無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)踐與應(yīng)用

李利民，朱少捷，王偉松

（1.?鄭州鐵路局?貨運(yùn)處，河南?鄭州 450015；2.?鄭州鐵路局?科學(xué)技術(shù)研究所，河南?鄭州 450015）

1 概述

現(xiàn)代化的貨運(yùn)設(shè)備設(shè)施是促進(jìn)鐵路貨運(yùn)轉(zhuǎn)型發(fā)展、確保貨物運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率效益和服務(wù)質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障?！蛾P(guān)于“十二五”鐵路貨運(yùn)設(shè)備設(shè)施建設(shè)的實(shí)施意見》(鐵運(yùn) [2013]26號(hào)) 中提出，要加強(qiáng)貨運(yùn)安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，提高信息化水平，建設(shè)鐵路貨檢安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)、貨運(yùn)站集中監(jiān)控和生產(chǎn)指揮中心，加快鐵路貨運(yùn)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型進(jìn)程[1]。

為了統(tǒng)一鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)與管理標(biāo)準(zhǔn)，《鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)監(jiān)控與管理系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范》(鐵運(yùn) [2013]56號(hào)) (以下簡(jiǎn)稱《總體技術(shù)規(guī)范》)，為全路貨運(yùn)安全監(jiān)控系統(tǒng)逐步走向規(guī)范化奠定基礎(chǔ)，著重增加了貨檢作業(yè)手持設(shè)備和高清視頻檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)車站、鐵路局、中國(guó)鐵路總公司系統(tǒng)的三級(jí)聯(lián)網(wǎng)。手持機(jī)作為貨檢員實(shí)現(xiàn)信息采集、信息交換、語(yǔ)音通話的工具，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為其提供無(wú)線信號(hào)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和通信服務(wù)。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)實(shí)踐中，如何因地制宜、科學(xué)合理地選擇網(wǎng)絡(luò)制式、工作頻段和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是基層現(xiàn)場(chǎng)普遍需要考慮的問(wèn)題。如果選擇不當(dāng)，不僅不能發(fā)揮好無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的作用，而且不便于后期工作，同時(shí)還會(huì)引起資源浪費(fèi)、阻礙鐵路信息化的發(fā)展[2]。因此，鄭州鐵路局組織開展專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比較分析，將先進(jìn)的技術(shù)先行試點(diǎn)應(yīng)用于洛陽(yáng)北站，為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和手持設(shè)備的建設(shè)發(fā)展探索出一套可行的技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2 測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)借鑒既有技術(shù)與前沿技術(shù)，結(jié)合《總體技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多次討論，最終選擇運(yùn)用較為普遍的無(wú)線局域網(wǎng) (Wireless Fidelity，WIFI)技術(shù) (2.4 G 頻段) 和當(dāng)前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的4G 技術(shù) (分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn) Time Division Long Term Evolution，TD-LTE 4G)[4]作為測(cè)試標(biāo)的，通過(guò)站場(chǎng)試驗(yàn)，比較分析各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 測(cè)試目的

在充分滿足《總體技術(shù)規(guī)范》中《鐵路貨檢作業(yè)手持機(jī)系統(tǒng)技術(shù)條件》(附件 3)之“站區(qū)無(wú)線網(wǎng)覆蓋試驗(yàn)”要求的同時(shí)，測(cè)試包括以下內(nèi)容：①設(shè)備在鐵路站場(chǎng)內(nèi)的抗干擾能力；②站場(chǎng)內(nèi)無(wú)遮擋信號(hào)覆蓋距離；③站場(chǎng)內(nèi)多列車遮擋信號(hào)覆蓋距離；④測(cè)試區(qū)域內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸延時(shí)；⑤測(cè)試區(qū)域內(nèi)的傳輸帶寬；⑥手持終端視頻回傳質(zhì)量。

2.2 測(cè)試設(shè)備

TD-LTE 4G (1.8 G) 的測(cè)試設(shè)備如下：TD-LTE 1.8 G 基站1臺(tái)；TD-LTE 1.8 G 核心網(wǎng)1臺(tái)；TD-LTE 1.8 G 網(wǎng)管1臺(tái)；TD-LTE1.8 G 數(shù)傳模塊1臺(tái)；TDLTE1.8 G 工業(yè)手持機(jī)3臺(tái)；筆記本電腦1臺(tái)。

大功率 WIFI (2.4 G) 的測(cè)試設(shè)備如下：大功率WIFI 設(shè)備1臺(tái)；語(yǔ)音服務(wù)器1臺(tái)；H3C 交換機(jī)1臺(tái)；工業(yè)手持機(jī)1臺(tái)；智能手機(jī)2臺(tái)；筆記本電腦1臺(tái)。

2.3 測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

（1）TD-LTE 4G 測(cè)試網(wǎng)由測(cè)試中心平臺(tái)和移動(dòng)測(cè)試終端2部分組成。其中，測(cè)試中心平臺(tái)由 TDLTE 基站、TD-LTE 核心網(wǎng)和 TD-LTE 網(wǎng)管組成；移動(dòng)測(cè)試終端由 TD-LTE 手持機(jī)和配備 TD-LTE 數(shù)傳模塊的筆記本電腦組成。測(cè)試指標(biāo)包括測(cè)試 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)在鐵路站場(chǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性能等指標(biāo)。TD-LTE 4G 測(cè)試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 TD-LTE 4G 測(cè)試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

（2）大功率 WIFI 測(cè)試網(wǎng)由測(cè)試中心平臺(tái)和移動(dòng)測(cè)試終端2部分組成。其中，測(cè)試中心平臺(tái)由大功率 WIFI 基站、交換機(jī)和語(yǔ)音服務(wù)器組成；移動(dòng)測(cè)試終端由大功率 WIFI 手持機(jī)和配備大功率 WIFI 數(shù)傳模塊的筆記本電腦組成。測(cè)試指標(biāo)包括測(cè)試大功率 WIFI 網(wǎng)絡(luò)在鐵路站場(chǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩(wěn)定性、抗干擾性能等指標(biāo)。大功率WIFI 測(cè)試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 大功率 WIFI 測(cè)試網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 測(cè)試方法

（1）測(cè)試 TD-LTE 4G。測(cè)試工作按照以下步驟完成：第1步，安裝 TD-LTE 4G 基站，具體位置在洛陽(yáng)北站東側(cè)信號(hào)樓樓頂，樓高12m；第2步，用3 臺(tái)TD-LTE 4G 手持機(jī)分別在車站西北側(cè)最遠(yuǎn)端便道及2 列車之間，中部2列車之間，西南側(cè)2列車之間，最南側(cè)距信號(hào)樓 1.5 km 處，距信號(hào)樓 1.2 km 的整倒裝線上的棚車內(nèi)部，并且在相鄰線路有機(jī)車通過(guò)、有列車通過(guò)的環(huán)境下，分別拍攝圖像，向基站回傳實(shí)時(shí)視頻。

（2）測(cè)試大功率 WIFI。大功率 WIFI 天線分別安裝于車站東側(cè)信號(hào)樓 (天線射頻方向垂直于車場(chǎng)) 和北端駝峰信號(hào)樓 (基本位于車場(chǎng)中間，天線射頻方向與股道同向) 樓頂，樓高均為12 m。測(cè)試距離350～500 m，測(cè)試條件分為空曠場(chǎng)地、2 列車中間、有機(jī)車通過(guò)、鄰線有列車通過(guò)等。用2臺(tái)手持機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像，向系統(tǒng)回傳實(shí)時(shí)視頻。

（3）后臺(tái)人員在筆記本電腦上用配置好的數(shù)傳模塊測(cè)試上傳速率，并且測(cè)試碼率變化情況，觀察視頻回傳是否流暢，測(cè)試最遠(yuǎn)端上行帶寬。

2.5 測(cè)試結(jié)果

（1）TD-LTE 4G。在基站輻射半徑 1.5 km 范圍內(nèi)均完成多路視頻回傳工作，內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、接觸網(wǎng)高壓、并排2列車之間、縱向2個(gè)車廂連接處、鄰線列車通過(guò)、距離 1.2 km 棚車車內(nèi)等環(huán)境條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)未形成任何干擾，高效地解決了多徑路反射問(wèn)題，上行帶寬達(dá)20Mbps 以上，預(yù)計(jì)優(yōu)化后可升級(jí)至30Mbps，為今后全系統(tǒng)或多系統(tǒng)發(fā)展預(yù)留有較大的空間。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，無(wú)線組網(wǎng)只需要在洛陽(yáng)北站東側(cè)信號(hào)樓上架設(shè)1個(gè)基站即可，安裝過(guò)程簡(jiǎn)便，后續(xù)維護(hù)方便。

（2）大功率 WIFI。無(wú)線鏈路在空曠無(wú)阻擋環(huán)境下，傳輸帶寬為1.7～2.5 Mbps，有掉線現(xiàn)象。有列車或多輛貨車阻擋時(shí)，傳輸不穩(wěn)定，平均帶寬為300～350 kbps，阻擋環(huán)境下傳輸一張1Mbps 圖片約需 3～4 s。內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車通過(guò)時(shí)傳輸質(zhì)量明顯下降。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，無(wú)線組網(wǎng)應(yīng)在洛陽(yáng)北站南、北2個(gè)燈橋和駝峰信號(hào)樓頂部分別安裝大功率 WIFI設(shè)備，并且需要用光纜貫穿股道聯(lián)通，這無(wú)疑增加了安裝施工和后續(xù)維護(hù)的難度。

（3）比較分析。測(cè)試結(jié)果表明 TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)抗各種因素的干擾能力較強(qiáng)，完全適合在鐵路站場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下使用，并且在帶寬上為今后的發(fā)展預(yù)留有較大空間。大功率 WIFI 采用公用頻段，容易受各種因素的干擾，對(duì)場(chǎng)地的客觀環(huán)境和選點(diǎn)位置要求較為苛刻，傳輸不穩(wěn)定。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，洛陽(yáng)北站最佳安裝位置應(yīng)分別放在南、北2個(gè)燈橋和駝峰信號(hào)樓頂部，并且用光纜聯(lián)通，增加安裝施工和后續(xù)維護(hù)的難度。

2.6 測(cè)試結(jié)論

鄭州鐵路局組織通信、信息、運(yùn)輸系統(tǒng)專家，以及設(shè)計(jì)單位、信息集成廠家的專家，召開鐵路站場(chǎng)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)選型討論會(huì)，詳細(xì)介紹洛陽(yáng)北站站場(chǎng)無(wú)線組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)論。專家團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程的科學(xué)性、嚴(yán)密性、可靠性，論證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最終一致認(rèn)為TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)鐵路站場(chǎng)復(fù)雜苛刻的環(huán)境，數(shù)據(jù)、圖像傳輸質(zhì)量穩(wěn)定可靠，集成后核心網(wǎng)架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，基站安裝較為簡(jiǎn)便，帶寬容量大，可以在站場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基站多種用途的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以作為鐵路站場(chǎng)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)選型的首選方向和標(biāo)準(zhǔn)。不足之處是規(guī)模較小時(shí)成本相對(duì)較高。如果需要在較大車站或鐵路沿線，搭建車務(wù)、車輛 (列檢)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、公安等部門共同使用的、穩(wěn)定高效的綜合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，TD-LTE 4G 方案的性價(jià)比將更具有優(yōu)勢(shì)，相對(duì)而言也更加經(jīng)濟(jì)可靠。

3 TD-LTE 4G的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)組成

洛陽(yáng)北站 TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由分布式基站、小型化核心網(wǎng)、小型化網(wǎng)管、手持機(jī)4個(gè)部分組成。分布式基站、小型化核心網(wǎng)、小型化網(wǎng)管組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為手持機(jī)提供移動(dòng)作業(yè)的無(wú)線傳輸通道。TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成

3.2 技術(shù)指標(biāo)

（1）工作頻點(diǎn) 1.8 G，單基站下行100Mbps、上行不小于20Mbps 傳輸帶寬，支持3:1的上下行帶寬調(diào)整，上行帶寬可達(dá)80Mbps。

（2）無(wú)死角、無(wú)盲區(qū)，單基站覆蓋距離超過(guò)1.5 km。

（3）能夠滿足40人同時(shí)上傳數(shù)據(jù)、圖像，10 人同時(shí)傳輸720×576像素視頻 (前提是申請(qǐng)10Mbps 帶寬情況下，如果申請(qǐng)20Mbps 及以上帶寬則數(shù)量翻倍)。

（4）能夠滿足40人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、組呼、群呼等語(yǔ)音功能。

（5）貨檢手持機(jī)平臺(tái)可以二次開發(fā)相關(guān)應(yīng)用程序。

（6）滿足風(fēng)、雨、雪、雷電等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。

（7）總體性能穩(wěn)定可靠，有批量運(yùn)用的實(shí)踐，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.3 設(shè)備組成

（1）核心網(wǎng)。核心網(wǎng)設(shè)備提供接入網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸功能。對(duì)終端接入進(jìn)行控制管理，實(shí)現(xiàn)接入終端身份驗(yàn)證、鑒權(quán)和密鑰管理等，提供高安全的網(wǎng)絡(luò)接入控制；提供用戶信息、用戶等級(jí)的管理和查詢，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度與管理，保障系統(tǒng)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的正常通信，提高系統(tǒng)通信可靠性；管理接入終端和外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的連接，完成用戶數(shù)據(jù)的路由和處理，實(shí)現(xiàn)接入終端數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。

（2）基站?；驹O(shè)備是 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無(wú)線接入設(shè)備，主要完成包括空中接口、接入控制、移動(dòng)性控制、用戶資源分配等無(wú)線資源管理功能。由基站室內(nèi)單元 (Base Band Unit，BBU) 和基站室外單元 (Radio Remote Unit，RRU) 組成。其中，BBU 采用集成度高、全 IP 化的硬件平臺(tái)，集中放置在機(jī)房；RRU 工作頻段為1.8 GHz，采用緊湊型設(shè)計(jì)，便于室外安裝。BBU 和 RRU 采用射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)，通過(guò)光纖連接，從而降低網(wǎng)絡(luò)布置的難度和成本。為適應(yīng)鐵路站場(chǎng)應(yīng)用要求，BBU 可以融合演進(jìn)分組核心網(wǎng)功能，具備單站組網(wǎng)能力。

（3）終端設(shè)備。手持機(jī)集群終端設(shè)備采用工業(yè)級(jí)三防設(shè)計(jì)，顯示屏強(qiáng)光可見，采用 Android 智能操作系統(tǒng)，能夠同時(shí)支持私密呼叫、組呼、短信、彩信、寬帶數(shù)據(jù)接入、視頻監(jiān)控和回傳業(yè)務(wù)，以及多業(yè)務(wù)并發(fā)功能，可用于現(xiàn)場(chǎng)集群通信與手持機(jī)拍照上傳作業(yè)，適應(yīng)鐵路站場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

3.4 應(yīng)用實(shí)踐效果

TD-LTE 4G 在洛陽(yáng)北站的應(yīng)用實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠滿足鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求，并且具備較強(qiáng)的適應(yīng)性。TD-LTE 4G 采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等技術(shù)，系統(tǒng)峰值速率下行100Mbps、上行可達(dá)50 Mbps，帶寬是傳統(tǒng)的窄帶專網(wǎng)系統(tǒng)的幾十倍；系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，可以與其他現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)互連互通；不同廠家的設(shè)備之間可兼容；同時(shí) TD-LTE 具有明確的技術(shù)演進(jìn)方向，由中國(guó)主導(dǎo)，包含大量中國(guó)專利，得到廣泛的國(guó)際支持。

因此，鄭州鐵路局將該技術(shù)推廣應(yīng)用至鄭州北站貨檢安全監(jiān)控系統(tǒng)，并且在2014年蘭考站全路貨運(yùn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上，將基于 TD-LTE 4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的手持機(jī)，嵌入蘭考貨運(yùn)站安全管理信息系統(tǒng)，接受全路貨運(yùn)系統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)和專家的檢驗(yàn)。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)各種環(huán)境 (含專用線棚車內(nèi)作業(yè)、夜間無(wú)照明、雨雪天氣等) 下的作業(yè)數(shù)據(jù)和圖像實(shí)時(shí)傳輸、與后臺(tái)交互式作業(yè)流程控制、語(yǔ)音通話、拍照和現(xiàn)場(chǎng)錄像等方面的應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

將 TD-LTE 4G 技術(shù)引入鐵路站場(chǎng)，在鐵路站場(chǎng)部署寬帶無(wú)線覆蓋，提供大帶寬、高速率、全 IP、廣區(qū)域、安裝簡(jiǎn)單的LTE 寬帶集群通信平臺(tái)，滿足鐵路車、機(jī)、工、電、輛各項(xiàng)業(yè)務(wù)對(duì)作業(yè)前端數(shù)據(jù)集成平臺(tái)、數(shù)據(jù)及圖像采集及傳輸、交互式作業(yè)流程控制、過(guò)程控制、應(yīng)急處置[5]、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控指揮等方面的需要，既符合中國(guó)鐵路總公司有關(guān)技術(shù)規(guī)范，又具有發(fā)展戰(zhàn)略的前瞻性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)踐的深入，TD-LTE 4G 技術(shù)將在鐵路站場(chǎng)及更多領(lǐng)域具有更加廣闊的發(fā)展前景，將為鐵路信息化建設(shè)做出更大貢獻(xiàn)。

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