鐵路信息島毫米波與ICT融合信息傳輸平臺的研究

朱巖 戚建淮 劉航 崔宸 解亞飛

(1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100000；2.深圳市永達電子信息股份有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引言

近年來，中國鐵路獲得巨大發(fā)展，根據(jù)2022年1月4日召開的國鐵集團工作會議所透露信息，截至2021年底，國內(nèi)鐵路營業(yè)里程已超過15萬公里，其中高鐵營業(yè)里程已超過4萬公里，當前高速鐵路已開始向智能化方向[1]發(fā)展，高鐵與通信技術的結合，是構建智能高鐵的基礎[2]。

由于中國地形復雜，鐵路（含高鐵）途徑很多地質(zhì)條件復雜、與外界通訊條件惡劣的偏遠地區(qū)，如成渝高鐵、成貴高鐵、西成高鐵等，沿途穿越地質(zhì)條件極度復雜的山區(qū)，橋隧相連。在隧道之間的路段上存在大量對外通訊條件極度惡劣的區(qū)域，在這些區(qū)域可以通過布置相關監(jiān)控傳感器、信息處理及傳輸系統(tǒng)形成“信息島”。

由于很多信息孤島周邊地質(zhì)條件復雜，特別是部分信息孤島處于地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū)，區(qū)域內(nèi)易發(fā)生諸如地震、路面沉降、落石等可能引發(fā)行車事故的地質(zhì)災害，客觀上需要及時將信息孤島中的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞出來，以方便外部數(shù)據(jù)中心通過對監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析，及時發(fā)現(xiàn)風險，做好災害及時預警或排除已發(fā)生的災害對路段的威脅，從而減少行車事故的發(fā)生，切實保障旅客生命安全，以避免或減少國家重要基礎設施及財產(chǎn)的損失。

針對信息島監(jiān)控數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲需求，現(xiàn)有的傳輸方法及其缺點及問題如下：

（1）直接傳輸：線纜或架設無線通訊基站傳輸實施及維護困難，基礎投入成本高；采用衛(wèi)星通訊傳輸成本高，且信號傳輸速度慢。

（2）人工轉(zhuǎn)儲：維護困難，成本高，且信息滯后。

（3）無效監(jiān)控數(shù)據(jù)：信息島中傳感器會產(chǎn)生大量的無效數(shù)據(jù)（靜止不動的畫面、長期無明顯變化的振動、音頻數(shù)據(jù)等），數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲時對無效數(shù)據(jù)的傳輸不但浪費時間及成本，也會影響數(shù)據(jù)中心對關鍵數(shù)據(jù)查找及分析的效率，因此需要對無效監(jiān)控數(shù)據(jù)進行剔除。

針對以上問題，本文通過研究現(xiàn)有信息傳輸平臺的特點，結合毫米波相關應用技術，給出了一種信息島與外界進行間接信息交互的方案，通過信息島附近經(jīng)過的高鐵或動車作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲載體，將經(jīng)過篩選的關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)傳遞給外界的信息處理中心，并將信息處理中心的控制信息通過列車轉(zhuǎn)發(fā)給信息島地面信息接收裝置，從而實現(xiàn)信息島與外界有效的信息溝通。

2 現(xiàn)狀分析

通過以上對當前信息島的通訊條件及困難的分析，結合鐵路信息島周邊有高速列車定時經(jīng)過的現(xiàn)實條件，采用列車作為載體，通過車地間高速數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)信息島與外界的信息溝通是值得探討的問題解決思路。

關于車地間數(shù)據(jù)傳輸，當前已有方案實現(xiàn)了將部分列車視頻數(shù)據(jù)通過WLAN傳輸至地面信息系統(tǒng)[3]，但考慮到信息島過境列車通常處于高速行駛狀態(tài)，該方案的信號傳輸速率及穩(wěn)定性均不理想。隨著5G通信技術的發(fā)展，其高可靠、低時延、大帶寬的特點在鐵路各領域拓展了很多新應用場景[4-6]，5G的應用不但可以實時監(jiān)控動車組車載數(shù)據(jù)[7]，還可以實現(xiàn)大量車載數(shù)據(jù)在車地間的傳輸[8]。5G通信隨著傳輸頻段的增高，其傳輸速率隨之增大，通信距離縮短，毫米波是5G在高頻頻段的應用，可在特定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)儲[9-13]，根據(jù)車地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w條件及需求可選擇數(shù)據(jù)實時上傳，或數(shù)據(jù)集中上傳的方式[14]，當所需傳輸或轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)量較大時，采用毫米波作為高速且大帶寬的車地間無線傳輸通道，是一個較好的選擇[15]。目前已有毫米波通訊方案可實現(xiàn)列車在進出站場過程中與地面之間數(shù)據(jù)的快速傳輸[8]，可以解決車速過快時車地之間大量信息傳輸問題。

3 系統(tǒng)方案

3.1 系統(tǒng)架構

根據(jù)信息島信息轉(zhuǎn)儲及分析的實際需求，參考已有解決方案，首先需要采用適當?shù)暮撩撞ㄍㄓ嵎桨附鉀Q信息島與高速狀態(tài)下機車間大量監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸問題，同時需要使用適當?shù)姆椒ūM量減少所需傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，確保對關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲。據(jù)此信息島毫米波ICT融合信息傳輸平臺的架構可自上而下分為數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)傳輸層、信息收集層。

3.1.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心通過列車及通訊基站的中轉(zhuǎn)，接收信息島傳感器收集并經(jīng)過邊緣計算節(jié)點初步篩選得到的監(jiān)控及狀態(tài)信息，通過對數(shù)據(jù)進行智能分析確定信息島狀態(tài)；如需對信息島設備狀態(tài)進行調(diào)整（例如調(diào)整攝像頭拍攝角度，調(diào)整信息島通訊系統(tǒng)信號發(fā)送頻率、功率等），數(shù)據(jù)中心可將控制調(diào)整信息通過通訊基站及列車的中轉(zhuǎn)下達給信息島，由信息島邊緣計算節(jié)點自動進行工作狀態(tài)調(diào)整。

圖1 信息島毫米波ICT融合信息傳輸平臺系統(tǒng)架構圖

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸層

過境列車與外界通訊基站間可采用E波段毫米波進行信息傳輸；過境列車與信息島間采用V波段毫米波進行通訊；信息島內(nèi)各傳感器與邊緣計算節(jié)點之間采用Wifi方式進行連接。

3.1.3 信息收集層

每個信息島配備至少一個邊緣計算節(jié)點及所屬的存儲單元，其配備的存儲單元可存儲各種信息島附近可能影響行車安全事件發(fā)生時各種傳感器典型監(jiān)控信號特征；邊緣計算節(jié)點具備簡單的分析比對及數(shù)據(jù)篩選功能，可剔除無效監(jiān)控數(shù)據(jù)，并優(yōu)先傳輸轉(zhuǎn)儲可能造成更嚴重后果事件的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

3.2 重要功能

3.2.1 數(shù)據(jù)中心功能

數(shù)據(jù)中心可通過控制信息中轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)對信息島設備的主動維護及智能調(diào)度，可有效提升信息島設備運行的可靠性。對信息島上傳的監(jiān)控信息通過大數(shù)據(jù)分析方式，準確識別信息島附近可能發(fā)生或已發(fā)生的影響正常行車的事件，從而提前或盡快處理問題，有效提升行車安全性。

3.2.2 列車數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能

以運行中的鐵路高鐵/動車為信息島與數(shù)據(jù)中心信息傳遞的中介，其步驟如下：

（1）列車到達通訊基站附近，與通訊基站E波段毫米波天線臨時建立無線數(shù)據(jù)鏈接，從數(shù)據(jù)中心查詢獲取前方運行線路附近的信息島狀態(tài)清單，將信息島狀態(tài)清單信息保存到列車內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器上；數(shù)據(jù)中心同時將對信息島的操作指令發(fā)送給列車。

（2）列車經(jīng)過信息島附近，與信息島的V波段毫米波天線臨時建立無線數(shù)據(jù)鏈接，與信息島進行數(shù)據(jù)交換，將來自數(shù)據(jù)中心的控制信息發(fā)給信息島，同時將信息島監(jiān)控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲在列車上。

（3）當列車經(jīng)過信息島到達下一個通訊基站附近時，將通過前面步驟獲取的信息島數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心，可以釋放列車內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器該部分數(shù)據(jù)的存儲空間，繼續(xù)從數(shù)據(jù)中心獲取前方運行線路附近的信息島狀態(tài)清單，并接收數(shù)據(jù)中心對下一個即將經(jīng)過信息島的控制信息。

（4）在列車離開信息島后，根據(jù)數(shù)據(jù)中心事先提供的時刻表，如果確定最近將與本車會車（相對開行）的列車先到達可中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的通訊基站，可選擇在會車時通過雙方的毫米波收發(fā)裝置將監(jiān)控數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給對面的列車，由其中轉(zhuǎn)上傳數(shù)據(jù)中心。

3.2.3 信息島功能

（1）信息篩選：信息島對監(jiān)控信息按照兩種方法進行篩查，首先可按照對行車安全影響嚴重性對監(jiān)控信息進行分類，在轉(zhuǎn)儲時優(yōu)先發(fā)送可能造成更嚴重后果事件的監(jiān)控信息；其次為減小轉(zhuǎn)儲數(shù)據(jù)量，可剔除無效數(shù)據(jù)（靜止不動的畫面、長期無明顯變化的振動、音頻數(shù)據(jù)等）后,將關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲，從而降低最終上傳數(shù)據(jù)量，提升轉(zhuǎn)儲效率。

（2）數(shù)據(jù)傳輸：信息島內(nèi)的多個邊緣計算節(jié)點配有V波段毫米波收發(fā)基站，采用匯聚組網(wǎng)方式，基站間傳輸距離可達1公里，傳輸帶寬2.5G，主要用于基站間信息交換以及面向列車的信息交換。邊緣計算節(jié)點面向底層各傳感器采用Wifi鏈接，用于邊緣計算節(jié)點對底層傳感器信息收集或發(fā)送給底層傳感器控制信息。此外，為確保列車高速通過時與信息島之間信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性及完整性，一般采用多路徑冗余鏈接方式確保信號的傳輸。也即在整個傳輸?shù)倪^程中，當某些通信鏈路因行車或遮擋斷開時，至少保持一條信息島與列車聯(lián)通的通信鏈路，以確保信息的收發(fā)能夠準確完成。

（3）數(shù)據(jù)中繼：對于部分距離鐵路較遠的信息島，可以利用距離鐵路較近的信息島對其數(shù)據(jù)進行中轉(zhuǎn)，這樣可以延長傳輸距離，從而增加信息島監(jiān)控覆蓋范圍。

（4）休眠和喚醒：信息島附近環(huán)境大部分處于正常狀態(tài)，大部分傳感器只需要間歇性地觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)通訊也僅為短時通訊，因此在不進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊時信息島大部分設備可進入休眠狀態(tài)，按照設定的時間喚醒并進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，在遇到突發(fā)事件時可根據(jù)觸發(fā)條件自動喚醒設備，進行監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸，可以有效減小消耗，并進一步減少需要轉(zhuǎn)儲的無效數(shù)據(jù)量。

4 關鍵方法及流程

信息島的邊緣計算節(jié)點可采用信息分級傳輸及無效信息剔除兩種方法對傳感器監(jiān)控信息進行篩選，以確保轉(zhuǎn)儲時進行傳輸?shù)木鶠殛P鍵數(shù)據(jù)。

4.1 信息分級傳輸方法

4.1.1 信息分級

根據(jù)安全事件對行車安全影響嚴重程度進行分類：例如影響到正常行車的落石、地基沉降等為嚴重事件；暴雨、大風等可能影響行車安全的事件為警戒事件；對行車安全影響不大的為普通事件。信息島的邊緣計算節(jié)點需事先存儲可能影響行車的各級別安全事件典型監(jiān)控信號特征。

4.1.2 信息對比傳輸

信息島的邊緣計算節(jié)點收集附近傳感器監(jiān)控信息，并將其與存儲器中各種典型安全事件監(jiān)控信息進行比對，識別出相關安全事件后，按事件影響行車安全嚴重性進行傳輸優(yōu)先級排序。嚴重性更高的事件傳輸優(yōu)先級更高；多起相同嚴重性事件中，與邊緣計算節(jié)點存儲器中已有安全事件典型監(jiān)控信號特征匹配程度更高的事件傳輸優(yōu)先級更高。邊緣計算節(jié)點在列車經(jīng)過時，優(yōu)先傳輸優(yōu)先級更高的事件監(jiān)控信息，也即優(yōu)先傳輸關鍵監(jiān)控信息。

4.2 自適應卡爾曼濾波無效信息排除方法

信息島中各傳感器會產(chǎn)生大量的無效信息（靜止不動的畫面、長期無明顯變化的振動、音頻數(shù)據(jù)等）后，對其進行轉(zhuǎn)儲不但會浪費成本，而且會降低數(shù)據(jù)中心對關鍵數(shù)據(jù)查找及分析的效率。排除無效信息有助于篩選待傳輸?shù)年P鍵監(jiān)控信息，這里給出自適應卡爾曼濾波方法進行無效數(shù)據(jù)剔除，具體方法如下（流程圖如圖2）：

圖2 自適應卡爾曼濾波無效信息排除方法流程圖

（1）計算當前時刻、前一時刻、更前某一時刻（觀測數(shù)據(jù)無突變）樣本觀測均值、均值變化閾值,si，當前時刻ti與前一時刻ti-1各自樣本觀測平均數(shù)據(jù)的差值為

μ：較長時段中所有觀測數(shù)據(jù)均值

S：較長時段中所有觀測數(shù)據(jù)標準差

n：監(jiān)控數(shù)據(jù)樣本容量

（3）當|t|>|tα/2|，表明在該置信區(qū)間下，觀測數(shù)據(jù)發(fā)生了突變，標注該段觀測數(shù)據(jù)，此時因為長期無突變數(shù)據(jù)，卡爾曼濾波算法中的觀測噪聲Qi取值較小，無法用于跟蹤突變數(shù)據(jù)。需將Qi重置，以便使其能夠適應對突變后監(jiān)控數(shù)據(jù)的跟蹤濾波，可設置

（4）當|t|≤|tα/2|，表明在該置信區(qū)間下，觀測數(shù)據(jù)未發(fā)生突變，則當前時刻ti與更前某時刻ti-m各自樣本觀測平均數(shù)據(jù)的差值為時，表明在當前時刻與更前某時刻之間監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)生較大漸變，標注該段觀測數(shù)據(jù)；當時，表明未發(fā)生較大漸變，由于也未發(fā)生突變，表明無需轉(zhuǎn)儲。Qi置零：Qi=0。

（5）進行卡爾曼跟蹤濾波算法，對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行跟蹤濾波。

（6）對上述已標注的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)儲（發(fā)生突變的監(jiān)控數(shù)據(jù)+發(fā)生較大漸變的監(jiān)控數(shù)據(jù)），注意標注時間等相關參數(shù)。

（7）繼續(xù)處理最新監(jiān)控數(shù)據(jù)。

在本方法中卡爾曼濾波算法相關公式及參數(shù)說明如下：

其中，xi與xi-1為t及t-1時刻系統(tǒng)狀態(tài)；zi表示t時刻的觀測數(shù)據(jù)；Ai|i-1是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；H是觀測矩陣；vi是測量噪聲，其協(xié)方差為R；wi是系統(tǒng)噪聲，協(xié)方差為Q。

預測和更新方程如下所示：

其中，是i-1時刻的最優(yōu)估計數(shù)據(jù)；是在最優(yōu)估計基礎上的預測數(shù)據(jù)；Pi-1是i-1時刻更新后的誤差協(xié)方差矩陣；是誤差協(xié)方差的預測值；Ki是i時刻的卡爾曼增益；是i時刻最優(yōu)預測值；Pi是i時刻最優(yōu)估計值。

5 方法測試

對信息島毫米波信息融合平臺的測試，需要從數(shù)據(jù)篩選與數(shù)據(jù)車地傳輸兩方面進行。

首先選擇對地面端監(jiān)控視頻進行數(shù)據(jù)篩選測試。使用監(jiān)控攝像頭對鐵路直道路段進行拍攝，攝像頭分辨率1080p，焦距750mm。取測試日期8:30至16:35分的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)約7.98G，對視頻每隔30秒抽取一張截圖，獲得58200張截圖。對截圖采用自適應卡爾曼濾波器算法進行篩選，也即對當前截圖與此刻之前多張截圖的相似度進行打分，根據(jù)截圖得分是否超過算法的閾值判斷該時刻監(jiān)控數(shù)據(jù)是否突變或較大的漸變。篩選得到發(fā)生突變的監(jiān)控圖片695張，占總樣本量的1.194%，圖3上圖為8:30-16:35突變數(shù)據(jù)篩選結果，圖3下圖為14:40-14:56突變數(shù)據(jù)篩選結果，圖中每條線豎線代表某張圖片相對其他圖片的相似度分數(shù)，超過突變閾值表示該圖片相對其他圖片發(fā)生了突變；篩選得到發(fā)生較大漸變的監(jiān)控圖片2843張，占總樣本量的4.885%，圖4上圖為8:30-16:35較大漸變數(shù)據(jù)篩選結果；圖4下圖為14:40-14:56較大漸變數(shù)據(jù)篩選結果，超過了漸變閾值表示該圖片相對其他圖片發(fā)生了較大漸變。最終統(tǒng)計發(fā)生突變或發(fā)生較大漸變的圖片為3507張，占總樣本量6.026%，其對應所需轉(zhuǎn)儲的有效監(jiān)控視頻僅0.481G，可見本文提出的算法可有效減少所需轉(zhuǎn)儲的數(shù)據(jù)量。

圖3 監(jiān)控數(shù)據(jù)突變篩選結果（上：8:30-16:35全部時間突變數(shù)據(jù)篩選；下：14:40-14:56局部時間突變數(shù)據(jù)篩選）

圖4 監(jiān)控數(shù)據(jù)漸變篩選結果（上：8:30-16:35全部時間較大漸變數(shù)據(jù)篩選；下：14:40-14:56局部時間較大漸變數(shù)據(jù)篩選）

關于車地數(shù)據(jù)傳輸測試，選用E波段(71～76GHz/81～86GHz)毫米波基站，車載射頻接入節(jié)點設備與地面射頻接入設備間同時維持4條雙向通信鏈路，每條雙向通信鏈路占用4GHz頻寬，整個系統(tǒng)占用13GHz頻寬，地面射頻接入設備場強覆蓋平均電平值（RSSI值）為-41.6dBm，測得數(shù)據(jù)傳輸時延均值696μs，小區(qū)間鏈路切換時間均值60μs，切換成功率100%。

列車試驗行進速度80km/h，車地間上下行數(shù)據(jù)吞吐量測試結果見表1。

表1 80km/h車地間數(shù)據(jù)吞吐量測試

表1測試結果可滿足信息島數(shù)據(jù)車地間傳輸?shù)男枨?，此外?jīng)測試V波段毫米波基站也可滿足傳輸需求。

因此，本文針對鐵路信息島與外界信息溝通的需求提出的基于毫米波與ICT融合信息傳輸方法是合理且可行的，后續(xù)還將在實際應用過程中對該平臺中的算法繼續(xù)優(yōu)化，從而進一步優(yōu)化對有效監(jiān)控信息的篩選效果。

6 結語

本文提出的鐵路信息島毫米波與ICT融合信息傳輸平臺利用信息島附近經(jīng)過的列車及外界通訊基站作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲載體，將信息島篩選后的關鍵監(jiān)控信息發(fā)送給外部數(shù)據(jù)中心進行分析，并將信息中心的控制信號通過通訊基站及列車轉(zhuǎn)發(fā)給信息島，從而實現(xiàn)信息島與外界數(shù)據(jù)中心的有效信息交互；信息島內(nèi)通過自適應卡爾曼濾波方法排除無效監(jiān)控數(shù)據(jù)，確保更有效地篩選出信息島的關鍵監(jiān)控數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心，從而解決信息島監(jiān)控數(shù)據(jù)量過大難以傳輸?shù)膯栴}。