，GSM-R）無線通信系統(tǒng)下的各種調(diào)度業(yè)務與功能的需求，國內(nèi)研發(fā)并應用了數(shù)字調(diào)度通信FAS系統(tǒng)[1]。數(shù)字調(diào)度通信FAS系統(tǒng)是原有數(shù)調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)品的升級換代，為GSM-R系統(tǒng)中的固定用戶提供接入條件。局端FAS調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字無阻塞電路交換，同時兼容原有的數(shù)字共線、點對點、點對多點以及固定接續(xù)業(yè)務等。采用觸摸式調(diào)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(diào)度系統(tǒng)，建立集語音、圖像、數(shù)據(jù)等富媒體信息為一體的新型調(diào)度通信方式，賦能城軌智能調(diào)度。

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

2 鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)概述

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)根據(jù)時間的推移可分為5種，具體如下。一是模擬調(diào)度系統(tǒng)，采用模擬通信技術(shù)，主要提供語音業(yè)務；二是數(shù)字調(diào)度通信、模擬無線通信系統(tǒng)，采用數(shù)字有線、模擬無線通信技術(shù)，支持語音、調(diào)度等業(yè)務的傳送；三是窄帶移動通信系統(tǒng)，采用窄帶數(shù)字移動通信技術(shù)，以語音業(yè)務為主，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度命令、列控數(shù)據(jù)業(yè)務的傳送功能；四是智能調(diào)度通信系統(tǒng)，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(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)固定及移動結(jié)合、公網(wǎng)及專網(wǎng)結(jié)合、定位及業(yè)務融合等功能，具備在大數(shù)據(jù)背景下的語音、視頻分析能力；五是智慧調(diào)度系統(tǒng)，充分應用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，能夠?qū)π畔⑦M行感知分析并對智能業(yè)務進行控制，最終達到智慧決策和執(zhí)行的目的[2,4]。

鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為業(yè)務應用、基礎平臺以及智能終端3部分。其中，業(yè)務部分可分為行車調(diào)度、視頻監(jiān)控、電話交換、應急通信、隧道電話以及視頻會議等?；A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(xiàn)語音呼叫、視頻呼叫、視頻監(jiān)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(tài)呈現(xiàn)、視頻分析以及設備管理等，基本單元主要實現(xiàn)呼叫控制、媒體處理、業(yè)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(tǒng)，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(tǒng)包括Windows、Linux等。鐵路綜合調(diào)度系統(tǒng)利用各類智能終端進行數(shù)據(jù)采集，通過基礎平臺的運算處理實現(xiàn)多種業(yè)務的功能呈現(xiàn)和鐵路的通信調(diào)度。

3 鐵路專用線發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路專用線作為鐵路運輸網(wǎng)的組成部分，承擔了大量物資的輸送與轉(zhuǎn)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(nèi)專用線建設緊密結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展需要和市場需求，相關政府部門和鐵路企業(yè)牽頭建立對接工作機制，根據(jù)運量、基礎環(huán)境等對接大型企業(yè)和新建物流園區(qū)的鐵路專用線建設需求。在區(qū)域空間方面，圍繞沿海開放型經(jīng)濟和長江經(jīng)濟帶等區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)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(yè)加強主動服務理念，結(jié)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(zhì)量。

4 鐵路專用線通信系統(tǒng)應用需求

鐵路專用線通信系統(tǒng)主要提供運營指揮的語音、數(shù)據(jù)及圖像業(yè)務，包括傳輸及接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信、GSM-R移動通信、電話交換、數(shù)字調(diào)度通信、視頻監(jiān)控、專用應急通信、電源及環(huán)境監(jiān)控、同步及時鐘分配以及通信線路等子系統(tǒng)。各系統(tǒng)相互獨立，存在信息孤島，無法通過一個融合平臺實現(xiàn)多業(yè)務調(diào)度。根據(jù)“穩(wěn)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(yè)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(tǒng)融合有了新的需求。通過建立獨立的指揮調(diào)度中心，實現(xiàn)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(shù)、新標準實現(xiàn)業(yè)務創(chuàng)新應用，提升運營效率。

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

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

（2）業(yè)務系統(tǒng)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(nèi)通信信息化建設如火如荼，通信業(yè)務部門都在著手建設語音調(diào)度系統(tǒng)、語音/視頻會議系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)以及應急通信系統(tǒng)等，但是各系統(tǒng)存在信息孤島，無法高效互聯(lián)，使得工作效率難以提升。將通信技術(shù)和信息技術(shù)無縫融合，解決行車調(diào)度、辦公電話、應急通信、視頻監(jiān)控以及無線通信等通信系統(tǒng)獨立建設、信息交互難、指揮調(diào)度效率低、操作不便等問題已迫在眉睫。

（3）指揮調(diào)度功能簡單，不能滿足現(xiàn)階段的需求?，F(xiàn)階段指揮調(diào)度通信功能復雜程度低，實現(xiàn)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(diào)度通信的要求，如視頻聯(lián)動調(diào)度、3D實景調(diào)度、短信調(diào)度以及應急業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)度等。

運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、4G/5G移動通信以及人工智能等先進技術(shù)賦予富媒體通信系統(tǒng)更多的智能化業(yè)務擴展應用。例如，利用云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，借助前端采集設備監(jiān)測調(diào)度中心調(diào)度員、車站值班人員、作業(yè)人員的崗位狀態(tài)，對離崗/盹睡、玩手機、不合規(guī)跨鐵路線、區(qū)域非法入侵及越界、超范圍作業(yè)、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(jiān)控策略有機融合視頻數(shù)據(jù)形成一個充分共享數(shù)據(jù)價值的智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)運輸安全的規(guī)范化、流程化、精細化以及智能化管理。

5 融合通信系統(tǒng)關鍵技術(shù)及研究方法

5.1 融合通信系統(tǒng)關鍵技術(shù)

將富媒體通信系統(tǒng)進行整合，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種通信能力和視頻監(jiān)控的進一步融合。通過一套融合通信系統(tǒng)即可簡單、高效地完成復雜的指揮調(diào)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(gòu)，核心網(wǎng)具有業(yè)務無關性，具有極強的業(yè)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(yè)務。融合通信平臺支持軟件開發(fā)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(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺和其他業(yè)務系統(tǒng)提供通信能力，節(jié)省GIS平臺和其他業(yè)務系統(tǒng)獨立建設通信業(yè)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(shù)能夠通過一次編碼實現(xiàn)若干幀率、分辨率以及質(zhì)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(xiàn)播放或傳輸。在發(fā)送的視頻流信息中，按照某種規(guī)則加上一定的冗余位構(gòu)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(wǎng)絡帶寬進行主動探測，采用Probing及Pacing技術(shù)周期性地對實時網(wǎng)絡帶寬進行探測，并將探測結(jié)果通過接收端帶寬評估及反饋機制反饋給發(fā)送端，自適應調(diào)整碼率適應網(wǎng)絡帶寬。視頻在網(wǎng)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(shù)手段，實現(xiàn)視頻不卡頓、不花屏；音頻在網(wǎng)絡丟包率50%的情況下，自動降低編碼率，實現(xiàn)正常的通話。

5.2 融合通信系統(tǒng)研究方法

融合通信系統(tǒng)以軟件開發(fā)為主，軟件開發(fā)實施擬采用敏捷開發(fā)方式。在專用線鐵路通信總體規(guī)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(gòu)》等相關標準及要求，進行多媒體通話通信系統(tǒng)的建設；以深度開發(fā)利用企業(yè)通信資源為目標，融合專用線鐵路其他通信系統(tǒng)，及時滿足融合通信的需求；進行統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)劃的融合通信平臺建設，可以規(guī)范統(tǒng)一的業(yè)務流程、技術(shù)規(guī)程和管理手段，保障安全，也將提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可持續(xù)性。

6 鐵路專用線融合通信系統(tǒng)

利用富媒體融合通信應用、IMS架構(gòu)及超高清音視頻網(wǎng)絡適應性技術(shù)，充分結(jié)合5G技術(shù)對既有鐵路專用線通信系統(tǒng)進行改進，形成鐵路專用線融合通信系統(tǒng)。鐵路專用線融合通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應急通信以及視頻監(jiān)控等系統(tǒng)合一，減少新建線專用系統(tǒng)建設成本和后續(xù)系統(tǒng)的維護成本。融合通信系統(tǒng)采用基于IMS的可擴展系統(tǒng)架構(gòu)，依照3GPP標準統(tǒng)籌設計與開發(fā)，綜合了通信技術(shù)和IT的優(yōu)點，實現(xiàn)業(yè)務與承載的分離，融合視頻、語音、數(shù)據(jù)等業(yè)務，承載調(diào)度、應急、辦公等IP寬帶業(yè)務。融合通信系統(tǒng)擁有電信級網(wǎng)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(yè)務統(tǒng)一融合以及靈活定制的應用擴展能力，通過高保真音質(zhì)、高清化視頻、全程可視化操控，依托北斗高精度定位技術(shù)、GIS技術(shù)以及人工智能技術(shù)，帶來了全新的應用場景，賦能行業(yè)應用，開啟一個全新的智能化調(diào)度通信時代。

智能調(diào)度指揮發(fā)展目標是整合、交換和共享業(yè)務系統(tǒng)間的信息資源，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度、智能協(xié)同、快速應急處置，使路網(wǎng)整體行車調(diào)度效率達到最優(yōu)。調(diào)度指揮相關業(yè)務的IP化有助于實現(xiàn)業(yè)務融合、信息共享、數(shù)據(jù)分析以及輔助調(diào)度，分組化建設趨勢促使鐵路傳統(tǒng)的調(diào)度通信、會議電視、視頻監(jiān)控必然向IP化發(fā)展。

鐵路專用線融合通信系統(tǒng)通過通信資源的整合實現(xiàn)鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應急通信、視頻監(jiān)控、無線通信以及運營維護等相關分立通信系統(tǒng)的接入，統(tǒng)一接口標準，納入統(tǒng)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(tǒng)對接入及新建的各通信資源整合，提供基于流程的聯(lián)動調(diào)度操作，為構(gòu)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(shù)手段與鐵路運輸日常管理相結(jié)合，能有效提升鐵路日常管理的科學性和精細化水平。

7 結(jié) 論

在5G時代下，鐵路專用線融合通信系統(tǒng)是提升管理效率的重要基礎，也是時代發(fā)展的要求。通過融合通信對鐵路專用線行車調(diào)度、辦公電話、應急通信以及視頻監(jiān)控等專用通信子系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)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(fā)展。