鐵路通信工程技術(shù)

楊盛林

中國(guó)鐵路通信信號(hào)上海工程局集團(tuán)有限公司濟(jì)南分公司 山東 濟(jì)南 250000

引言

通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸行業(yè)的在國(guó)內(nèi)外經(jīng)歷了長(zhǎng)久的發(fā)展，國(guó)內(nèi)鐵路通信技術(shù)建設(shè)較為完善，發(fā)揮了重要作用，具有現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)過長(zhǎng)久的發(fā)展和建設(shè)，我國(guó)鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的搭建伴隨鐵路軌道鋪設(shè)的步伐一同向前。新時(shí)代的鐵路運(yùn)輸行業(yè)要求綜合性、標(biāo)準(zhǔn)化、效益高的鐵路通信技術(shù)，服務(wù)于不可阻擋的城市化、現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展潮流。

1 鐵路通信技術(shù)

19世紀(jì)以來，蒸汽火車鐵路的建成昭示了鐵路的發(fā)展前景。隨后，各個(gè)地區(qū)鐵路的興建使得各自獨(dú)立的車站需要取得相互之間的交流。這時(shí)，鐵路及其中的車站開啟了以發(fā)送電報(bào)獲得信息的先河，伴隨幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展變化，當(dāng)前通信技術(shù)不斷成熟，采取了包括但不限于無線電、衛(wèi)星甚至光纖通信等技術(shù)，鐵路運(yùn)輸行業(yè)也加快了容納現(xiàn)代化通信技術(shù)的步伐[1]。在中國(guó)，鐵路通信始于 20 世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)以派發(fā)原始簡(jiǎn)陋的行車憑證為信息傳遞的主要方式，包含路票、路簽等形式，以及通過相鄰車站之間撥打閉塞電話的形式交流行車事項(xiàng)，屬于鐵路局內(nèi)部建立的通信系統(tǒng)，因而具有部分局限性。以后，隨著鐵路管理機(jī)構(gòu)設(shè)置的清晰和電子信息技術(shù)水平的提升，各種新式材料、手段、設(shè)備更新迭代，使得通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸行業(yè)接連邁入新的發(fā)展階段。鐵路通信技術(shù)主要是指在鐵路運(yùn)輸上使用通訊方式。鐵路誕生以來，通信技術(shù)由通話調(diào)度技術(shù)發(fā)展到報(bào)文傳送技術(shù)、接著發(fā)展到了目前現(xiàn)代化的通信技術(shù)，能夠在很大程度上確保鐵路運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和平穩(wěn)性。鐵路系統(tǒng)中的通信技術(shù)包括了傳輸和監(jiān)控鐵路系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，將在線獲取的信息數(shù)據(jù)傳輸給指揮中心，經(jīng)過人與機(jī)器的對(duì)話進(jìn)行分析、管控信息與數(shù)據(jù)，進(jìn)而編制對(duì)應(yīng)的處理對(duì)策[2]。運(yùn)用鐵路通信技術(shù)包括了自動(dòng)調(diào)控行車調(diào)度、控制行車的平穩(wěn)性和安全性、檢測(cè)設(shè)備的具體情況、出現(xiàn)故障報(bào)警以及實(shí)時(shí)監(jiān)控道路狀況等方面的內(nèi)容。

2 鐵路通信技術(shù)特征

鐵路通信技術(shù)是通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸業(yè)的切實(shí)應(yīng)用，既有通信技術(shù)本身的功用體現(xiàn)，也要求技術(shù)服務(wù)于鐵路運(yùn)輸，并滿足鐵路這一特殊的交通運(yùn)輸形式。作為綜合性的鐵路通信技術(shù)，具有服務(wù)運(yùn)輸業(yè)、融合多種通信技術(shù)、組網(wǎng)建設(shè)復(fù)雜嚴(yán)謹(jǐn)?shù)忍卣鱗3]。①有線和無線共用?；阼F路運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜性，鐵路通信技術(shù)需要同時(shí)采取有線通信和無線通信技術(shù)，來保證鐵路運(yùn)輸工作整體的可控性。其中有線通信包括基礎(chǔ)的電話、電報(bào)通信，依賴于實(shí)質(zhì)性的傳輸設(shè)施，在鐵路運(yùn)輸行業(yè)中，強(qiáng)調(diào)鐵路站點(diǎn)和車場(chǎng)當(dāng)中電線桿的架設(shè)和維護(hù)。另外是無線通信技術(shù)的支持，也就是以電磁波發(fā)射和無線接收器對(duì)聲音、文字和圖像進(jìn)行發(fā)送和接收達(dá)到通信目的。②通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜分散。鐵路通信需要實(shí)際的電線、電路、終端分布在鐵路沿線和各個(gè)路段的站點(diǎn)，針對(duì)我國(guó)幅員遼闊的實(shí)際情況，鐵路通信網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度較大。為了滿足鐵路運(yùn)輸?shù)膶?shí)際運(yùn)行功能，各大小車站均需安裝和配備內(nèi)外聯(lián)通的通信系統(tǒng)，以及為了應(yīng)對(duì)鐵路運(yùn)輸中可能出現(xiàn)的緊急情況，在長(zhǎng)距離地段的無人煙和信號(hào)差地區(qū)也要安裝通信設(shè)備，滿足整體鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。③以服務(wù)運(yùn)輸為主。鐵路運(yùn)輸?shù)闹黧w是各種運(yùn)行在軌道上的列車，因此，控制變軌和調(diào)度列車成為最重要的工作內(nèi)容。當(dāng)前鐵路運(yùn)輸作為我國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)中的重要一環(huán)，對(duì)全國(guó)交通運(yùn)輸?shù)捻槙撑c否產(chǎn)生巨大影響。對(duì)鐵路通信來說，任何阻礙和影響行車效率和安全的因素都將由通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，從而確定運(yùn)輸工作無誤或損失最小化。

3 通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸行業(yè)中的作用

3.1 確保鐵路列車運(yùn)營(yíng)的安全性

保證列車運(yùn)營(yíng)的安全性是全面構(gòu)建鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的重要落實(shí)目標(biāo)，全面構(gòu)建鐵路通信體系的總體落實(shí)目標(biāo)是確保鐵路交通的安全性，要有效維護(hù)乘客的生命安全。為了實(shí)現(xiàn)鐵路通信體系建設(shè)的宗旨，鐵路通信部門需要進(jìn)一步健全和延伸鐵路通信體系，依靠完善和廣泛的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)來聯(lián)系各路段，保證鐵路部門工作者可以準(zhǔn)確掌握列車的運(yùn)營(yíng)情況，第一時(shí)間處理運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的異常問題。

3.2 提高鐵路運(yùn)輸業(yè)的工作效率

鐵路運(yùn)輸業(yè)的正常運(yùn)行脫離不了鐵路管理工作。鐵路行業(yè)涵蓋了包括列車、軌道、電務(wù)、運(yùn)輸、乘務(wù)、乘客等各種類型的設(shè)備和人員，屬于極其復(fù)雜的多環(huán)節(jié)作業(yè)，從人員和設(shè)備的分布、調(diào)配到實(shí)際工作，需要實(shí)行一整套嚴(yán)格的管理措施。又由于鐵路工作涉及各個(gè)不同路段的車站及人員甚至是不同種類列車的分類，所以，鐵路通信的滿足對(duì)管理鐵路運(yùn)輸業(yè)必不可缺。而鐵路在全天24個(gè)小時(shí)內(nèi)的運(yùn)作不停歇，需要不同列車、人員、設(shè)備的輪換，更高地要求了鐵路通信的水平。此外，鐵路行業(yè)的各種硬件設(shè)施成本高，一旦發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損失，在經(jīng)濟(jì)效益甚至社會(huì)效益上都將造成無法估量的影響。所以，鐵路運(yùn)輸在時(shí)間、地點(diǎn)、人員方面涉及的范圍廣大，為提高鐵路運(yùn)輸業(yè)的整體效率，鐵路通信作用不可小覷。

3.3 健全了鐵路管控信息體系的建設(shè)

運(yùn)送信息管控體系在鐵路的運(yùn)行過程中可以發(fā)揮重要的作用，具備大規(guī)模、結(jié)構(gòu)復(fù)雜個(gè)性能綜合等特征，對(duì)制票、車站管控、集裝箱管控和生產(chǎn)管控等等工作有較強(qiáng)的指導(dǎo)性[4]。鐵路運(yùn)送管控信息體系是否可以正常運(yùn)作能夠直接決定鐵路單位的整體執(zhí)行力度是否強(qiáng)，其與鐵路傳輸?shù)纳a(chǎn)過程緊密相關(guān)，在各個(gè)環(huán)節(jié)中都得到了普及運(yùn)營(yíng)，主要體現(xiàn)在制票體系、車站管控、列車信息以及鐵路運(yùn)送的營(yíng)銷和生產(chǎn)、集裝箱管控、追蹤體系和調(diào)度信息的管控等方面的內(nèi)容上。鐵路專用通信網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用中要持續(xù)健全與改進(jìn)，為鐵路部門的信息化建設(shè)創(chuàng)造良好的前提條件。

3.4 建立全國(guó)互聯(lián)的鐵路網(wǎng)絡(luò)

鐵路運(yùn)輸?shù)慕ㄔO(shè)需要通信系統(tǒng)為其服務(wù)。從僅僅滿足于鐵路運(yùn)輸內(nèi)部列車運(yùn)行和人員管理的需要，到現(xiàn)今鐵路網(wǎng)絡(luò)納入全國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)，鐵路通信的作用在不斷擴(kuò)大，在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和發(fā)展中具有舉重若輕的地位。鐵路信息網(wǎng)分為骨干傳輸網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)，前者容量大、性能穩(wěn)定，是覆蓋面較廣的主要網(wǎng)絡(luò)通道，為公共通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，后者則是前者的細(xì)分和延伸。為此，建設(shè)中央可控的調(diào)度平臺(tái)，囊括各類業(yè)務(wù)在內(nèi)的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，是鐵路通信業(yè)務(wù)發(fā)展的一大進(jìn)步。同時(shí)，當(dāng)前鐵路通信技術(shù)不斷創(chuàng)新，已經(jīng)設(shè)計(jì)了包含專門網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的系統(tǒng)，最大程度上使鐵路運(yùn)輸?shù)母黝愂马?xiàng)能夠及時(shí)互通，提高鐵路運(yùn)輸業(yè)和全國(guó)交通網(wǎng)絡(luò)的接洽水平，更好帶動(dòng)國(guó)內(nèi)鐵路信息化、智能化發(fā)展[5]。

4 提高鐵路通信網(wǎng)絡(luò)在信息化鐵路建設(shè)中的對(duì)策

4.1 改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)結(jié)構(gòu)

依據(jù)鐵路信息化建設(shè)的要求，為了實(shí)現(xiàn)鐵路通訊的通用性要求，并提高信息容量和傳輸數(shù)據(jù)的速度。要基于有線通信網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和集群通信網(wǎng)絡(luò)，使用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，比如IP技術(shù)構(gòu)建全國(guó)范圍的通信網(wǎng)絡(luò)，使用信息一體化的相關(guān)技術(shù)，實(shí)施調(diào)控室和指揮中心的信息共享。由于當(dāng)前無線通信技術(shù)的局限能夠使用具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的光纖直放技術(shù)，這種技術(shù)是將之前的模擬信息變?yōu)閿?shù)字信訊，接著進(jìn)行光傳輸，因?yàn)閿?shù)字信訊的穩(wěn)定性與傳送信訊的“零衰減”所以能夠提升通信的可靠性，并且又具備節(jié)能模式，能夠減少運(yùn)行成本，所以可以當(dāng)成是鐵路通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的選擇。

4.2 鐵路融合應(yīng)急通信技術(shù)

隨著高鐵建設(shè)，鐵路陸續(xù)建設(shè)了基于鐵路專網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，主要采用光纜方式接入鐵路專網(wǎng)。然而在應(yīng)急處置時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)通信車間少，班組布點(diǎn)稀、跨度大，應(yīng)急響應(yīng)慢；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類多、笨重，運(yùn)送和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)相對(duì)困難；而且普速鐵路由于區(qū)間無GSM-R基站機(jī)房，布設(shè)應(yīng)急光纜耗時(shí)長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境多樣，個(gè)別地段作業(yè)面小，光纜布設(shè)困難，搶險(xiǎn)中也易受到損壞，造成通信中斷，難以提供一流的通信保障條件；另外，海事衛(wèi)星、GSM-R手機(jī)等手段也僅能用于話音通信，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像傳送。隨著公網(wǎng)4G通信和衛(wèi)星技術(shù)廣泛應(yīng)用，鐵路不斷探索新的應(yīng)急通信手段。部分鐵路局結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管控和應(yīng)急處置“平戰(zhàn)應(yīng)用”需要，陸續(xù)配備了基于公網(wǎng)4G的現(xiàn)場(chǎng)音視頻終端，開發(fā)了專用App，平時(shí)用于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控，處置突發(fā)事件時(shí)采集上傳現(xiàn)場(chǎng)圖像[6]。西部山區(qū)鐵路公網(wǎng)信號(hào)覆蓋普遍不良，部分鐵路局還配備了國(guó)產(chǎn)寬帶衛(wèi)星通信設(shè)備，可以利用衛(wèi)星解決現(xiàn)場(chǎng)圖像上傳問題。為進(jìn)一步規(guī)范鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)，可以采用IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）技術(shù)構(gòu)建基于公網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)，現(xiàn)有基于專網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)將來可以根據(jù)公網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)技術(shù)要求進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)統(tǒng)一制式、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急設(shè)備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只是承載的網(wǎng)絡(luò)不同，可以按照網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)要求做好系統(tǒng)安全隔離，建設(shè)公專網(wǎng)融合應(yīng)用的應(yīng)急通信系統(tǒng)。通過采用統(tǒng)一采購(gòu)，共享4G/5G、寬帶衛(wèi)星流量池的方式，降低日常使用成本，將來基于5G-R的音視頻終端也可以納入該融合應(yīng)急通信系統(tǒng)。

4.3 與公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合在一起

當(dāng)前的鐵路通信網(wǎng)絡(luò)一般是單獨(dú)存在的，這樣不僅會(huì)浪費(fèi)大量的資源，而且不能提供鐵路通訊的速度。但是如果鐵路通信網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)融合在一起，對(duì)鐵路通信而言是革命性的變化。因此，鐵路通信網(wǎng)絡(luò)與公共信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)合會(huì)是將來的一種發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段的鐵路通訊在之前的無線技術(shù)與集群技術(shù)都有局限性，不足以與公共網(wǎng)絡(luò)高效地融合，因此必須要研發(fā)出新的通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

4.4 鐵路通信網(wǎng)智能運(yùn)維技術(shù)

既有鐵路通信網(wǎng)運(yùn)維存在“系統(tǒng)封閉”“數(shù)據(jù)煙囪”和“信息孤島”等問題，數(shù)據(jù)無法高效復(fù)用，大數(shù)據(jù)分析及運(yùn)用的廣度和挖掘的深度存在不足；傳統(tǒng)運(yùn)維模式以專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng)為主要支撐，運(yùn)維支撐系統(tǒng)相互獨(dú)立、應(yīng)用功能分散，核心應(yīng)用功能存在交叉重疊，協(xié)同能力、應(yīng)用復(fù)用效率較低。隨著高速鐵路快速發(fā)展和智能鐵路業(yè)務(wù)的引入，鐵路通信網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和終端連接數(shù)目急劇增加，新技術(shù)和新設(shè)備大量應(yīng)用，面向業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求越來越高，給鐵路通信網(wǎng)運(yùn)維帶來極大挑戰(zhàn)。智能運(yùn)維則是將人工智能和運(yùn)維領(lǐng)域結(jié)合，增加一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的“大腦”，通過不斷學(xué)習(xí)、提煉和總結(jié)規(guī)則，從而發(fā)現(xiàn)和解決傳統(tǒng)運(yùn)維無法解決的問題，同時(shí)提高系統(tǒng)的預(yù)判能力和穩(wěn)定性，降低運(yùn)維成本。智能運(yùn)維主張不依賴于人為指定規(guī)則，由機(jī)器學(xué)習(xí)算法自動(dòng)地從海量運(yùn)維數(shù)據(jù)中不斷地總結(jié)規(guī)則，提煉為知識(shí)，并注入人的獨(dú)特經(jīng)驗(yàn)，不斷擴(kuò)充完善知識(shí)圖譜，迭代優(yōu)化AI（人工智能）模型，以此不斷推動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)能力，形成機(jī)器自決策、自執(zhí)行的閉環(huán)。未來隨著鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)，以及AI、云/邊緣計(jì)算等前沿ICT（信息與通信技術(shù)）更加成熟，并且與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維進(jìn)行深度融合，態(tài)勢(shì)感知、人機(jī)協(xié)同、數(shù)字孿生等智能運(yùn)維解決方案，將使通信網(wǎng)運(yùn)維走向智能化時(shí)代。

5 結(jié)束語

鐵路通信網(wǎng)絡(luò)最核心的實(shí)踐性能就是保證鐵路信信傳送的便捷性和精準(zhǔn)性，科學(xué)節(jié)省信息化鐵路的建設(shè)經(jīng)費(fèi)資源，確保鐵路列車運(yùn)營(yíng)的安全性。近幾年以來，鐵路體系的全面信息化建設(shè)工作已經(jīng)得到普及推廣，表現(xiàn)了信息化鐵路建設(shè)全階段中鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的重要意義。在實(shí)際落實(shí)期間，鐵路通信部門要不斷健全鐵路通信網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高處置列車運(yùn)用緊急故障的技術(shù)能力。