基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的川藏鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

周宇暉

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

川藏鐵路東起四川省成都市，向西經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝、山南，終到西藏自治區(qū)首府拉薩。全線運(yùn)營長度1 567 km，其中成都至雅安段（成雅段）已于2018 年12 月28 日開通運(yùn)營，拉薩至林芝段（拉林段）已于2014 年12 月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2021 年建成通車；雅安至林芝為新建段，正線全長1 008.45 km，橋隧比95.8%。

川藏鐵路沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，橫貫岡底斯山與念青唐古拉山、喜馬拉雅山等多處山脈，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、巖性多變、地形復(fù)雜、坡陡谷深、氣候平面分區(qū)及垂直分帶明顯，因此沿線各處水文地質(zhì)條件差異較大。雷電、暴雨、雨雪冰凍、大風(fēng)等極端氣候?qū)е卤浪涫?、滑坡、泥石流、河谷風(fēng)沙等不良地質(zhì)頻發(fā)。強(qiáng)降雨引發(fā)的暴雨洪澇、中小河流洪水，會(huì)造成路基電力設(shè)施以及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的毀壞，以及軌道淹沒、涵洞淹沒等問題；嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)滑坡、泥石流、崩塌等次生災(zāi)害，埋沒軌道，造成列車運(yùn)行中斷、顛覆等事故。因此，加強(qiáng)川藏鐵路沿線的自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，提高信息實(shí)時(shí)傳輸與敏捷處理能力，“由防轉(zhuǎn)預(yù)”，對(duì)保障鐵路運(yùn)營安全有著極重要的意義。

2 川藏鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析

2.1 鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

國內(nèi)高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡稱災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）自2008 年在京津城際鐵路首次采用以來，目前已在全國范圍的高速鐵路及城際鐵路開通運(yùn)行。已開通運(yùn)行的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是按線建設(shè)，系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)控單元、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理設(shè)備、監(jiān)控終端及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

目前鐵路行業(yè)內(nèi)，災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，針對(duì)川藏鐵路特殊地形地貌和地質(zhì)條件，如崩塌落石、滑坡、泥石流、隧道位移等特殊自然災(zāi)害，存在災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍大、軌旁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，傳統(tǒng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍存在著一定的不適用性。

同時(shí)，傳統(tǒng)方案中災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息回傳通常采用光電纜和鐵路有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的方案，此種方式占用線纜資源、依賴線路敷設(shè)條件和軌旁通信設(shè)備房屋，工程成本較高，且不適用于川藏線復(fù)雜的線路地質(zhì)特征。因此，很有必要利用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重新構(gòu)建川藏鐵路的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知技術(shù)需求

2.2.1 氣候?yàn)?zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求

川藏鐵路沿線的氣候?yàn)?zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求包括：監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)；易發(fā)生滑坡、泥石流、危巖、落石、崩塌等重點(diǎn)區(qū)段及高路基、深路塹地段的雨量監(jiān)測(cè)；在最大積雪深度超過設(shè)定閾值區(qū)域進(jìn)行雪深監(jiān)測(cè)。

2.2.2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求

川藏鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求包括：沿線路每隔一定范圍進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，如地震、滑坡、泥石流、崩塌、地裂縫、冰川、活動(dòng)斷層、區(qū)域地面沉降和區(qū)域地表塌陷等；運(yùn)營期隧道進(jìn)出口高陡邊坡、山體穩(wěn)定性等監(jiān)測(cè)。

2.2.3 基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求

基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害監(jiān)測(cè)感知需求包括：隧道圍巖變形、豎向位移、底板沉降監(jiān)測(cè)，同時(shí)隧道變形監(jiān)測(cè)的各種傳感器應(yīng)布設(shè)在不良地質(zhì)構(gòu)造、斷層、襯砌結(jié)構(gòu)裂縫較多和其他變形敏感的部位；橋梁變形監(jiān)測(cè)的內(nèi)容應(yīng)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型確定，特大型橋梁應(yīng)建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)包含定位、位移傳感、內(nèi)部溫度和外部溫度傳感、風(fēng)力風(fēng)向傳感等功能，并能夠?qū)⑻卮笮蜆蛄褐饕Y(jié)構(gòu)物的形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或定時(shí)發(fā)送；凍脹路基地段應(yīng)進(jìn)行垂直位移監(jiān)測(cè)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分析

3.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）的概念最早是由麻省理工學(xué)院的Auto-ID 中心在1999 年提出的，其定義是：通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。這其中有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。

因此，物聯(lián)網(wǎng)是把傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運(yùn)算技術(shù)等融為一體，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳送、智能處理為特征的，連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)。通過物聯(lián)網(wǎng)，可以幫助人類社會(huì)與物理世界的有機(jī)結(jié)合，使人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式認(rèn)知世界，并進(jìn)行管理與控制，從而提高整個(gè)社會(huì)的信息化水平。

目前通常所說的物聯(lián)網(wǎng)一般指無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在世界范圍內(nèi)主要有蜂窩（NB-IoT，eMTC，LTE-V，GSM 等）和非蜂窩（LoRa）兩大技術(shù)陣營。蜂窩技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是頻率復(fù)用和時(shí)空復(fù)用，使無線資源的利用率得以大大提高；而非蜂窩技術(shù)依托于其本身部署于免授權(quán)頻譜，使得系統(tǒng)建設(shè)不受限于國家無線電頻率監(jiān)管，變得更加靈活，但同時(shí)由于是免授權(quán)頻譜，也使得干擾難以協(xié)調(diào)、缺乏統(tǒng)一管理，服務(wù)質(zhì)量難以得到保證。同時(shí)，藍(lán)牙、ZigBee、衛(wèi)星通信、光電纜等技術(shù)均可歸集為廣義的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

因此，頻率資源和應(yīng)用場(chǎng)景匹配是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.2 鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率

無線電頻譜是一個(gè)有限、不可再生的自然資源，也是國家寶貴的戰(zhàn)略資源，因此各國對(duì)于無線電頻譜都有專門的管理機(jī)構(gòu)，出臺(tái)專門的政策法規(guī)，實(shí)現(xiàn)無線電頻譜的統(tǒng)一規(guī)劃管理。目前各國的頻譜管理大多數(shù)采用固定頻譜分配策略，即頻譜資源由政府主管部門管理并分配給固定的授權(quán)用戶，這樣能夠確保各用戶之間避免過多相互干擾，更好利用頻譜資源。目前頻譜資源可分為兩類：授權(quán)頻譜（Licensed Spectrum）和非授權(quán)頻譜（Unlicensed Spectrum）。

1）授權(quán)頻譜

授權(quán)頻譜受到嚴(yán)格的限制和保護(hù)，只允許授權(quán)用戶及其符合規(guī)范的設(shè)備接入，而且用戶要為此進(jìn)行付費(fèi)。目前，公安、鐵路、民航、廣電、電信等重要的部門均擁有一定的授權(quán)頻譜，其具有安全性好、干擾小、受法律保護(hù)等特點(diǎn)。

2）非授權(quán)頻譜

非授權(quán)頻譜是滿足一定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都可以接入和使用的頻譜，但必須保證不對(duì)其他用戶造成干擾。比較典型的有Wi-Fi、藍(lán)牙等技術(shù)。但非授權(quán)頻譜不受監(jiān)管機(jī)構(gòu)保護(hù)，產(chǎn)生干擾后需企業(yè)間相互協(xié)調(diào)，難度較大。

由于災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息屬于相對(duì)敏感信息，對(duì)鐵路行車運(yùn)行安全產(chǎn)生直接影響，因此，與其相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用建議選用鐵路專用頻譜資源。

國內(nèi)鐵路是最早使用無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度指揮、安全控制、信息傳送的行業(yè)，特別是高速鐵路的調(diào)度指揮、列車運(yùn)行自動(dòng)控制、車地間各類安全檢測(cè)信息的傳送和交互，必須依靠無線電通信技術(shù)。自二十世紀(jì)五十年代至今，國內(nèi)鐵路部門部署了多種鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，包括GSM-R 系統(tǒng)、列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)、站場(chǎng)調(diào)車和養(yǎng)護(hù)維修通信系統(tǒng)、車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、列車安全防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)、站場(chǎng)寬帶無線接入系統(tǒng)和高速鐵路列車運(yùn)行控制應(yīng)答器系統(tǒng)。

目前，鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率可被授權(quán)在全國范圍內(nèi)進(jìn)行廣域覆蓋的有GSM-R 系統(tǒng)所使 用 的885 ～889/930 ～934 MHz 頻 率（帶 寬2×4 MHz，信道間隔200 kHz）以及列尾、站場(chǎng)調(diào)車和養(yǎng)護(hù)維修通信所用的400 MHz 頻率（窄帶，24 個(gè)頻點(diǎn)，信道間隔25 kHz）。

3.3 應(yīng)用場(chǎng)景分析

川藏鐵路橋隧比95.8%，其中新建隧道851.48 km（72 座），占線路長度84.43%。因此，選擇北斗等衛(wèi)星通信技術(shù)，在隧道內(nèi)需要增設(shè)地面增強(qiáng)站和無線直放站進(jìn)行覆蓋，從工程經(jīng)濟(jì)性角度并不適用。且從運(yùn)營維護(hù)角度，全線應(yīng)選擇統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)回傳技術(shù)。

3.4 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)

3.4.1 mMTC

海量機(jī)器類通信又稱為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（massive Machine Type of Communication，mMTC），是3GPP 定義的5G 應(yīng)用場(chǎng)景之一，主要為解決物與物的大規(guī)模通信需求，應(yīng)用于智慧城市、智能家居、可穿戴設(shè)備等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的場(chǎng)景。但根據(jù)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，mMTC 標(biāo)準(zhǔn)尚未凍結(jié)，預(yù)計(jì)將于2022 年的Rel 17 版本推出。

3.4.2 LTE-V（LTE-Vehicle）

LTE-V 以LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為V2X（Vehicleto-Everything）的基礎(chǔ)。LTE-V 能重復(fù)使用現(xiàn)有的蜂窩基站基礎(chǔ)建設(shè)與頻譜。LTE-V 包括集中式（LTE-V-Cell）和分布式（LTE-V-Direct）兩種技術(shù)。其中LTE-V-Cell 以基站為分布中心，車和車之間通過基站交互信息；LTE-V-Direct 則是車車之間的直接通信。

3.4.3 eMTC

eMTC 是LTE-M2M（LTE-Machine-to-Machine）在3GPP Rel13 規(guī)范中的叫法，是基于LTE 演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。eMTC 在現(xiàn)有LTE 技術(shù)基礎(chǔ)上，使用1.4 MHz 頻寬承載業(yè)務(wù)，滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求，支持低速移動(dòng)和小區(qū)切換。

3.4.4 NB-IoT

NB-IoT 是在基于FDD LTE 技術(shù)上改造而來的，物理層設(shè)計(jì)大部分沿用LTE 系統(tǒng)技術(shù)，如上行采用SC-FDMA，下行采用OFDM。高層協(xié)議設(shè)計(jì)沿用LTE 協(xié)議，針對(duì)其小數(shù)據(jù)包、低功耗和大連接特性進(jìn)行功能增強(qiáng)。NB-IoT 來源自NB-CIoT 和NB-LTE，在3GPP Rel13 規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)化，是一種更適用于靜止或準(zhǔn)靜止條件下低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

3.4.5 Weightless-P

Weightless-P 技術(shù)是針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低功耗、低成本和復(fù)雜多變的通信場(chǎng)景而專門設(shè)計(jì)的無線通信技術(shù)，主要工作在1 GHz 以下頻段內(nèi)。物理層采用GMSK 和OQPSK 常用調(diào)制技術(shù)，能夠在人口密集的城市環(huán)境提供2 km 的覆蓋范圍。

3.4.6 LoRa

LoRa 是LPWAN 通信技術(shù)的一種，是美國Semtech 公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。目前，LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz 等，是一種更適用于靜止或準(zhǔn)靜止條件下低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，特別適用于頻譜申請(qǐng)困難的場(chǎng)景。

3.4.7 多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特性對(duì)比

從部署方式、占用帶寬、數(shù)據(jù)速率、空口技術(shù)等多個(gè)維度對(duì)上述移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，具體如表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特性對(duì)比表Tab 1 Comparison of technological characteristics for internet of things

3.5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案建議

目前鐵路可用于廣域覆蓋的專用移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率主要為900 MHz 的2×4 MHz 帶寬（頻寬200 kHz）和400 MHz 的24 個(gè) 頻 點(diǎn)（頻 寬25 kHz）。結(jié)合專用頻率，可用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有NB-IoT、Weightless-P。

1）NB-IoT

可使用GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)頻率中的一對(duì)頻點(diǎn)（200 kHz）進(jìn)行NB-IoT 系統(tǒng)部署，900 MHz 為NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)頻率配置，全球產(chǎn)業(yè)鏈豐富，具體使用方案如圖1 所示。

圖1 NB-IoT鐵路頻率使用規(guī)劃圖Fig.1 Comparation list of IoT technology characteristics

工程部署時(shí)，核心網(wǎng)可設(shè)置在目前GSM-R MSC 所在地，由于頻率特性相同，NB-IoT 的基站可與GSM-R 基站同址部署，既能解決網(wǎng)內(nèi)干擾問題，也能節(jié)省站址用地、外電引入、鐵塔架設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施投資。但NB-IoT 占用了GSM-R 系統(tǒng)的一對(duì)頻點(diǎn)，因此需考慮與GSM-R 系統(tǒng)間的頻率規(guī)劃和干擾協(xié)調(diào)問題。

2）Weightless-P

可使用400 MHz 數(shù)字對(duì)講頻率中的一對(duì)頻點(diǎn)（25 kHz）進(jìn)行系統(tǒng)部署，核心網(wǎng)可設(shè)置在目前GSM-R MSC 所在地。由于400 MHz 頻率較低，根據(jù)路徑損耗計(jì)算，覆蓋范圍至少是GSM-R系統(tǒng)的一倍，因此Weightless-P 的基站可采取與GSM-R 基站隔站部署的方案，節(jié)省站址用地、外電引入、鐵塔架設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施投資。但Weightless-P系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率較低（200 bit/s），僅能適用于部分模擬開關(guān)量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息回傳。

4 基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案建議

川藏鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用“一中心，一張網(wǎng)，泛連接”的整體系統(tǒng)框架，打破傳統(tǒng)風(fēng)、雨、雪等災(zāi)害監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的概念，構(gòu)建底層感知與上層應(yīng)用解耦的全系統(tǒng)架構(gòu)。

“一中心”是指在路局所在地建設(shè)統(tǒng)一的云平臺(tái)和數(shù)據(jù)服務(wù)中心，維護(hù)管理人員配備瘦終端和云桌面。但如地震監(jiān)測(cè)等與列車控制聯(lián)動(dòng)的重要應(yīng)用系統(tǒng)，可在車站級(jí)部署物理服務(wù)器，作為車站降級(jí)處理使用。其他子系統(tǒng)均采用中心化方案。

“一張網(wǎng)”是指移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)。

“泛連接”是指由移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)連接的在軌旁部署的感知設(shè)施。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

通過中心云計(jì)算+大數(shù)據(jù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)傳感器提供的信息進(jìn)行綜合處理和數(shù)據(jù)分析，具有空間定位、定性和定量分析的功能；可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取信息、處理信息，為減災(zāi)救災(zāi)提供可靠、高效的服務(wù)。

圖2 川藏鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of Sichuan-Tibet railway disaster monitoring and IoT system architecture

同時(shí)，利用川藏鐵路沿線泛在部署的各類傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，通過分析某一時(shí)間周期內(nèi)，災(zāi)害報(bào)警次數(shù)、影響時(shí)長等參數(shù)對(duì)災(zāi)害報(bào)警進(jìn)行規(guī)律挖掘，建立災(zāi)害分析的大數(shù)據(jù)模型，預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、規(guī)模等信息。主要分析大風(fēng)、暴雨、暴雪、地質(zhì)災(zāi)害、基礎(chǔ)設(shè)施健康等的時(shí)空分布規(guī)律，對(duì)未來一定時(shí)期內(nèi)災(zāi)害發(fā)生概率及發(fā)展變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

5 結(jié)束語

隨著信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展，“云大物移智”已經(jīng)深入到生產(chǎn)生活的方方面面。川藏鐵路作為當(dāng)前國家重點(diǎn)工程，在引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)布局、整合旅游資源、拉動(dòng)西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面都有著舉足輕重的作用。因此，在川藏鐵路示范建設(shè)具有創(chuàng)新性的災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，既可以解決工程建設(shè)與運(yùn)營維護(hù)的實(shí)際需求，也可以繼續(xù)推進(jìn)“智能鐵路”的發(fā)展，有著重大而深遠(yuǎn)的意義。