铁路智能融合调度通信系统 - 兴发娱乐手机app
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    铁路智能融合调度通信系统

    2019-11-18

    作者:李明春1,2,王晴晴2,钟章队2 。兴发娱乐手机app(北京)智能科技研究院有限公司,北京 100044;北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044。
    关键词:调度;智能;IMS;MCX;云管理
    1、引言
      调度电话通信系统是与铁路专用通信、业务需求深入结合,解决干调、局调、区段调、站调、公用专用电话等铁路调度指挥通信需求的特殊电话通信系统,是运输指挥的重要基础设施。调度电话通信系统最早出现在1950年代,当时苏联援助我国的机械式选叫设备第一次出现。1970年代,出现了双音频调度电话,使用便利性和效果有了提升;1990年代,步入了数字编程的程控调度电话主机时代;进入新世纪,无线技术迅猛发展。尤其是90年代后期,为适应在高速铁路GSM-R大环境下铁路有线、无线调度通信统一的要求,GSM-R通信系统引入固定用户接入系统(FAS,fixed access system)。FAS采用数字传输技术,一方面承载固定调度用户的单呼、组呼、会议等话音需求,另外一方面,通过30B+D与MSC互联互通,实现对移动目标的呼叫,完成无线列调的功能,做到有线与无线的接口融合,得到了广泛的应用[1]。调度通信系统的代际如图1所示。

     
    图1调度电话通信通信系统的代际

      调度通信系统包括列车调度通信、客运调度通信、货运调度通信、牵引供电(电力)调度通信及其他调度通信等多种业务,具有一定的业务特殊性和技术特殊性。业务特殊性包括:
      规程通信:要求按照规程执行预案处理,其请示汇报关系、指令关系、呼叫矩阵均需明确;
      立即通信:要求触发过程越少越好,呼叫时延要求严格,最大化相关方参与和人机交互的简易程度;
      保密通信:要求网络独立,并使用专用号段,进行完全隔离和安全管控;
      保障通信:要求必须安全、可靠,并完成过程记录,能够实现事后追查。
      调度通信的业务特殊性如图2所示。

     
    图2调度电话通信通信系统的业务特殊性

      调度通信具有技术特殊性。数字调度系统,采用了数字环组网技术来解决系统可靠性问题;采用特殊的调度按键(从过去的物理按键,逐步演进为虚拟按键)人机交互技术解决人机互动问题;采用数字会议技术以及声音处理技术如回声抑制、自动增益控制、多通道数字录音等解决多方通话以及高质量通话等问题,以保证大噪声下的通话质量。典型的数字调度系统分级环网如图3所示。

     
    图3数字调度电话通信系统

      中国铁路技术尤其是高铁技术,近几年突破了大量技术难题,发展态势迅猛,取得了举世瞩目的成就。但作为铁路运输指挥的核心部分的调度通信技术,却发展缓慢。随着高铁的建设、业务需求的增加,以及通信技术的日新月异,现有调度系统FAS的不足和短板也凸显出来:
      1) 使用者的需求不断升级,现有系统不足以支撑新业务
      高铁的建设,运维模式的变化,使得调度员对新的通信手段需求强烈。如供电调度业务,供电调度员很希望能够将故障信息的产生上报、故障分析、视频查看录像、调度指令生成、现场作业单生成和派送、作业任务签收和实施、故障恢复,等全链条的流程打通,这需要信息业务与通信业务强有力的融合,只有具备新的业务模式,才能更好的满足调度业务由人工调度向智慧调度的升级转变。
      2) 管理者需要对网络可管理水平有较大的提升
      目前大部分通信网络,均向扁平化组网发展,网络实体分工更加明确,层级更少;业务与承载分离更加明确;业务和设备的增加更加容易;系统容量扩展更加方便。这些新的管理特点,也很有必要在铁路调度通信网来展现,这将大大提升铁路通信的整体管理效率和水平。
      3) 无线业务的发展,促使有线无线一体化需求更加强烈
      4G技术带宽的提升,使得如视频等宽带业务流有了可靠可行的承载链路。在铁路领域,4G专用集群网络的研究工作已经启动。同时,下一代列控信息传送、灾害信息传送和联动、高速铁路追踪近预警等新业务,也要求有线无线的无缝融合,现有基于30B+D的FAS与MSC互通方案,无论从带宽还是架构上,都难以满足这些新的需求。
      4) 设备升级换代的诉求
      GSM-R网络的生命周期被广泛共识至2030年,面临着升级换代的迫切要求。设备供应商产品更新换代迅速,FAS设备仍然采用数字技术,未来将可能面临技术支持停产难题[3]。随着铁路管理机构的改革,基础通信网络的合一势在必行,终将统一采用IP数据网作为传输承载,取消数字传输技术,简化网络复杂度和建设难度。
      FAS系统无论从有线无线一体化融合、新业务需求、设备更新换代、高效管理等多个角度看,都需要一次崭新的系统换代升级。基于新业务需求如基于多媒体视频会商、视频推送和分发、及时消息、基于位置的呼叫、列车位置预警等都急需要新的架构和系统来承载,本文提出铁路智能融合调度通信系统解决方案,来应对新的需求和通信技术发展。
      2、智能融合调度通信系统典型需求分析
      2.1智能调度典型应用场景
      智能化已经成为下一代调度系统的核心诉求,更智能化的业务设计,将大大简化工作流程,降低安全风险,提升运营管理效率。其典型应用场景如图4所示,主要分为四类,分别为智能化管理、智能化调度、智能化值乘、智能化作业,完成生产作业管理、应急联动处理、智能调度交接班、司机健康分析、调度辅助决策等应用任务。

     
    图4智能调度系统典型应用场景

      对于管理者,如图5所示,在设备管理中,通过云计算、大数据、物联网,将设备管理信息、运转信息、位置信息精确管理,达到更安全、更绿色、更便捷的新状态。系统将变得更加灵活弹性,扩充业务将不再大动干戈;进行人员管理时,通过人体传感器及可穿戴智能设备,将人员位置、健康信息、上岗信息等全方位掌握,实现更高效、更健康的新管理模式;环境管理中,通过专门部署的传感器,将环境状况实时掌握,实现人员的最佳感受体验,最优能耗选择;业务管理时,希望能够全流程全方位的进行安全掌控。

     
    图5智能化管理工作场景

      对于调度员,如图6所示,通过高清视频能力,可以直达关键现场,对驾驶室、进出站口、应急现场进行高清监看,对咽喉区等关键区域进行视频围栏卡控,对施工作业进行现场指导;基于系统联动,可以及时感知灾害情况、司机健康危机状况、列车实时位置、关键监控区域视频等全方位的实际情况,并作出更加快速合理的调度指示;基于精确位置,调度员将不再依赖预设的多个容易混淆的组通信按钮,而是直接基于GIS在位置上精确点击呼叫相关车站、人员、列车;功能码等智能业务,将变成为位置呼叫的后台支撑。

     
    图6智能化调度工作场景

      对于值乘人员,可以实时上报司机驾驶室情况、实时智能播放重要广播通知、将重要告警如自然灾害等实时传送至驾驶室,重要文件和通知可以及时在司乘和调度员之间流转;与同车乘务之间将能够及时对各节车厢状况进行视频会商或实时智能播放重要通知;可将周边环境状况高清相互告知同\邻线列车、并相互感知列车精确位置,重要文件和通知也可以及时在同\邻线之间流转;另外,可以在列车驶来前及时通知现场作业人员,驾驶室可实时查看前方线路非视距视频等。
      对于外场工作人员,可以将环境、气候状况实时告知作业人员,列车来车及时通知现场作业人员,驾驶室实时查看前方线路非视距线路监控视频和作业人员手持设备视频,向管理者高清直播作业现场情况、上报人员精确位置,管理者可进行现场作业指导和人员健康状况的监测工作等;对于关键安全区域,通过视频分析等手段,设置警戒线,发生入侵时,及时广播通知,并实时通知调度员,并启动安全预案处置过程。并视频分发至相应管理者,启动视频会商。
    2.2典型需求总结
      针对上述应用场景,下一代铁路调度系统除应满足如语音、数据、图像传送等铁路基础业务需求,以及功能寻址、位置寻址等铁路特定业务需求外,还将以智能化为核心,满足融合、富媒体、精确位置三方面需求。
      1) 融合:不同系统之间的融合和联系将更加紧密,边界越来越模糊。综合防灾系统、视频监控系统、GRIS系统、司机健康管理系统、调度员质量评估系统等一系列ICT将产生联系,在全联接的模式下,对调度指挥进行全新的决策支持。
      2) 富媒体:单一语音要素的流动,将升级为支持语音、视频、数据等全方位的信息流动。信息的展现形式,也将更加直观,便捷。
      3) 精确位置:基于快捷键、号码等逻辑设计的组呼将逐渐被基于精确位置感知的位置直达取代,用户可以在系统中精确找到人员、车辆、设备等,并与之交互。
    2.3智能融合调度通信系统演进特征
      数字调度通信向智能融合调度通信的演进关键在于智能与融合。融合包括无线与有线的融合、宽带与窄带的适配,实现业务承载分离、业务的融合统一、动态承载能力管理、多系统接入等;ICT融合:实现云平台统一管理资源、大数据统一接入数据、物联网接入更多信息要素、业务软件API访问、统一智能分析平台、统一认证平台等等;此外,还包括了对既有系统的兼容,完成原有系统与新系统的成功对接。调度通信系统在未来的演进方向上,还将更加标准化、国际化。更多开放、开源技术的使用,将使得调度通信系统的未来演进和扩展变得更加简单。表1为铁路智能调度通信系统与数字调度通信系统的特征比较。

                   
                                              表1智能调度通信系统与数字调度通信系统的特征比较
    3、铁路智能融合调度通信系统架构
              
                                                    图7 铁路智能融合调度通信系统架构
      基于铁路智能调度的应用场景和需求分析,我们设计了铁路智能融合调度通信系统架构,如图7所示,分为呈现层、应用层、平台层、承载层、感知层。其中:
      1) 呈现层提供全新的人机交互手段,支持更加丰富的终端类型,包括如行车调度台、电力调度台、防灾调度台、视频监控器、应急指挥台等专业调度终端,以及手持终端、IP话机等,并与相关系统通过SDK\API等进行业务联合展示。
      2) 应用层也将不再局限于调度呼叫类业务的逻辑,还将提供围绕宽带多媒体智能通信的一系列服务,可应用在专用电话、公务电话、集群通信、视频会议等多种场合和场景。
      3) 平台层将取代过去的交换系统,将通信能力、媒体能力、智能分析能力、接口能力等组合为一个完整的应用服务平台。其中,以LTE-R EPC和IMS core为承载,基于3GPP mission critical 系列标准协议的智能融合通信平台,既可借助LTE承载优化多媒体融合业务,也可在无MBMS的LTE环境进行标准多媒体集群业务;语音识别云和视频分析云等云平台系统还分别具备了语音识别、人脸识别、安全区域等视频分析能力,完成语音录入/录音转文字、人脸识别、专业视频诊断分析等工作,对值班、施工作业等实现智能化管理;此外,平台层还提供GIS私有云部署能力,提供离线和在线地图等,精确感知位置。
      4) 承载层将由GSM-R的2G窄带加数字传输升级为LTE-R宽带连接,并与其他系统组成广覆盖的泛在连接系统,公网、WIFI、宽带、NB-IOT等都将成为系统承载的一部分。
      5) 感知层中,具有感知能力和物联能力的各种新形态的设备,如智能仪表、智能传感器、智能穿戴等,将取代传统的电话设备。而传统设备,最终将演变为边缘智能设备。
    4、智能调度系统主要关键技术研究
      智能调度系统采用云基础设施作为系统架构基础,对通信支撑资源进行全方位的智能管控,将北斗通信技术、IPv6技术、LTE-R宽带移动通信技术作为系统架构的技术要素核心,完全遵循3GPP IMS标准协议,提供固移融合、公专合一、位置感知、多业务联动的宽带富媒体调度通信:
      1)具备一键视频直通、视频组会、优先排队、录音录像等多媒体指挥调度功能,实现对多种通信手段和业务的统一指挥与调度;
      2)具备北斗精确位置感知,实现对列车、司机、人员的精确位置呼叫;
      3)具备移动和固定的宽带传送能力,实现移动高清视频通信服务;
      4)系统支持符合3GPP mission critical系列标准协议,可全球化部署;
      5)具备与视频监控、综合防灾、物联网等系统的跨系统联动业务能力,实现信息的横向智能流通;
      6)系统支持通信计算、存储、网络资源的云化部署和管理,实现资源的精细化管控,对业务支持灵活弹性扩充。
    4.1MCX集群技术
      Mission critical (MC) communications and MC Services 关键任务通信和MC服务平台,一直是3GPP致力于制定标准的重要事项,并于R13-R15分别推出和强化了MCPTT\MCVIDEO\MCDATA等多项服务定义,包含了语音集群组呼相关业务、视频会议\视频推送下拉等视频业务、数据短报文\文件发送等数据业务,包含了非常丰富和完整的多媒体关键任务通信。其核心服务如图8所示[4]:
                    
                                                                                     图8 MCX核心服务

      下一代铁路移动通信系统LTE-R中将会使用MCX系统的用户终端类型包括移动终端和固定终端,适应于铁路运输指挥通信、铁路运输管理通信及数据传输通信的不同用户终端类型,如表2所示。

                          
                                                                            表2 铁路通信用户终端类型
      基于MCX系统实现的LTE-R网络主要包括的业务需求有行车调度语音、行车安全数据、行车信息数据、行车视频数据、运营及维护语音、运营及维护数据、运营及维护视频、公共安全语音、公共安全数据、旅客信息数据等。
      如图9所示,为MCX标准接口关系。基于3GPP MC系列标准协议的智能融合通信平台,既可借助LTE-R承载优化多媒体融合业务,也可在无MBMS的LTE环境进行标准多媒体集群业务。
                        
                                                                      图9 MCX标准接口关系
    4.2  IMS多媒体交换系统
      基于IP的调度通信系统基于IMS架构,IMS(IP Multimedia Subsystem)即IP多媒体子系统, IMS分层逻辑架构图如图10所示。IMS系统由核心网子系统,接入网子系统,业务网子系统,管理网子系统,终端子系统等组成,是经过公网运营验证了的可靠的核心网架构。IMS进一步发扬了软交换结构中业务与控制分离、控制与承载分离的思想[5],对控制层功能做了进一步分解,实现了会话控制实体CSCF和承载控制实体MGCF在功能上的分离,使网络架构更为开放、灵活,所以IMS实际上比传统软交换进行了更充分的网络解聚,网络结构更加清晰合理。IMS具有以下特点:
      1)与接入无关性
      2)统一的业务触发机制
      3)统一的路由机制
      4)统一用户数据库
                      
                                                                            图10 IMS分层逻辑架构
    4.3LTE-R组网技术
      LTE-R作为下一代铁路移动通信系统,引入了OFDM(正交频分复用)和MIMO(多输入多输出)等多种关键技术,大幅提高了传输速率和频谱利用率。业务方面,LTE-R不仅要能够解决语音传输,还为大带宽的视频传输提供了可能。LTE-R组网方案如下图11所示,其结合了3GPP R13和R14标准提出的MCX机制,并简化IMS系统架构为SIP Core,实现LTE-R网络与GSM-R、FAS等系统之间的互联互通,支持调度台、手持台等多种终端之间语音的单呼与组呼、视频的单呼与组呼、以及紧急呼叫等多种业务,其性能指标相比于GSM-R网络大幅提升 。
                            
                                                                                图11LTE-R组网方案
    4.4网络适应性技术
      1)NACK与重传

      NACK(negative-acknowledge character),就是否定应答,与之对应的是TCP中的ACK(acknowledge character)。在TCP中,接收端对于收包要进行应答即发送ACK包,发送端通过接受ACK包,确定发送的包已经被成功接收,以此来保证网络包的传输可靠。RTP协议不来保证传输的可靠性,所以接收端也就不会发送ACK包,但是对于丢失的包,没有收到的包,如果觉得这个包比较重要,可以给对端发送NACK包,来告诉对端,这个包我没有收到,你如果还有的话,就给我重新发送一遍(Retransmission)。
      2)带宽自适应
    带宽自适应是指在音视频的收发过程中,根据网络带宽的变化,自动调整发送码率,适应带宽的变化。在带宽足够的情况下,增加帧率和码率,提高音视频的质量,带来更好的通信体验。在带宽不足的情况下,主动降低码率或者帧率,保证通信的流畅性和可用性。
      3)前向纠错编码
    FEC(Forward Error Correction,前向纠错),前向纠错码,通过增加冗余来增强容错性。没有FEC的情况下,当接收端发现有包丢失时,需要通过发送NACK来发起重传,重传是会影响延时性的,而FEC则是在发送通过纠错码来增加一些冗余数据,这样接收端在数据丢失的情况下可以根据冗余数据来重建丢失的数据。
    4.5可靠性技术
      如图12所示,智能调度系统组网将基于系统守护进程、服务双机热备、系统双网络冗余、集群冗余以及双中心异地容灾等多种冗余容灾方法,建立主、备用双调度中心,采用终端双接口、双归属方式,实现高可靠的智能调度系统。
                       
                                                        图12智能调度系统冗余容灾方案示意图
    4.6云计算技术
      智慧城轨信息技术架构及信息安全规范定义了智慧城轨信息系统云平台为各应用系统提供IaaS、PaaS、SaaS服务,并符合下列规定:
      1)云平台系统至少应为运营生产系统、企业管理、乘客服务各应用系统提供IaaS服务;
      2)运营生产各应用系统的服务器可通过云平台虚拟化部署在云计算资源池中,应用系统在车站级可采用瘦终端及云桌面。重要应用系统可在车站级部署一定的硬件资源,作为车站降级处理使用;
      3)智慧城轨云平台可分系统、分阶段为各应用系统提供SaaS服务,当轨道交通企业数据中心阶段性完成,积累大量的结构化及非结构化数据,通过数据分析挖掘,可在PaaS层基础上进行数据挖掘服务。
      智能融合调度通信系统基于Openstack进行铁路私有云平台资源管理软件的定制化开发(云OS)。          openstack是目前主流的私有云平台的开源框架,被业界广泛的使用。Openstack的二次开发需要将开源系统通过组件选型集成、接口封装、能力增强、性能优化几大方面的工作,形成符合铁路业务需求和管理需求的云操作系统内核软件,可以进行工程交付。主要功能包括统一认证服务框架的开发,用户管理和权限功能,网络虚拟化功能的增强和优化,统一的用户使用界面,资源测量和,与运维支撑平台的统一接口。基于云平台部署铁路专有语音\视频等智能分析平台,用于调度智能业务运行。
    5、铁路智能调度的发展优势
      铁路智能调度通信系统以智能化为核心,采用LTE-R宽带系统,具有多个优点,如完成快速高效的调度通信,实现一键点对点、点对多点的呼叫和信息发送;应急处理突发过程,经过数据分析快速呈现结果,指挥调度更快速有效;完成语音调度、多媒体调度、视频会视频监控、数据业务等业务的融合;完成有线调度和无线调度的融合,支持视频监控、视频会议、无线集群、PSTN、GIS、北斗定位等多系统的接入;进行云部署,对计算、存储、网络全方位管理,实现资源共享,并根据业务需求弹性扩充资源;基于3GPP mission critical 系列标准,采用业务与无线承载分离的方式,支持业务系统的互联互通,顺应了相关产品的国际战略发展,解决了GSM-R数字调度系统中因带宽有限而导致的业务单一、资源共享困难、管理体系复杂等问题。
    6、结语
      全文从铁路调度通信发展出发,论述了调度通信业务和技术发展的背景。首先分析了FAS系统的现状和主要存在的问题,其次从下一代调度需求角度分析了新业务模式下的典型需求,从而引出铁路智能调度通信系统解决方案,提出智能调度核心架构,详细分析了智能调度涉及的关键技术。最后,给出了铁路智能调度系统的发展优势分析。相信下一代铁路智能调度系统能够给铁路调度业务提供更加丰富的能力,为中国高铁的发展贡献力量。
    参考文献
    [1]高速铁路调度通信系统http://bbs.railcn.net/thread-1655257-1-1.html
    [2]GSM-R数字移动通信应用技术条件 第一分册:调度通信系统
    [3]蒋笑冰.GSM-R系统技术演进发展方向[J].铁路技术创新,2011,(2):126-129.
    [4]3GPP TS 23.179. Functional architecture and information flows to support mission critical communication services; stage 2 (Release 14) [EB/OL]. 2017.
    [5]鲜伟,李小文.基于IMS实现网络融合[J].中国新通信,2008,(5):34-36. DOI:10.3969/j.issn.1673-4866.2008.05.008.

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