無線網絡在鐵路貨運安全監控系統中的實踐與應用

李利民，朱少捷，王偉松

（1.?鄭州鐵路局?貨運處，河南?鄭州 450015；2.?鄭州鐵路局?科學技術研究所，河南?鄭州 450015）

1 概述

現代化的貨運設備設施是促進鐵路貨運轉型發展、確保貨物運輸安全、提高運輸效率效益和服務質量的物質基礎和保障。《關于“十二五”鐵路貨運設備設施建設的實施意見》(鐵運 [2013]26號) 中提出，要加強貨運安全監控系統建設，提高信息化水平，建設鐵路貨檢安全監控與管理系統、貨運站集中監控和生產指揮中心，加快鐵路貨運現代化轉型進程[1]。

為了統一鐵路貨運安全監控系統的建設與管理標準，《鐵路貨運安全檢測監控與管理系統總體技術規范》(鐵運 [2013]56號) (以下簡稱《總體技術規范》)，為全路貨運安全監控系統逐步走向規范化奠定基礎，著重增加了貨檢作業手持設備和高清視頻檢測設備的應用，從而實現車站、鐵路局、中國鐵路總公司系統的三級聯網。手持機作為貨檢員實現信息采集、信息交換、語音通話的工具，由無線網絡設備為其提供無線信號網絡覆蓋和通信服務。

在無線網絡的建設實踐中，如何因地制宜、科學合理地選擇網絡制式、工作頻段和無線網絡設備，是基層現場普遍需要考慮的問題。如果選擇不當，不僅不能發揮好無線網絡的作用，而且不便于后期工作，同時還會引起資源浪費、阻礙鐵路信息化的發展[2]。因此，鄭州鐵路局組織開展專項實驗，通過比較分析，將先進的技術先行試點應用于洛陽北站，為無線網絡和手持設備的建設發展探索出一套可行的技術方案和標準[3]。

2 測試內容

通過借鑒既有技術與前沿技術，結合《總體技術規范》的技術標準，經過多次討論，最終選擇運用較為普遍的無線局域網 (Wireless Fidelity，WIFI)技術 (2.4 G 頻段) 和當前國內先進的4G 技術 (分時長期演進 Time Division Long Term Evolution，TD-LTE 4G)[4]作為測試標的，通過站場試驗，比較分析各項實驗數據。

2.1 測試目的

在充分滿足《總體技術規范》中《鐵路貨檢作業手持機系統技術條件》(附件 3)之“站區無線網覆蓋試驗”要求的同時，測試包括以下內容：①設備在鐵路站場內的抗干擾能力；②站場內無遮擋信號覆蓋距離；③站場內多列車遮擋信號覆蓋距離；④測試區域內無線網絡的傳輸延時；⑤測試區域內的傳輸帶寬；⑥手持終端視頻回傳質量。

2.2 測試設備

TD-LTE 4G (1.8 G) 的測試設備如下：TD-LTE 1.8 G 基站1臺；TD-LTE 1.8 G 核心網1臺；TD-LTE 1.8 G 網管1臺；TD-LTE1.8 G 數傳模塊1臺；TDLTE1.8 G 工業手持機3臺；筆記本電腦1臺。

大功率 WIFI (2.4 G) 的測試設備如下：大功率WIFI 設備1臺；語音服務器1臺；H3C 交換機1臺；工業手持機1臺；智能手機2臺；筆記本電腦1臺。

2.3 測試結構圖

（1）TD-LTE 4G 測試網由測試中心平臺和移動測試終端2部分組成。其中，測試中心平臺由 TDLTE 基站、TD-LTE 核心網和 TD-LTE 網管組成；移動測試終端由 TD-LTE 手持機和配備 TD-LTE 數傳模塊的筆記本電腦組成。測試指標包括測試 TD-LTE 網絡在鐵路站場環境下的網絡覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩定性、抗干擾性能等指標。TD-LTE 4G 測試網結構圖如圖1所示。

圖1 TD-LTE 4G 測試網結構圖

（2）大功率 WIFI 測試網由測試中心平臺和移動測試終端2部分組成。其中，測試中心平臺由大功率 WIFI 基站、交換機和語音服務器組成；移動測試終端由大功率 WIFI 手持機和配備大功率 WIFI 數傳模塊的筆記本電腦組成。測試指標包括測試大功率 WIFI 網絡在鐵路站場環境下的網絡覆蓋狀況、傳輸帶寬、傳輸穩定性、抗干擾性能等指標。大功率WIFI 測試網結構圖如圖2所示。

圖2 大功率 WIFI 測試網結構圖

2.4 測試方法

（1）測試 TD-LTE 4G。測試工作按照以下步驟完成：第1步，安裝 TD-LTE 4G 基站，具體位置在洛陽北站東側信號樓樓頂，樓高12m；第2步，用3 臺TD-LTE 4G 手持機分別在車站西北側最遠端便道及2 列車之間，中部2列車之間，西南側2列車之間，最南側距信號樓 1.5 km 處，距信號樓 1.2 km 的整倒裝線上的棚車內部，并且在相鄰線路有機車通過、有列車通過的環境下，分別拍攝圖像，向基站回傳實時視頻。

（2）測試大功率 WIFI。大功率 WIFI 天線分別安裝于車站東側信號樓 (天線射頻方向垂直于車場) 和北端駝峰信號樓 (基本位于車場中間，天線射頻方向與股道同向) 樓頂，樓高均為12 m。測試距離350～500 m，測試條件分為空曠場地、2 列車中間、有機車通過、鄰線有列車通過等。用2臺手持機現場拍攝圖像，向系統回傳實時視頻。

（3）后臺人員在筆記本電腦上用配置好的數傳模塊測試上傳速率，并且測試碼率變化情況，觀察視頻回傳是否流暢，測試最遠端上行帶寬。

2.5 測試結果

（1）TD-LTE 4G。在基站輻射半徑 1.5 km 范圍內均完成多路視頻回傳工作，內燃機車、電力機車、接觸網高壓、并排2列車之間、縱向2個車廂連接處、鄰線列車通過、距離 1.2 km 棚車車內等環境條件對網絡未形成任何干擾，高效地解決了多徑路反射問題，上行帶寬達20Mbps 以上，預計優化后可升級至30Mbps，為今后全系統或多系統發展預留有較大的空間。從現場情況看，無線組網只需要在洛陽北站東側信號樓上架設1個基站即可，安裝過程簡便，后續維護方便。

（2）大功率 WIFI。無線鏈路在空曠無阻擋環境下，傳輸帶寬為1.7～2.5 Mbps，有掉線現象。有列車或多輛貨車阻擋時，傳輸不穩定，平均帶寬為300～350 kbps，阻擋環境下傳輸一張1Mbps 圖片約需 3～4 s。內燃機車、電力機車通過時傳輸質量明顯下降。從現場情況看，無線組網應在洛陽北站南、北2個燈橋和駝峰信號樓頂部分別安裝大功率 WIFI設備，并且需要用光纜貫穿股道聯通，這無疑增加了安裝施工和后續維護的難度。

（3）比較分析。測試結果表明 TD-LTE 4G 無線網絡抗各種因素的干擾能力較強，完全適合在鐵路站場復雜環境下使用，并且在帶寬上為今后的發展預留有較大空間。大功率 WIFI 采用公用頻段，容易受各種因素的干擾，對場地的客觀環境和選點位置要求較為苛刻，傳輸不穩定。從現場情況看，洛陽北站最佳安裝位置應分別放在南、北2個燈橋和駝峰信號樓頂部，并且用光纜聯通，增加安裝施工和后續維護的難度。

2.6 測試結論

鄭州鐵路局組織通信、信息、運輸系統專家，以及設計單位、信息集成廠家的專家，召開鐵路站場無線組網技術選型討論會，詳細介紹洛陽北站站場無線組網的實驗過程和結論。專家團隊通過分析實驗過程的科學性、嚴密性、可靠性，論證實驗結論，最終一致認為TD-LTE 4G 無線網絡系統能夠適應鐵路站場復雜苛刻的環境，數據、圖像傳輸質量穩定可靠，集成后核心網架構相對簡單，基站安裝較為簡便，帶寬容量大，可以在站場內實現一個基站多種用途的無線網絡環境，可以作為鐵路站場無線組網技術選型的首選方向和標準。不足之處是規模較小時成本相對較高。如果需要在較大車站或鐵路沿線，搭建車務、車輛 (列檢)、機務、工務、電務、公安等部門共同使用的、穩定高效的綜合無線網絡，TD-LTE 4G 方案的性價比將更具有優勢，相對而言也更加經濟可靠。

3 TD-LTE 4G的應用實踐

3.1 系統組成

洛陽北站 TD-LTE 4G 無線網絡系統由分布式基站、小型化核心網、小型化網管、手持機4個部分組成。分布式基站、小型化核心網、小型化網管組成無線網絡，為手持機提供移動作業的無線傳輸通道。TD-LTE 4G 無線網絡系統組成如圖3所示。

圖3 TD-LTE 4G 無線網絡系統組成

3.2 技術指標

（1）工作頻點 1.8 G，單基站下行100Mbps、上行不小于20Mbps 傳輸帶寬，支持3:1的上下行帶寬調整，上行帶寬可達80Mbps。

（2）無死角、無盲區，單基站覆蓋距離超過1.5 km。

（3）能夠滿足40人同時上傳數據、圖像，10 人同時傳輸720×576像素視頻 (前提是申請10Mbps 帶寬情況下，如果申請20Mbps 及以上帶寬則數量翻倍)。

（4）能夠滿足40人點對點、組呼、群呼等語音功能。

（5）貨檢手持機平臺可以二次開發相關應用程序。

（6）滿足風、雨、雪、雷電等惡劣環境的考驗。

（7）總體性能穩定可靠，有批量運用的實踐，完全滿足系統設計要求。

3.3 設備組成

（1）核心網。核心網設備提供接入網絡控制和數據傳輸功能。對終端接入進行控制管理，實現接入終端身份驗證、鑒權和密鑰管理等，提供高安全的網絡接入控制；提供用戶信息、用戶等級的管理和查詢，實現系統不同數據業務優先級調度與管理，保障系統高優先級業務的正常通信，提高系統通信可靠性；管理接入終端和外部分組數據網絡之間的連接，完成用戶數據的路由和處理，實現接入終端數據與業務系統服務器之間的數據傳輸與交換。

（2）基站。基站設備是 4G 無線網絡系統的無線接入設備，主要完成包括空中接口、接入控制、移動性控制、用戶資源分配等無線資源管理功能。由基站室內單元 (Base Band Unit，BBU) 和基站室外單元 (Radio Remote Unit，RRU) 組成。其中，BBU 采用集成度高、全 IP 化的硬件平臺，集中放置在機房；RRU 工作頻段為1.8 GHz，采用緊湊型設計，便于室外安裝。BBU 和 RRU 采用射頻拉遠技術，通過光纖連接，從而降低網絡布置的難度和成本。為適應鐵路站場應用要求，BBU 可以融合演進分組核心網功能，具備單站組網能力。

（3）終端設備。手持機集群終端設備采用工業級三防設計，顯示屏強光可見，采用 Android 智能操作系統，能夠同時支持私密呼叫、組呼、短信、彩信、寬帶數據接入、視頻監控和回傳業務，以及多業務并發功能，可用于現場集群通信與手持機拍照上傳作業，適應鐵路站場作業環境。

3.4 應用實踐效果

TD-LTE 4G 在洛陽北站的應用實踐證明，該系統能夠滿足鐵路貨運安全監控系統的需求，并且具備較強的適應性。TD-LTE 4G 采用扁平化網絡架構等技術，系統峰值速率下行100Mbps、上行可達50 Mbps，帶寬是傳統的窄帶專網系統的幾十倍；系統具有較好的擴展性，可以與其他現有的網絡互連互通；不同廠家的設備之間可兼容；同時 TD-LTE 具有明確的技術演進方向，由中國主導，包含大量中國專利，得到廣泛的國際支持。

因此，鄭州鐵路局將該技術推廣應用至鄭州北站貨檢安全監控系統，并且在2014年蘭考站全路貨運作業標準化現場會上，將基于 TD-LTE 4G 無線網絡的手持機，嵌入蘭考貨運站安全管理信息系統，接受全路貨運系統領導和專家的檢驗。該系統在現場各種環境 (含專用線棚車內作業、夜間無照明、雨雪天氣等) 下的作業數據和圖像實時傳輸、與后臺交互式作業流程控制、語音通話、拍照和現場錄像等方面的應用效果良好。

4 結束語

將 TD-LTE 4G 技術引入鐵路站場，在鐵路站場部署寬帶無線覆蓋，提供大帶寬、高速率、全 IP、廣區域、安裝簡單的LTE 寬帶集群通信平臺，滿足鐵路車、機、工、電、輛各項業務對作業前端數據集成平臺、數據及圖像采集及傳輸、交互式作業流程控制、過程控制、應急處置[5]、現場監控指揮等方面的需要，既符合中國鐵路總公司有關技術規范，又具有發展戰略的前瞻性。隨著技術的進步和實踐的深入，TD-LTE 4G 技術將在鐵路站場及更多領域具有更加廣闊的發展前景，將為鐵路信息化建設做出更大貢獻。

[1] 郭玉華.深入推進“三化”建設 全面提升貨運工作質量[J].鐵道貨運，2015，33(1)：1-9.

[2] 陳文興.鄭州鐵路局推進貨運作業標準化建設的思考[J].鐵道貨運，2015，33(1)：12-13.

[3] 王忠剛.鐵路編組站構建貨檢安全保障體系的實踐[J].鐵道運輸與經濟，2008，30(1)：40-43。

[4] 沈 嘉.3GPP長期演進(LTE)技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 黃 鋼.我國鐵路安全風險管理持續發展的研究與思考[J].鐵道運輸與經濟，2014，36(9)：1-6.