無線移動多媒體應(yīng)急指揮系統(tǒng)

王啟龍 上海鐵路局合肥電務(wù)段張建平 上海鐵路局電務(wù)處

近年來，為適應(yīng)鐵路跨越式發(fā)展的需要，鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)力布局調(diào)整，整合優(yōu)化運(yùn)力資源，最大限度地釋放運(yùn)輸生產(chǎn)力，精簡行政管理人員，產(chǎn)生了許多大站段、大車間，人員及資源向大城市、大站場集中。而我國鐵路點(diǎn)多線長，工務(wù)、電務(wù)、供電等基層站段作業(yè)點(diǎn)非常分散，生產(chǎn)班組遍布鐵路沿線，交通、溝通不便。隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí)施，將會出現(xiàn)列車運(yùn)行速度越來越快、沿線小站越來越少，勞動生產(chǎn)率越來越高，運(yùn)輸安全壓力越來越大的情況。如何在這種情況下保證行車安全，更加科學(xué)地組織、指揮、調(diào)度運(yùn)輸生產(chǎn)，是已經(jīng)擺在我們面前，亟待解決的問題。

根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2010年，我國鐵路網(wǎng)營業(yè)里程將達(dá)到9萬公里以上，其中客運(yùn)專線建設(shè)規(guī)模為7000公里，復(fù)線率和電化率均達(dá)到45%。在客運(yùn)專線開通運(yùn)營，加快城市化進(jìn)程，緩解繁忙干線運(yùn)力緊張局面的同時(shí)，也對我們的鐵路運(yùn)輸安全保障工作提出了更高的要求。首先，高密度、高速度的運(yùn)輸，留給我們的檢修時(shí)間越來越少，我們不僅要千方百計(jì)保證設(shè)備少出故障，還要在發(fā)生故障時(shí)能快速反應(yīng)，及時(shí)排除；其次，新技術(shù)新設(shè)備的上馬速度大大加快，對信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性依賴性強(qiáng)，特別是網(wǎng)絡(luò)方面的故障，原來的故障點(diǎn)，現(xiàn)在擴(kuò)大成為故障面，發(fā)生故障后的影響范圍越來越大。

我們的一線職工，對新科技裝備的掌握程度跟自己的知識結(jié)構(gòu)有關(guān)，水平參差不齊。設(shè)備發(fā)生故障，如果現(xiàn)場值班人員不能及時(shí)找到故障點(diǎn)并排除故障，就需要車間、技術(shù)科技術(shù)人員到現(xiàn)場協(xié)助，這將大大增加故障延時(shí)，這種方式已不能滿足目前日益緊迫的運(yùn)輸生產(chǎn)需要。解決這一矛盾，就是要在段調(diào)度中心安裝一雙“千里眼”，通過它，了解現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，利用段、車間的技術(shù)優(yōu)勢，指揮調(diào)度技術(shù)人員，協(xié)助指揮故障處理，增強(qiáng)處置突發(fā)事件的快速處理能力。

無線移動多媒體應(yīng)急指揮系統(tǒng)----就是本文討論的“千里眼”，它是一種基于COFDM技術(shù)的移動音視頻傳輸系統(tǒng)。COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ亩噍d波調(diào)制技術(shù)。它的實(shí)用價(jià)值就在于支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù)，可以對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸，真正實(shí)現(xiàn)了“抗阻擋”、“非視距”、“動中通”的高速數(shù)據(jù)傳輸，表現(xiàn)出卓越的“繞射”、“穿透”性能。

1 無線移動視訊傳輸技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 同類產(chǎn)品技術(shù)分析

目前市場上無線圖像傳輸設(shè)備采用的主要技術(shù)有：基于公網(wǎng)的GPRS、CDMA、3G技術(shù)、無線局域網(wǎng)802.11技術(shù)、基于地面移動電視的COFDM技術(shù)和單載波頻分（SC-FDMA）復(fù)用技術(shù)。

基于移動公網(wǎng)的GPRS傳輸?shù)膸挷蛔?，傳輸視頻每秒只有幾幀，而且出現(xiàn)應(yīng)急事件時(shí)，信息不夠詳實(shí)，容易出現(xiàn)斷點(diǎn)和無線接收的死角。CDMA無線傳輸技術(shù)同樣存在這樣的缺陷，在理想的狀態(tài)下，CDMA下行帶寬是153K，上行帶寬為70～80(K)，在這種傳輸通道帶寬之下，傳輸流暢的視頻基本上不可能實(shí)現(xiàn)，對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，這種技術(shù)的應(yīng)用顯然不能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

然而針對其他較高帶寬的無線傳輸方案，比如:無線LAN802.11(b)、802.11(g)、802.11(a)等技術(shù)，可以傳輸較高質(zhì)量的視頻，但它們大多都存在共同的缺點(diǎn)，如只能做到通視傳輸、定向傳輸，難以支持移動傳輸?shù)?，從而限制了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.2 基于COFDM的無線視訊設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 可在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用

傳統(tǒng)的微波設(shè)備，必須在可視條件（既收發(fā)兩點(diǎn)之間必須無阻擋）下才能建立無線鏈接通道，在使用中受環(huán)境制約較大。而COFDM因其多載波等技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)備具有“非視距”、“繞射”傳輸?shù)膬?yōu)勢，在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，能夠以高概率實(shí)現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短的時(shí)間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，采集端和接收端也可以隨意移動，不受方向的限制，系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈活。

1.2.2 可用于高速移動中無線傳輸實(shí)時(shí)圖像

傳統(tǒng)的無線LAN等設(shè)備因其技術(shù)體制的原因，無法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)采集端和接收端在高速的移動過程中實(shí)時(shí)傳輸圖像。若要在移動時(shí)進(jìn)行無線圖像傳輸，通常的方案是再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題，但也只能在一定條件下實(shí)現(xiàn)移動點(diǎn)對固定點(diǎn)的傳輸，并且圖像常常會出現(xiàn)中斷，嚴(yán)重影響傳輸接收的效果。而對于COFDM設(shè)備，它不需要任何附加裝置，就可實(shí)現(xiàn)固定-移動，移動-移動間的使用，非常適合安裝到移動平臺上。不僅傳輸具有高可靠性，而且表現(xiàn)出很高的性價(jià)比。

1.2.3 傳輸帶寬高，適合高碼流、高畫質(zhì)的音視頻傳輸

高碼流、高畫質(zhì)的音視頻數(shù)據(jù)流對編碼、信道速率要求十分高。一般的數(shù)字微波，擴(kuò)頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG-2編碼，但信道多采用2M速率，而圖像壓縮碼流只有1M左右，可能無法滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等要求。COFDM技術(shù)每個(gè)子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，合成后的信道速率一般均大于4Mbps，因此，可以傳輸MPEG-2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼圖像，接收后的圖像質(zhì)量接近DVD畫質(zhì)，完全可以滿足接收端后期處理要求。

1.2.4 在復(fù)雜電磁環(huán)境中，COFDM具備優(yōu)異的抗干擾性能

在復(fù)雜電磁環(huán)境中，使用單載波調(diào)制技術(shù)，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通訊鏈路失敗，但是在多載波COFDM技術(shù)中，僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)，通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，確保傳輸?shù)牡驼`碼率，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

綜合上述分析，在我段辦公信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)聯(lián)接到班組的情況下，采用基于COFDM技術(shù)的無線移動多媒體技術(shù)，在調(diào)度中心增加這一“千里眼”，就可以讓調(diào)度指揮人員對現(xiàn)場情況了如指掌，無論是對于故障處理、施工天窗組織實(shí)施或應(yīng)急搶險(xiǎn)都是如虎添翼。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能概述

無線移動多媒體應(yīng)急指揮系統(tǒng)是一套應(yīng)用于鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域的移動-固定式寬帶圖像/聲音傳輸設(shè)備，由背負(fù)式可移動發(fā)射機(jī)、遠(yuǎn)端接收機(jī)和調(diào)度指揮中心構(gòu)成。其中背負(fù)式發(fā)射機(jī)主要完成將攝像機(jī)的圖像和聲音編碼調(diào)制發(fā)射功能，遠(yuǎn)端接收機(jī)完成音視頻信號的接收、解調(diào)和解碼并還原為圖像和聲音，可實(shí)時(shí)存儲。調(diào)度指揮中心通過中心視頻語音處理軟件，根據(jù)需要調(diào)用各站的實(shí)時(shí)圖像或歷史圖像。車間也可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用各站本地存儲的視頻，供分析總結(jié)。通過該系統(tǒng)，段和車間不僅能增加對現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)的了解，還能為各種應(yīng)急處理提供更準(zhǔn)確直觀的信息，有利于調(diào)度指揮人員做出更科學(xué)、更有針對性的決斷，更有效地保障行車安全。

系統(tǒng)主要特性如下所示：

（1）系統(tǒng)工作頻段為 320～530(MHz)，信道帶寬為 2、4、8MHz可選。避免各種可能的鐵路無線信道干擾。

（2）系統(tǒng)工作為單工方式（單向語音）/FDD雙工方式(雙向語音)。

（3）系統(tǒng)在空中接口上，采用COFDM 調(diào)制方式。

（4）背負(fù)式發(fā)射機(jī)的視頻采集為紅外攝像頭，能在夜間使用。

（5）背負(fù)式發(fā)射機(jī)的音視頻采集設(shè)備不依賴雙手。

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)組成原理

利用COFDM技術(shù)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都在移動時(shí)仍能可靠工作，而我們一般采用接收機(jī)固定（放置在信號機(jī)械室或班組值班室內(nèi)），背負(fù)式發(fā)射機(jī)可在最大傳輸距離內(nèi)任意移動。這樣設(shè)計(jì)即可以解決站場室外設(shè)備的檢查保養(yǎng)、應(yīng)急處理，還能利用我段已經(jīng)連接到班組的鐵路辦公信息網(wǎng)絡(luò)，保證音視頻的圖像的質(zhì)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少投資。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無線移動多媒體系統(tǒng)組成示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸原理

數(shù)據(jù)傳輸原理如圖2所示。

(1)背負(fù)式發(fā)射機(jī)和遠(yuǎn)端接收機(jī)之間的空中接口采用DVB-T（COFDM方式）標(biāo)準(zhǔn)，圖像編解碼采用MPEGII標(biāo)準(zhǔn)。

(2)背負(fù)式發(fā)射機(jī)將一路視頻輸入信號、兩路音頻（左右聲道）通過編碼調(diào)制后經(jīng)視頻信號天線發(fā)射，同時(shí)也接收來自遠(yuǎn)端接收機(jī)的無線音頻信號。

(3)遠(yuǎn)端接收機(jī)接收到背負(fù)式發(fā)射機(jī)發(fā)來的音視頻信號，經(jīng)過編碼壓縮后經(jīng)過光纖網(wǎng)傳輸?shù)秸{(diào)度指揮中心。同時(shí)將指揮中心發(fā)來的音頻數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)端接收機(jī)的發(fā)射機(jī)發(fā)送到背負(fù)式移動終端。

(4)調(diào)度指揮中心將本地語音信號經(jīng)過編碼傳輸?shù)竭h(yuǎn)端站，同時(shí)將來自遠(yuǎn)端接收機(jī)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)解碼為音視頻信號輸出到指揮中心的顯示設(shè)備。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸原理示意圖

2.2.3 背負(fù)式發(fā)射機(jī)硬件系統(tǒng)組成

發(fā)射機(jī)硬件子系統(tǒng)包括射頻模塊、基帶調(diào)制編碼模塊、語音對講模塊和電源模塊四個(gè)部分，整個(gè)子系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 可移動發(fā)射機(jī)硬件組成示意圖

發(fā)射機(jī)各個(gè)模塊功能分述如下：

（1）基帶編碼調(diào)制模塊由COFDM調(diào)制板和MPEGII編碼板構(gòu)成，MPEGII編碼板將輸入的音、視頻信號采樣編碼成MPEGII TS碼流。COFDM調(diào)制板將輸入的TS碼流先進(jìn)行信道外RS編碼、交織卷積，然后進(jìn)行信道內(nèi)編碼、IFFT、插值最后上變頻為36Mbps的中頻信號輸出給射頻板。

（2）射頻板將輸入的中頻信號上變頻到300MHz射頻信號，進(jìn)行功率放大發(fā)射出去。

（3）語音對講模塊的接收來自遠(yuǎn)端接收機(jī)的語音調(diào)制信號解調(diào)后輸出到耳機(jī)。

（4）電源模塊將電池輸出的直流電壓（14.8V）通過DCDC變換成調(diào)制板、射頻板和語音模塊所需的各路電壓。

為了避免圖像通道和語音通道射頻信號的相互干擾，在圖像和語音通道射頻前級各加一個(gè)濾波器。

2.2.4 遠(yuǎn)端接收機(jī)硬件系統(tǒng)組成

接收機(jī)包括DVB-T（移動數(shù)字電視廣播）接收板、射頻模塊、語音對講模塊三個(gè)部分，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)端接收機(jī)硬件組成示意圖

遠(yuǎn)端接收機(jī)各部分組成及功能如下：

（1）DVB-T接收機(jī)主要完成圖像射頻信號的下變頻、解調(diào)、解碼功能。

（2）語音對講模塊完成指揮中心端對可移動發(fā)射機(jī)的語音發(fā)射功能。

（3）電源模塊負(fù)責(zé)提供DVB-T接收機(jī)所需的12V直流電源和對講機(jī)的7.5V直流電源。

為了提高接收機(jī)的靈敏度，在接收機(jī)前端增加一級低噪聲放大器。同時(shí)為了避免圖像和語音信號的相互干擾，在遠(yuǎn)端接收機(jī)的天線輸入端和語音模塊的發(fā)射端各加了一個(gè)濾波器。

遠(yuǎn)端接收機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起了一個(gè)橋梁的作用。因?yàn)楸池?fù)式發(fā)射機(jī)把經(jīng)過調(diào)制的信號發(fā)射出來，在最大發(fā)射功率下最大傳輸距離內(nèi)必須有接收裝置，使得無線傳輸?shù)男盘柭涞夭⑻幚?。而調(diào)度指揮中心的語音信號也要通過遠(yuǎn)端接收機(jī)發(fā)射出去，指揮并指導(dǎo)背負(fù)發(fā)射機(jī)人員工作。

3 結(jié)束語

目前，本系統(tǒng)正在合武客專線金寨站試用，完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，滿足了段應(yīng)急處理指揮需要，真正為段調(diào)度安裝了一雙“千里眼”。下一步將根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實(shí)際情況，增強(qiáng)背負(fù)式發(fā)射機(jī)的電池續(xù)航能力，減少背負(fù)設(shè)備，增加靈活性，讓其使用起來更方便快捷，為大面積推廣做準(zhǔn)備。