趙 穎，羅 浩，柳青紅，關(guān)則彬

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引言

我國高速鐵路規(guī)模大、覆蓋不同氣候和環(huán)境條件、運營場景復(fù)雜，自然災(zāi)害或人為破壞引起的人員及異物入侵等危險情況(以下簡稱“危情”)嚴重威脅高速列車的運營安全。高速鐵路列車速度快，時速350 km 和250 km 時的緊急制動距離分別達到6.5 km 和3.2 km[1-2]，由于彎道及視野遮擋等原因，高速鐵路列車司機目視距離有限，難以通過目視保證行車安全。若充分利用5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬低時延特性，通過無線傳輸技術(shù)使運行中的動車組實時獲得制動距離以外的線路視頻影像，就能從一定程度上避免事故的發(fā)生。

為此，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)立項開展“基于5G網(wǎng)絡(luò)的列車超視距關(guān)鍵技術(shù)研究”，其目標是利用5G網(wǎng)絡(luò)，將司機目視范圍外的前方重點區(qū)段監(jiān)控視頻和安全監(jiān)測信息[3]，隨列車運行位置變化，依次傳送至動車組司機室，同時，利用有線網(wǎng)絡(luò)將危情信息和視頻傳送至調(diào)度終端，輔助司機和調(diào)度超前研判突發(fā)風險，提前處置，以進一步提升列車運行安全性[4]。列車超視距應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。由于動車組運行速度快，對危情處置的及時性具有很高的要求，研究科學合理的信息推送策略和高效的車地關(guān)聯(lián)算法，有助于提高危情提示和處置的及時性。

圖1 列車超視距應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of train over-the-horizon

1 列車尋位方式分析

獲取動車組實時位置信息是實現(xiàn)準確發(fā)送視頻流和危情信息的前提。目前，列車定位技術(shù)主要有基于應(yīng)答器的定位、基于衛(wèi)星導航的定位、基于通信基站的定位等，例如列車自動防護系統(tǒng)(ATP)車載設(shè)備、列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(DMS)[5]、中國列車運行控制系統(tǒng)(CTCS)地面設(shè)備可實現(xiàn)基于軌道電路的列車定位[6]，鐵路北斗應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)了基于北斗和GIS 相結(jié)合的列車定位[7-8]，還可以利用GSM-R 小區(qū)基站實現(xiàn)列車定位[9]。應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用需求、技術(shù)特征的不同，可以采用不同的列車定位技術(shù)。對于列車超視距業(yè)務(wù)而言，列車定位一是要適應(yīng)鐵路復(fù)雜的地形條件，特別是在隧道、山區(qū)等區(qū)域仍能提供定位服務(wù)；二是要盡量利用路內(nèi)成熟應(yīng)用系統(tǒng)的定位信息，避免重復(fù)的工作投入；三是要避免增加過多的定位輔助設(shè)備，減少建設(shè)成本。同時，鐵路危情具有突發(fā)性特點，將危情信息準確及時地推送給高速運行的動車組，要求有較高的列車定位精度和時效性。

動車組尋位方式匯總分析如表1 所示。其中，由于CTCS 系統(tǒng)的安全等級非常高，與其建立接口定位動車組的實施難度較大；北斗和GIS相結(jié)合的定位方式雖然精度很高，但目前數(shù)據(jù)回傳的時延較長；利用GSM-R 小區(qū)基站定位的精度過低；利用DMS 系統(tǒng)定位動車組的精度較高、數(shù)據(jù)傳輸時延較低，且更方便實施。因此，采用DMS 系統(tǒng)定位動車組更符合超視距應(yīng)用的需求。

表1 動車組尋位方式匯總分析表Tab.1 Summary and analysis of EMU positioning methods

2 超視距信息推送策略

為保障在發(fā)生危情時動車組有足夠的距離采取制動措施，需要設(shè)計科學合理的超視距信息關(guān)聯(lián)距離和推送策略。

2.1 信息推送策略

高速鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集點覆蓋高速鐵路車站、區(qū)間、設(shè)備機房[10]。為保證動車組運行過程中，沿線各個視頻畫面均能有序、穩(wěn)定地傳送到司機室，超視距信息的關(guān)聯(lián)推送策略需符合以下原則。

（1）未發(fā)生危情報警時，將每個重點區(qū)段視頻畫面?zhèn)魉徒o超視距距離范圍內(nèi)、上下行方向、駛向該區(qū)段的第一列動車組；每個時刻向同一列動車組僅傳送一路實時視頻畫面。

（2）發(fā)生危情報警時，危情地點與動車組距離不受超視距距離限制，優(yōu)先將危情信息和危情地點的視頻畫面?zhèn)魉偷今傁蛭Ｇ榈攸c的第一列動車組，并鎖定畫面直至危情解除或駛離危情地點。

2.2 超視距距離

超視距信息的關(guān)聯(lián)距離，需根據(jù)動車組制動距離和數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)臅r延計算，保證在發(fā)生危及行車安全的險情時，動車組有足夠的時間和距離采取措施，超視距距離[11]sOTH按如下規(guī)則計算。

式中：sOTH為超視距距離，km；sbraking為動車組常規(guī)制動距離，km；v 為動車組速度，km/s；tDMS為DMS 系統(tǒng)列車定位數(shù)據(jù)傳輸延時，s；ttrans為超視距信息處理傳輸延時，s；tdeal為司機處置反應(yīng)時間，s。

為了使動車組在遇到危情時有足夠的時間采取應(yīng)急措施，超視距距離按動車組所在線路區(qū)間的最高時速來計算，以350 km/h復(fù)興號動車組為例，動車組常規(guī)制動距離約8~10 km[12]，動車組最高速度約0.1 km/s，DMS系統(tǒng)列車定位數(shù)據(jù)傳輸延時約為2~3 s，超視距信息處理傳輸延時約5~10 s，司機處置反應(yīng)時間約10 s，帶入公式⑴計算得出超視距距離約為12±2 km，此距離可根據(jù)實際應(yīng)用需求和動車組運行區(qū)段速度等級進行設(shè)置。

3 車地關(guān)聯(lián)算法與實現(xiàn)

要將超視距的危情和視頻信息按以上策略推送給相應(yīng)的動車組，需要對動車組的位置與危情/視頻的位置做關(guān)聯(lián)匹配。其中，動車組的位置信息取自DMS 系統(tǒng)，包括動車組所在的線路、公里標、上下行別等[13]，平均3 s 更新一次；危情/視頻的位置取自鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，主要是沿線攝像機所在的線路和公里標。

假設(shè)每條線路上同時開行的動車組有m列，沿線攝像機數(shù)為n個，動車組位置每更新一次，需要對每列動車組進行遍歷，將其位置與所有攝像機的位置做比對，查找其超視距距離范圍內(nèi)的攝像機，每秒鐘的計算復(fù)雜度為O(m×n)。以京張高速鐵路北京北至太子城段為例，選取視頻監(jiān)控范圍為鐵路正線、設(shè)置在沿線鐵塔、隧道出入口、公跨鐵橋梁、分相區(qū)等地點的重點區(qū)段攝像機共106 臺，平均間隔約1.5 km；考慮同一時刻最多開行動車組6 對，每秒鐘的計算量為12×106/3=424 次。當有多條高速鐵路線路同時開展超視距應(yīng)用時，其計算量為所有線路計算量的加和，計算效率仍有待提高。

考慮到動車組運行過程中，其所在的里程為單向遞增或遞減，對沿線攝像機按其公里標從小到大進行排序，得到攝像機的集合C={C1，C2，…，Cn}和其對應(yīng)的里程KC1，KC2，…，KCn，動車組的里程KT，關(guān)聯(lián)結(jié)果為動車組運行前方超視距距離范圍內(nèi)的第一個攝像機Cout，動車組里程每更新一次，進行一次關(guān)聯(lián)計算。車地關(guān)聯(lián)算法流程如圖2所示。

圖2 車地關(guān)聯(lián)算法流程Fig.2 Algorithm flow of vehicle-ground correlation algorithm

采用以上算法，當一條線路有m列車同時開行時，僅在首次運行時，平均計算復(fù)雜度為后續(xù)每次運算的計算復(fù)雜度為O(m)。

以京張高速鐵路北京北至太子城段為例，同一時刻最多開行動車組6 對，沿線重點攝像機106 個，首次關(guān)聯(lián)的平均計算量為636 次，后續(xù)每次運算量僅為12 次，以京張高速鐵路動車組全程運行時長為1 h為例，列車位置平均每3 s更新一次，每列動車組的運算次數(shù)約1 200次，每秒鐘的平均計算量為(636+1 199×12)/3 600=4.17 次，是傳統(tǒng)遍歷算法每秒鐘424 次計算量的0.98%，運算效率大大提升。

4 試驗驗證

為驗證列車超視距信息推送策略和關(guān)聯(lián)算法的有效性和可靠性，在京張高速鐵路2 列智能動車組[14]開展了基于5G公網(wǎng)的超視距應(yīng)用技術(shù)實車實線試驗[15]，設(shè)置超視距距離為12±2 km，隨著列車運行，可自動播放最新進入列車運行前方14 km 內(nèi)的攝像機視頻畫面，超視距信息關(guān)聯(lián)試驗數(shù)據(jù)如表2 所示，超視距應(yīng)用試驗效果如圖3 所示。針對車地關(guān)聯(lián)算法軟件運行對系統(tǒng)資源的占用情況，分別對京張高速鐵路單列動車組試驗和2 列動車組同時開展試驗。軟件運行環(huán)境為：系統(tǒng)CPU，Intel(R) Xeon(R) Gold 5118 CPU@ 2.30 GHz 12 核；內(nèi)存，62 G；操作系統(tǒng)，Red Hat Enterprise Linux Server release 7.7。超視距信息關(guān)聯(lián)軟件性能測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 超視距信息關(guān)聯(lián)試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of train over-the-horizon information correlation

表3 超視距信息關(guān)聯(lián)軟件性能測試數(shù)據(jù)Tab.3 Performance test data of over-the-horizon information correlation software

圖3 超視距應(yīng)用試驗效果圖Fig.3 Effect of train over-the-horizon test

試驗表明，上述車地關(guān)聯(lián)算法可正確關(guān)聯(lián)動車組運行前方超視距范圍內(nèi)的攝像機，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理時間為毫秒級，且未對服務(wù)器CPU 和內(nèi)存造成壓力，實現(xiàn)了預(yù)期目標。

5 結(jié)束語

調(diào)研分析ATP、CTC、北斗+GIS、GSM-R 小區(qū)和DMS 等多種列車尋位方式技術(shù)特點，從定位精度、數(shù)據(jù)時延、實施難度多個方面綜合比選，提出利用DMS 系統(tǒng)接入動車組位置信息。以超視距信息有序、穩(wěn)定、準確地傳送到動車組司機室為目標，研究確定了視頻和危情推送策略，保證每路視頻和危情能夠及時推送給上下行方向第一列動車組，并根據(jù)動車組制動距離、信息傳輸時延和緊急處置反應(yīng)時間，確定了超視距距離依據(jù)。利用動車組單向行駛的特征，對沿線攝像機進行排序，設(shè)計了一種高效的關(guān)聯(lián)算法，大大提高運算的效率。現(xiàn)場試驗表明列車超視距推送策略和關(guān)聯(lián)算法正確、快速，實現(xiàn)了預(yù)期目標。

列車超視距技術(shù)在京張高速鐵路開展了實車試驗，全面驗證列車超視距應(yīng)用各項功能，但京張高速鐵路列車超視距應(yīng)用試驗場景相對單一、5G 公網(wǎng)條件良好，考慮到我國高速鐵路路網(wǎng)密度大、運行場景復(fù)雜、移動網(wǎng)絡(luò)傳輸能力差異等，應(yīng)進一步研究并拓展列車超視距技術(shù)多場景適用性，并研發(fā)超視距視頻碼流壓縮技術(shù)，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬受限場景。