空天車地一體化技術(shù)在列車群車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用框架研究

高一凡　馬小平　陳小英　劉曉光

摘 要：通過研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及空天車地一體化網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建需求，搭建基于空天車地一體化列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體框架;分別建立艇載、機(jī)載、車載、區(qū)域監(jiān)測和地面中心監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，闡述系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu);提出基于空天車地一體化的列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)及信息傳輸?shù)汝P(guān)鍵問題。為進(jìn)一步研究服務(wù)于列車群監(jiān)測和通信的空天車地一體化網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用研究起到指導(dǎo)和啟發(fā)作用。

關(guān)鍵詞：軌道交通;列車群;車聯(lián)網(wǎng);空天車地;總體架構(gòu)

中圖分類號：U285.5+5

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為新的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，正在逐漸興起。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)延伸和擴(kuò)展到任何物與物、物與人之間進(jìn)行的信息交換和通信[1]。車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域的運(yùn)用，車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了車、軌與人的互聯(lián)互通，促進(jìn)了車、交通和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)向更加現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[2-4]。車聯(lián)網(wǎng)利用裝載在車輛上的電子標(biāo)簽通過無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等技術(shù)獲取車輛的行駛屬性和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過GPS等全球定位技術(shù)獲取車輛行駛位置等參數(shù)[5]，通過3G/4G等無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和共享[6]，通過RFID和傳感器獲取軌道、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的使用狀況[7]，最后通過互聯(lián)網(wǎng)信息平臺實(shí)現(xiàn)對車輛的運(yùn)行監(jiān)控以及提供各種交通綜合服務(wù)。目前，車輛移動互聯(lián)技術(shù)主要應(yīng)用在汽車上，鐵路車輛移動互聯(lián)技術(shù)尚無應(yīng)用。列車群車聯(lián)網(wǎng)是鐵路車輛移動互聯(lián)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，利用車載電子傳感裝置，通過網(wǎng)絡(luò)完成信息交換，使車與軌、車與車、車與人之間的信息互聯(lián)互通，對車輛和交通狀況進(jìn)行有效的智能監(jiān)控[8]。與傳統(tǒng)的鐵路智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System， RITS）相比，列車群車聯(lián)網(wǎng)更注重車與車、車與人之間的交互通信，通過提取更多車輛行駛參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)來保障列車行駛安全、提高出行舒適度[9]。列車群車聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)概念的著陸點(diǎn)，將具體的物理世界限定到車、軌和人上?；诳仗燔嚨匾惑w化的列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體框架的建立，解決了列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題，從而為該領(lǐng)域理論和應(yīng)用研究提供指導(dǎo)。

1 列車群車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

1.1 列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體描述

面向軌道交通安全運(yùn)營監(jiān)測任務(wù)，快速構(gòu)建以靜空平臺節(jié)點(diǎn)為核心的空天車地一體化列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（包括衛(wèi)星、多個無人機(jī)、列車、地面節(jié)點(diǎn)等），是實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)立體化、全天候監(jiān)測的關(guān)鍵[10-15]。然而，由于無人機(jī)、列車節(jié)點(diǎn)的動態(tài)性以及空中子網(wǎng)、列車子網(wǎng)以及地面子網(wǎng)在信息協(xié)議格式、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、業(yè)務(wù)傳輸控制以及用戶地址空間等方面的異構(gòu)性，對空-車-地一體化協(xié)同組網(wǎng)帶來極大的挑戰(zhàn)。

首先，針對軌道交通系統(tǒng)列車開行方式和線路網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，研究列車群車聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)約束條件和車車信息傳輸與共享需求，提出適應(yīng)于空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)和軌道交通業(yè)務(wù)場景需求的列車群車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。然后，針對軌道交通大范圍實(shí)時(shí)運(yùn)營安全保障對廣域立體監(jiān)測、多尺度監(jiān)測信息深度融合等的迫切需求，研究艇載、機(jī)載、車載、軌旁等監(jiān)測裝置的監(jiān)測信息特點(diǎn)和傳輸需求，提出依托于空天車地軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)和傳輸設(shè)備，確定可實(shí)現(xiàn)車輛移動安全信息接入與融合傳輸?shù)目仗燔嚨匾惑w化架構(gòu)。

1.2 列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體框架

基于工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等，結(jié)合列車移動安全信息接入與融合傳輸需求，研究適用的安全信息接入、一體化匯聚處理與融合傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空天車地專用網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)與車輛安全相關(guān)信息的接入及與移動列車的高效交互?？仗燔嚨匾惑w化列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對軌道交通的大范圍實(shí)時(shí)運(yùn)營安全保障，對廣域立體監(jiān)測、多尺度監(jiān)測信息的深度融合，需考慮多源監(jiān)測信息的接入和分發(fā)等2方面關(guān)鍵問題，進(jìn)行系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)。基于空天車地一體化的列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。系統(tǒng)由無人機(jī)節(jié)點(diǎn)、飛艇節(jié)點(diǎn)、列車節(jié)點(diǎn)、地面中心節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)組成。

（1）艇載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了艇載載荷與艇載無線通信模塊之間的通信嫁接;機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)上載荷與無人機(jī)無線通信模塊之間的通信嫁接;車載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了車載采集設(shè)備與車載無線通信模塊之間的通信嫁接;地面控制中心主網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了地面核心機(jī)房處理設(shè)備與艇載、機(jī)載無線通信模塊之間的通信嫁接。

（2）系統(tǒng)總體采用低功耗、高性能的設(shè)計(jì)方法，綜合考慮性能、環(huán)境等因素，研制艇載/機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、車載通信及業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信及業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、地面控制中心主網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，構(gòu)建基于空臨天地網(wǎng)絡(luò)的列車移動互聯(lián)及安全狀態(tài)信息交互網(wǎng)絡(luò)。

（3）艇載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)用于艇載的光學(xué)、紅外等監(jiān)測載荷的監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)接入并按約定的傳輸方式輸出給艇載的空地?zé)o線傳輸系統(tǒng);機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)用于機(jī)載的光學(xué)、紅外、激光雷達(dá)等監(jiān)測載荷的監(jiān)測輸出數(shù)據(jù)接入并按約定的傳輸方式輸出給機(jī)載的空地?zé)o線傳輸系統(tǒng);車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備用于車載監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測與診斷數(shù)據(jù)接入并按約定的傳輸方式輸出給車載的空天車地專用車載無線信道設(shè)備;區(qū)域節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備用于軌旁地面重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施、地質(zhì)區(qū)域的地面監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入及向空天車地專用無線信道設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā);地面中心網(wǎng)關(guān)與艇載/機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、車載網(wǎng)關(guān)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)協(xié)同建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸管道;協(xié)同各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的傳輸統(tǒng)計(jì)和傳輸調(diào)度;通過車輛移動互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車車、車地信息無縫共享，支撐列車群關(guān)鍵安全信息的實(shí)時(shí)共享及主動安全防護(hù)信息的交互。

2 一體化列車群車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

2.1 列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對軌道交通系統(tǒng)列車開行方式和線路網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，研究列車群車聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)約束條件和車車信息傳輸與共享需求，提出適應(yīng)于天臨空地車軌道交通專用網(wǎng)絡(luò)和軌道交通業(yè)務(wù)場景需求的列車群車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（圖2），以及列車群車聯(lián)網(wǎng)車載網(wǎng)關(guān)MR（Mobile Router）管理架構(gòu)（圖3）。

（1）在列車的各車輛之間通過安裝無線網(wǎng)橋，組成該機(jī)車的車載局域網(wǎng)。在列車兩端分別部署1臺MR設(shè)備，2臺MR連接到車載局域網(wǎng)絡(luò)，2臺MR互為主備。車頭和車尾分別部署1個（或多個）車載無線接入設(shè)備，分別連接（或部署）到MR。

（2）每個MR都?xì)w屬于1個固定的HA（Home Agent）網(wǎng)關(guān)，為歸屬網(wǎng)關(guān)。MR當(dāng)前所在區(qū)域的HA網(wǎng)關(guān)為訪問網(wǎng)關(guān)。當(dāng)MR當(dāng)前所在區(qū)域?yàn)闅w屬地時(shí)，訪問網(wǎng)關(guān)與歸屬網(wǎng)關(guān)一致。

（3）當(dāng)MR處于歸屬地時(shí)，MR控制車載無線接入設(shè)備與軌旁設(shè)備建立無線鏈路后，直接與歸屬網(wǎng)關(guān)完成鑒權(quán)認(rèn)證，建立安全傳輸管道。

（4）當(dāng)MR處于訪問地時(shí)，MR控制車載無線接入設(shè)備與軌旁設(shè)備建立無線鏈路后，與訪問網(wǎng)關(guān)完成鑒權(quán)認(rèn)證，與歸屬網(wǎng)關(guān)建立安全傳輸管道。

（5）多個MR與各自歸屬網(wǎng)關(guān)構(gòu)成車地通信鏈路，車與地之間通過MR-HA路徑進(jìn)行安全通信。歸屬網(wǎng)關(guān)也可將MR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其它所需的目標(biāo)地址。

（6）HA網(wǎng)關(guān)之間互聯(lián)構(gòu)成基于HA中轉(zhuǎn)的多MR車-車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。車與車之間的業(yè)務(wù)設(shè)備可通過MR-HA-MR或MR-HA-HA-MR構(gòu)成的路徑進(jìn)行車-車互聯(lián)安全通信。

（7）MR支持多無線制式接入，包括空天車地一體化專網(wǎng)、鐵路無線通信專網(wǎng)、運(yùn)營商公眾網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。MR支持多鏈路接入和管理功能，根據(jù)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，制定優(yōu)先級策略，選擇相應(yīng)鏈路傳輸。

2.2 傳輸機(jī)制及工作流程

2.2.1 傳輸機(jī)制

安全信息接入、一體化匯聚處理與融合傳輸機(jī)制如圖4所示，系統(tǒng)中各載荷節(jié)點(diǎn)（艇載監(jiān)測載荷、機(jī)載監(jiān)測載荷、車載監(jiān)測載荷、區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)）通過相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（艇載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)、車載網(wǎng)關(guān)、區(qū)域監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)）對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到地面中心網(wǎng)關(guān)，在地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行系統(tǒng)安全狀態(tài)分析評估、安全態(tài)勢演化預(yù)測預(yù)警和圖形化展示。

2.2.2 工作流程

（1）艇載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流為，艇載載荷數(shù)據(jù)傳給艇載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一打包后，經(jīng)高速數(shù)傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網(wǎng)關(guān)接收解析，如圖5所示。

（2）機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流為，機(jī)載載荷數(shù)據(jù)傳給機(jī)載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一打包后，經(jīng)高速數(shù)傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網(wǎng)關(guān)接收解析，如圖6所示。

（3）車載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流為，車載傳感器數(shù)據(jù)傳給車載監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一打包后，經(jīng)高速數(shù)傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網(wǎng)關(guān)接收解析，如圖7所示。

（4）區(qū)域節(jié)點(diǎn)通信及業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流為，軌旁采集傳感器數(shù)據(jù)傳給區(qū)域監(jiān)測節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一打包后，經(jīng)高速數(shù)傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網(wǎng)關(guān)接收解析，如圖8所示。

（5）地面控制中心主網(wǎng)關(guān)。其數(shù)據(jù)流為，地面控制中心主網(wǎng)關(guān)接收來自艇載移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)、機(jī)載移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)、車載移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)和區(qū)域節(jié)點(diǎn)移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)地面控制中心主通信網(wǎng)關(guān)接收解析后，發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理，如圖9所示。

3 基于空天車地一體化的列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵問題

研究基于空天車地一體化的列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，有眾多技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題亟待解決，主要有以下幾個方面。

（1）信息交互鏈路不確定、鏈路拓?fù)潢P(guān)系存在時(shí)變性。

核心挑戰(zhàn)：動態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)快速自動組網(wǎng)和數(shù)據(jù)鏈構(gòu)建。

解決方案：多個列車車載業(yè)務(wù)設(shè)備之間通過各自的MR與所屬的HA建立安全管道進(jìn)行通信。車載業(yè)務(wù)設(shè)備與地面業(yè)務(wù)服務(wù)器之間通過MR與所屬的HA建立的安全管道進(jìn)行通信。通過MR和HA對無線鏈路傳輸通道統(tǒng)一管理，使車車之間、車地之間進(jìn)行無縫通信，并對通信車輛、通信內(nèi)容和通信權(quán)限進(jìn)行全局管控，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的路由尋址方法。

（2）信息傳輸過程中的跨制式切換、跨制式傳輸。

核心挑戰(zhàn)：不同制式承載的多鏈路傳輸管理機(jī)制。

解決方案：MR支持多制式無線網(wǎng)絡(luò)接入，包括空天車地一體化專網(wǎng)、鐵路無線通信專網(wǎng)、運(yùn)營商公眾網(wǎng)絡(luò)等。多制式接入控制技術(shù)用于控制車載通信設(shè)備接入多種制式的無線網(wǎng)絡(luò)，建立一條或多條無線鏈路;MR對多鏈路管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)通過鏈路質(zhì)量最好的鏈路單播傳輸，或通過所有可用鏈路多播到HA。MR與HA之間的通信支持基于QoS（Quality of Service）的數(shù)據(jù)管理、隊(duì)列緩沖等功能。從而實(shí)現(xiàn)了不同制式承載的數(shù)據(jù)鏈動態(tài)構(gòu)建。

（3）開放空間、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備眾多。

核心挑戰(zhàn)：車輛移動互聯(lián)傳輸中的可靠性和安全性保障。

解決方案：安全傳輸，通過MR與HA建立安全管道，車-車信息與車-地信息均在安全管道中傳輸，安全管道支持多種加密機(jī)制，能夠保障信息的安全傳輸;可靠傳輸，MR與HA構(gòu)成主備系統(tǒng)，車載2臺MR分別部署在車頭和車尾可以起到容災(zāi)和備份作用，地面2臺HA網(wǎng)關(guān)互為主備，并支持異地HA網(wǎng)關(guān)容災(zāi)備份，從而保障信息的可靠傳輸。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了基于空天車地一體化技術(shù)在列車群車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)研究中的現(xiàn)狀及問題，提出了系統(tǒng)總體框架，并分別介紹了艇載節(jié)點(diǎn)、機(jī)載節(jié)點(diǎn)、車載節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵性能和通信模式，最后詳細(xì)分析了系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題，以期為該領(lǐng)域技術(shù)研究和深化應(yīng)用提供借鑒。

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收稿日期 2020-01-10

責(zé)任編輯 朱開明

Research on application framework of integration of rail systemwide technology in the train group network

Gao Yifan， Ma Xiaoping， Chen Xiaoying， et al.

Abstract： By studying the theory and application of Internet of Things technology， Internet of Vehicles technology and railway systemwide （including weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.） integrated network， this paper analyzes the construction requirements of the train group and vehicle network system， builds the overall framework of the train group and vehicle network system based on integrated system such as weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， respectively establishes the monitoring nodes and internets of train borne， cab-borne， car onboard， regional monitoring and trackside center etc.， and elaborates the communication structure of the system. This paper puts forward key problems such as the physical architecture design and information transmission of the train group and Internet of Vehicles system based on the integration of weather， clearance， vehicle and infrastructure etc. It plays a guiding and enlightening role in the further study of the theory and application of the systemwide integration network of weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， serving the train group monitoring and communication.

Keywords： rail transit， train group， Internet of Vehicles， railway systemwide factors including weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， overall structure

基金項(xiàng)目：十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（編號：2016YFB1200100）

作者簡介：高一凡（1978—）男，工程師