基于IMS架構(gòu)的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究

顧忠建，單洪政

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司通號設(shè)計院，北京 100055;2.北京佳訊飛鴻電氣股份有限公司，北京 100095)

1 概述

鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng))主要應(yīng)用于高速鐵路、客運專線鐵路、城際鐵路以及部分200 km/h客貨共線鐵路，用于對風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限等災(zāi)害進行監(jiān)測、預(yù)警及報警。鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要采用以線路為單位獨立建設(shè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備中心的方式，并且各線路的設(shè)備供應(yīng)商也不統(tǒng)一。

目前在京滬高速鐵路、京津城際鐵路、廣珠城際鐵路、向浦鐵路、長吉鐵路等線路已經(jīng)獨立建設(shè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備中心并開通運營，通過幾年來的系統(tǒng)建設(shè)和運行情況來看，鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要存在分散建設(shè)，技術(shù)標準不統(tǒng)一，互聯(lián)互通困難等問題。

隨著各鐵路局災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心的提出，以及相關(guān)標準化工作的進行，原鐵道部發(fā)布了鐵科技［2013］35號《高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案(暫行)》以及鐵總建設(shè)［2013］86號《鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)工程設(shè)計暫行規(guī)定》，明確了各鐵路局中心的各項要求，其中明確要求各鐵路局災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心不僅需要與各設(shè)備供應(yīng)商的監(jiān)控單元互聯(lián)互通，還需要與既有線路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心，以及與其他相關(guān)系統(tǒng)進行互聯(lián)互通。路局災(zāi)害監(jiān)測中心接口關(guān)系見圖1。

圖1 路局災(zāi)害監(jiān)測中心接口關(guān)系

鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)標準發(fā)布后，截至目前尚沒有正式開通運行的路局中心系統(tǒng)，針對互聯(lián)互通方面也沒有出臺相關(guān)的細則。

通過對IMS架構(gòu)的分析，針對鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控相關(guān)標準和規(guī)范，同時參考鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，提出一種適用于防災(zāi)監(jiān)控路局中心的系統(tǒng)架構(gòu)和接口規(guī)范，并且從開放性、擴展性、安全性等方面進行深入研究。

2 IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)

IP多媒體子系統(tǒng)是3GPP提出的適應(yīng)于下一代通信的系統(tǒng)的，基于IP協(xié)議的過媒體通信系統(tǒng)標準。IMS邏輯架構(gòu)見圖2。

IMS架構(gòu)中采用分層設(shè)計理念以及控制和承載分離，業(yè)務(wù)和控制分離的思想，可以通過在業(yè)務(wù)層部署應(yīng)用服務(wù)器，以擴展新業(yè)務(wù)的方式，因此，系統(tǒng)具有良好的業(yè)務(wù)擴展性。

圖2 IMS邏輯架構(gòu)

IMS的核心控制協(xié)議為SIP協(xié)議，通過采用XML對SIP協(xié)議進行擴展，以支持各種IMS網(wǎng)絡(luò)特有的業(yè)務(wù)和特性。

SIP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域廣泛采用的會話控制協(xié)議。SIP消息采用文本編碼方式，底層傳送協(xié)議支持TCP和UCP兩種方式，支持應(yīng)用層可靠傳送機制。

SIP主要的協(xié)議過程包括支持注冊和會話管理機制。

SIP的安全性方面支持認證和加密機制，實現(xiàn)對信息內(nèi)容以及消息完整性的檢驗。

SIP協(xié)議不僅在通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且在其他領(lǐng)域也有很多的應(yīng)用。目前，在電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，以及鐵路綜合視頻監(jiān)控技術(shù)規(guī)范中采用的就是SIP+XML為基礎(chǔ)的協(xié)議框架。

3 基于IMS架構(gòu)的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

作為鐵路行業(yè)發(fā)展時間較短的一種系統(tǒng)，鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)尚處于發(fā)展和完善時期，未來可能需要擴展災(zāi)害監(jiān)控范圍，以及采用新型傳感器，因此，系統(tǒng)要具有良好的接入能力以及靈活的業(yè)務(wù)擴展能力。同時，為了實現(xiàn)與周邊各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通和業(yè)務(wù)聯(lián)動，也要求系統(tǒng)具有強大的互聯(lián)互通能力。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于IMS的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

基于IMS架構(gòu)的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)包括終端/感知層、接入層、核心層、業(yè)務(wù)層等4個層次。

(1)終端/感知層

包括各種終端、傳感器以及其他相關(guān)系統(tǒng)。

(2)接入層

接入層主要提供對終端、傳感器以及相關(guān)系統(tǒng)的接入功能。

圖3 基于IMS的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

對于采用標準化接口的終端，可以直接接入核心網(wǎng)。對于現(xiàn)有的不支持網(wǎng)絡(luò)接口的傳感器，通過監(jiān)控單元統(tǒng)一接入核心網(wǎng)。對于新型網(wǎng)絡(luò)傳感器，如果支持標準接口，可以直接接入核心網(wǎng);如果不支持標準接口，可以通過接入網(wǎng)關(guān)對協(xié)議及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后接入核心網(wǎng)。此外，系統(tǒng)通過接口服務(wù)將與視頻監(jiān)控、列控、氣象、地震等的接口進行轉(zhuǎn)換后統(tǒng)一接入到系統(tǒng)核心網(wǎng)。

(3)核心層

核心層提供終端、傳感器及相關(guān)系統(tǒng)的接入注冊、認證管理，以及業(yè)務(wù)重定向和業(yè)務(wù)尋址等功能。

(4)業(yè)務(wù)層

由數(shù)據(jù)庫和存儲服務(wù)、聯(lián)機數(shù)據(jù)分析服務(wù)構(gòu)成基礎(chǔ)服務(wù)，聯(lián)機分析服務(wù)構(gòu)成業(yè)務(wù)處理基礎(chǔ)服務(wù)。

為了減小業(yè)務(wù)間的耦合性，提高系統(tǒng)業(yè)務(wù)擴展能力和業(yè)務(wù)處理能力，系統(tǒng)將風(fēng)、雨、雪、異物、地震等分別作為業(yè)務(wù)服務(wù)，單獨設(shè)置，獨立部署。系統(tǒng)建設(shè)初期，在業(yè)務(wù)量較小的時候，也可以將多個應(yīng)用服務(wù)部署在同一主機中，隨著規(guī)模擴展，可以逐漸實現(xiàn)分布部署。

基于IMS架構(gòu)的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)具有以下特點。

(1)系列化的標準接口

IMS規(guī)范提供了系列化的豐富的基于SIP和DIAMETER的標準接口可供參考，因此，極大地方便了接口協(xié)議的制定。

(2)強大的業(yè)務(wù)擴展性

為了提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)擴展能力，在業(yè)務(wù)層上將風(fēng)、雨、雪、地震、異物等業(yè)務(wù)作為獨立的應(yīng)用服務(wù)，一方面可以降低業(yè)務(wù)間的耦合，便于部署其他的新型業(yè)務(wù)，同時可以提升系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理能力。

當(dāng)系統(tǒng)需要部署新的業(yè)務(wù)的時候，只需要在應(yīng)用層部署新的應(yīng)用服務(wù)，在核心層增加相關(guān)配置，然后增加新的業(yè)務(wù)終端，或者在現(xiàn)有終端上進行升級新業(yè)務(wù)處理模塊即可，對既有系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的影響非常小，有利于系統(tǒng)的維護和穩(wěn)定。

(3)靈活的系統(tǒng)接入能力

對于新的設(shè)備、傳感器及相關(guān)系統(tǒng)，如果需要接入到系統(tǒng)中，如果支持標準協(xié)議，可以直接接入到核心網(wǎng);如果不支持標準協(xié)議，只需要在接入層增加接入網(wǎng)關(guān)，將協(xié)議和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準格式，即可接入核心層。由此可見，通過將不同系統(tǒng)間的差異隔離在系統(tǒng)邊緣，降低了系統(tǒng)核心的復(fù)雜度，提高了核心層和業(yè)務(wù)層的穩(wěn)定性。

3.2 接口和協(xié)議

采用IMS架構(gòu)的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)議框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)協(xié)議框架

圖4中的A/B/C接口分別說明如下。

(1)A接口為前端設(shè)備(監(jiān)控單元、接入網(wǎng)關(guān)、接口服務(wù)、IP傳感器等)與核心層之間的接口。

主要接口功能包括:接入認證、能力協(xié)商、狀態(tài)報告、資源連接、實時數(shù)據(jù)傳送、報警數(shù)據(jù)傳送等。

(2)B接口為終端與核心層之間的接口。主要接口功能包括:接入認證、資源查詢、資源連接、實時數(shù)據(jù)傳送、報警數(shù)據(jù)傳送等。

(3)C接口為業(yè)務(wù)層和核心層之間的接口。主要接口功能包括:應(yīng)用服務(wù)狀態(tài)查詢、資源連接等。

參考IMS架構(gòu)相關(guān)規(guī)范，上述A/B/C接口主要采用以下協(xié)議。

(1)SIP協(xié)議

SIP協(xié)議主要用于實現(xiàn)業(yè)務(wù)實體間的注冊、認證以及業(yè)務(wù)控制等協(xié)議功能。

為了支持鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)特有的業(yè)務(wù)特性，在SIP應(yīng)用數(shù)據(jù)中可以攜帶擴展消息數(shù)據(jù)，對于擴展部分，采用XML語言進行描述。XML語言采用文本編碼方式，具有數(shù)據(jù)自描述特性，因此，具有良好的擴展性，同時可以方便地實現(xiàn)不同版本間的兼容性。

SIP協(xié)議采用SIP-URI進行尋址，對終端、傳感器等設(shè)備的SIP-URI建議采用數(shù)字編碼，編碼建議由“區(qū)域 +線路+設(shè)備類型+設(shè)備編號”等信息組成。

(2)RTP/RTCP協(xié)議

對于實時數(shù)據(jù)，采用RTP協(xié)議進行傳送，RTP凈荷編碼及凈荷格式可以根據(jù)風(fēng)、雨、雪、地震、異物等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型進行單獨定義。

RTP協(xié)議采用UDP協(xié)議作為底層傳送協(xié)議，因此具有實時特性，但不保證可靠傳送，因此對于數(shù)據(jù)量不大，但要求可靠傳送的數(shù)據(jù)(如告警消息)，可以采用SIP協(xié)議的INFO消息攜帶。

需要注意的是，RTP協(xié)議支持在數(shù)據(jù)包中封裝多個數(shù)據(jù)幀，因此可以實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實時冗余傳送。

3.3 主要業(yè)務(wù)流程

采用IMS架構(gòu)的鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的典型業(yè)務(wù)流程如下。

(1)設(shè)備接入認證和能力查詢(圖5)

圖5 設(shè)備接入和能力查詢

(2)傳感器連接和數(shù)據(jù)傳送(圖6)

圖6 傳感器連接和數(shù)據(jù)傳送

(3)終端接入和數(shù)據(jù)傳送(圖7)

3.4 安全性與可靠性分析

為了保證系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)傳送安全性，系統(tǒng)采用以下安全機制:

(1)網(wǎng)絡(luò)隔離;

(2)源IP地址認證;

(3)用戶名密碼認證;

(4)消息完整性檢驗;

(5)認證數(shù)據(jù)加密;

(6)文本編碼:信息冗余;

(7)傳送層安全;

圖7 終端接入和數(shù)據(jù)傳送

(8)系統(tǒng)運行日志。

在系統(tǒng)運行層面，系統(tǒng)采取以下可靠性機制:

(1)軟件守護進程;

(2)硬件watch-dog;

(3)核心服務(wù)及應(yīng)用服務(wù)冗余。

在數(shù)據(jù)可靠傳送方面，系統(tǒng)主要采取以下措施:

(1)網(wǎng)絡(luò)層雙網(wǎng)絡(luò)冗余傳送;

(2)采用TCP等可靠的傳送層協(xié)議;

(3)采用SIP等應(yīng)用層可靠傳送協(xié)議;

(4)采用RTP冗余幀等數(shù)據(jù)冗余傳送措施。

IMS架構(gòu)作為3GPP主導(dǎo)的標準體系，具有較為完善的架構(gòu)、接口和協(xié)議，能夠支撐一整套完善的業(yè)務(wù)體系開發(fā)，得到了大量設(shè)備廠商的廣泛支持，也經(jīng)過了運營單位的實踐檢驗。

4 結(jié)語

通過以上分析，初步驗證了IMS架構(gòu)在鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，可以為相關(guān)部門和人員在標準制定、系統(tǒng)設(shè)計以及互聯(lián)互通方面提供參考。

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