空天車地一體化技術在列車群車聯網中的應用框架研究

高一凡　馬小平　陳小英　劉曉光

摘 要：通過研究物聯網技術、車聯網技術及空天車地一體化網絡的理論和應用現狀，分析列車群車聯網系統(tǒng)構建需求，搭建基于空天車地一體化列車群車聯網系統(tǒng)總體框架;分別建立艇載、機載、車載、區(qū)域監(jiān)測和地面中心監(jiān)測節(jié)點和網關，闡述系統(tǒng)的通信結構;提出基于空天車地一體化的列車群車聯網系統(tǒng)物理架構設計及信息傳輸等關鍵問題。為進一步研究服務于列車群監(jiān)測和通信的空天車地一體化網絡的理論和應用研究起到指導和啟發(fā)作用。

關鍵詞：軌道交通;列車群;車聯網;空天車地;總體架構

中圖分類號：U285.5+5

0 引言

物聯網作為新的網絡信息技術，正在逐漸興起。物聯網在互聯網基礎上，將網絡延伸和擴展到任何物與物、物與人之間進行的信息交換和通信[1]。車聯網是物聯網在智能交通領域的運用，車聯網實現了車、軌與人的互聯互通，促進了車、交通和信息技術產業(yè)向更加現代化、網絡化和智能化方向發(fā)展[2-4]。車聯網利用裝載在車輛上的電子標簽通過無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等技術獲取車輛的行駛屬性和系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，通過GPS等全球定位技術獲取車輛行駛位置等參數[5]，通過3G/4G等無線傳輸技術實現信息傳輸和共享[6]，通過RFID和傳感器獲取軌道、橋梁、隧道等基礎設施的使用狀況[7]，最后通過互聯網信息平臺實現對車輛的運行監(jiān)控以及提供各種交通綜合服務。目前，車輛移動互聯技術主要應用在汽車上，鐵路車輛移動互聯技術尚無應用。列車群車聯網是鐵路車輛移動互聯技術在物聯網的典型應用，利用車載電子傳感裝置，通過網絡完成信息交換，使車與軌、車與車、車與人之間的信息互聯互通，對車輛和交通狀況進行有效的智能監(jiān)控[8]。與傳統(tǒng)的鐵路智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System， RITS）相比，列車群車聯網更注重車與車、車與人之間的交互通信，通過提取更多車輛行駛參數和系統(tǒng)數據來保障列車行駛安全、提高出行舒適度[9]。列車群車聯網是物聯網概念的著陸點，將具體的物理世界限定到車、軌和人上?；诳仗燔嚨匾惑w化的列車群車聯網系統(tǒng)總體框架的建立，解決了列車群車聯網系統(tǒng)研究的關鍵問題，從而為該領域理論和應用研究提供指導。

1 列車群車聯網技術研究

1.1 列車群車聯網系統(tǒng)總體描述

面向軌道交通安全運營監(jiān)測任務，快速構建以靜空平臺節(jié)點為核心的空天車地一體化列車群車聯網系統(tǒng)（包括衛(wèi)星、多個無人機、列車、地面節(jié)點等），是實現軌道交通系統(tǒng)立體化、全天候監(jiān)測的關鍵[10-15]。然而，由于無人機、列車節(jié)點的動態(tài)性以及空中子網、列車子網以及地面子網在信息協(xié)議格式、網絡傳輸能力、業(yè)務傳輸控制以及用戶地址空間等方面的異構性，對空-車-地一體化協(xié)同組網帶來極大的挑戰(zhàn)。

首先，針對軌道交通系統(tǒng)列車開行方式和線路網絡特點，研究列車群車聯網的組網約束條件和車車信息傳輸與共享需求，提出適應于空天車地軌道交通專用網絡和軌道交通業(yè)務場景需求的列車群車聯網架構。然后，針對軌道交通大范圍實時運營安全保障對廣域立體監(jiān)測、多尺度監(jiān)測信息深度融合等的迫切需求，研究艇載、機載、車載、軌旁等監(jiān)測裝置的監(jiān)測信息特點和傳輸需求，提出依托于空天車地軌道交通專用網絡和傳輸設備，確定可實現車輛移動安全信息接入與融合傳輸的空天車地一體化架構。

1.2 列車群車聯網系統(tǒng)總體框架

基于工業(yè)現場總線、工業(yè)以太網等，結合列車移動安全信息接入與融合傳輸需求，研究適用的安全信息接入、一體化匯聚處理與融合傳輸機制，實現空天車地專用網絡中各項與車輛安全相關信息的接入及與移動列車的高效交互?？仗燔嚨匾惑w化列車群車聯網系統(tǒng)要實現對軌道交通的大范圍實時運營安全保障，對廣域立體監(jiān)測、多尺度監(jiān)測信息的深度融合，需考慮多源監(jiān)測信息的接入和分發(fā)等2方面關鍵問題，進行系統(tǒng)總體框架設計?；诳仗燔嚨匾惑w化的列車群車聯網系統(tǒng)總體框架如圖1所示。系統(tǒng)由無人機節(jié)點、飛艇節(jié)點、列車節(jié)點、地面中心節(jié)點和其他節(jié)點組成。

（1）艇載監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測網關實現了艇載載荷與艇載無線通信模塊之間的通信嫁接;機載監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測網關實現了無人機上載荷與無人機無線通信模塊之間的通信嫁接;車載監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測網關實現了車載采集設備與車載無線通信模塊之間的通信嫁接;地面控制中心主網關實現了地面核心機房處理設備與艇載、機載無線通信模塊之間的通信嫁接。

（2）系統(tǒng)總體采用低功耗、高性能的設計方法，綜合考慮性能、環(huán)境等因素，研制艇載/機載監(jiān)測節(jié)點業(yè)務網關、車載通信及業(yè)務網關、區(qū)域節(jié)點通信及業(yè)務網關、地面控制中心主網關等設備，構建基于空臨天地網絡的列車移動互聯及安全狀態(tài)信息交互網絡。

（3）艇載監(jiān)測節(jié)點網關用于艇載的光學、紅外等監(jiān)測載荷的監(jiān)測輸出數據接入并按約定的傳輸方式輸出給艇載的空地無線傳輸系統(tǒng);機載監(jiān)測節(jié)點網關用于機載的光學、紅外、激光雷達等監(jiān)測載荷的監(jiān)測輸出數據接入并按約定的傳輸方式輸出給機載的空地無線傳輸系統(tǒng);車載網關設備用于車載監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測與診斷數據接入并按約定的傳輸方式輸出給車載的空天車地專用車載無線信道設備;區(qū)域節(jié)點網關設備用于軌旁地面重點基礎設施、地質區(qū)域的地面監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數據的接入及向空天車地專用無線信道設備的轉發(fā);地面中心網關與艇載/機載監(jiān)測節(jié)點網關、車載網關、區(qū)域節(jié)點網關協(xié)同建立監(jiān)測數據的傳輸管道;協(xié)同各監(jiān)測節(jié)點網關進行傳輸數據的傳輸統(tǒng)計和傳輸調度;通過車輛移動互聯技術，實現車車、車地信息無縫共享，支撐列車群關鍵安全信息的實時共享及主動安全防護信息的交互。

2 一體化列車群車聯網架構

2.1 列車群車聯網系統(tǒng)架構設計

針對軌道交通系統(tǒng)列車開行方式和線路網絡特點，研究列車群車聯網的組網約束條件和車車信息傳輸與共享需求，提出適應于天臨空地車軌道交通專用網絡和軌道交通業(yè)務場景需求的列車群車聯網架構（圖2），以及列車群車聯網車載網關MR（Mobile Router）管理架構（圖3）。

（1）在列車的各車輛之間通過安裝無線網橋，組成該機車的車載局域網。在列車兩端分別部署1臺MR設備，2臺MR連接到車載局域網絡，2臺MR互為主備。車頭和車尾分別部署1個（或多個）車載無線接入設備，分別連接（或部署）到MR。

（2）每個MR都歸屬于1個固定的HA（Home Agent）網關，為歸屬網關。MR當前所在區(qū)域的HA網關為訪問網關。當MR當前所在區(qū)域為歸屬地時，訪問網關與歸屬網關一致。

（3）當MR處于歸屬地時，MR控制車載無線接入設備與軌旁設備建立無線鏈路后，直接與歸屬網關完成鑒權認證，建立安全傳輸管道。

（4）當MR處于訪問地時，MR控制車載無線接入設備與軌旁設備建立無線鏈路后，與訪問網關完成鑒權認證，與歸屬網關建立安全傳輸管道。

（5）多個MR與各自歸屬網關構成車地通信鏈路，車與地之間通過MR-HA路徑進行安全通信。歸屬網關也可將MR數據轉發(fā)至其它所需的目標地址。

（6）HA網關之間互聯構成基于HA中轉的多MR車-車互聯網絡。車與車之間的業(yè)務設備可通過MR-HA-MR或MR-HA-HA-MR構成的路徑進行車-車互聯安全通信。

（7）MR支持多無線制式接入，包括空天車地一體化專網、鐵路無線通信專網、運營商公眾網絡，以適應不同區(qū)域的網絡環(huán)境。MR支持多鏈路接入和管理功能，根據不同業(yè)務數據傳輸需求，制定優(yōu)先級策略，選擇相應鏈路傳輸。

2.2 傳輸機制及工作流程

2.2.1 傳輸機制

安全信息接入、一體化匯聚處理與融合傳輸機制如圖4所示，系統(tǒng)中各載荷節(jié)點（艇載監(jiān)測載荷、機載監(jiān)測載荷、車載監(jiān)測載荷、區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)）通過相應的網關節(jié)點（艇載監(jiān)測節(jié)點網關、機載監(jiān)測節(jié)點網關、車載網關、區(qū)域監(jiān)測節(jié)點網關）對數據進行匯聚，并通過傳輸網絡將信息發(fā)送到地面中心網關，在地面數據中心進行系統(tǒng)安全狀態(tài)分析評估、安全態(tài)勢演化預測預警和圖形化展示。

2.2.2 工作流程

（1）艇載監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測網關。其數據流為，艇載載荷數據傳給艇載監(jiān)測節(jié)點網關，經網關統(tǒng)一打包后，經高速數傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網關接收解析，如圖5所示。

（2）機載監(jiān)測節(jié)點監(jiān)測網關。其數據流為，機載載荷數據傳給機載監(jiān)測節(jié)點網關，經網關統(tǒng)一打包后，經高速數傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網關接收解析，如圖6所示。

（3）車載監(jiān)測節(jié)點網關。其數據流為，車載傳感器數據傳給車載監(jiān)測節(jié)點網關，經網關統(tǒng)一打包后，經高速數傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網關接收解析，如圖7所示。

（4）區(qū)域節(jié)點通信及業(yè)務網關。其數據流為，軌旁采集傳感器數據傳給區(qū)域監(jiān)測節(jié)點網關，經網關統(tǒng)一打包后，經高速數傳，傳至地面站后，由地面控制中心主通信網關接收解析，如圖8所示。

（5）地面控制中心主網關。其數據流為，地面控制中心主網關接收來自艇載移動通信系統(tǒng)數據、機載移動通信系統(tǒng)數據、車載移動通信系統(tǒng)數據和區(qū)域節(jié)點移動通信系統(tǒng)數據，經地面控制中心主通信網關接收解析后，發(fā)送給監(jiān)控系統(tǒng)進行處理，如圖9所示。

3 基于空天車地一體化的列車群車聯網系統(tǒng)關鍵問題

研究基于空天車地一體化的列車群車聯網系統(tǒng)時，有眾多技術難點和關鍵問題亟待解決，主要有以下幾個方面。

（1）信息交互鏈路不確定、鏈路拓撲關系存在時變性。

核心挑戰(zhàn)：動態(tài)異構網絡快速自動組網和數據鏈構建。

解決方案：多個列車車載業(yè)務設備之間通過各自的MR與所屬的HA建立安全管道進行通信。車載業(yè)務設備與地面業(yè)務服務器之間通過MR與所屬的HA建立的安全管道進行通信。通過MR和HA對無線鏈路傳輸通道統(tǒng)一管理，使車車之間、車地之間進行無縫通信，并對通信車輛、通信內容和通信權限進行全局管控，從而實現動態(tài)異構網絡中的路由尋址方法。

（2）信息傳輸過程中的跨制式切換、跨制式傳輸。

核心挑戰(zhàn)：不同制式承載的多鏈路傳輸管理機制。

解決方案：MR支持多制式無線網絡接入，包括空天車地一體化專網、鐵路無線通信專網、運營商公眾網絡等。多制式接入控制技術用于控制車載通信設備接入多種制式的無線網絡，建立一條或多條無線鏈路;MR對多鏈路管道進行實時監(jiān)測，將高優(yōu)先級數據通過鏈路質量最好的鏈路單播傳輸，或通過所有可用鏈路多播到HA。MR與HA之間的通信支持基于QoS（Quality of Service）的數據管理、隊列緩沖等功能。從而實現了不同制式承載的數據鏈動態(tài)構建。

（3）開放空間、網絡節(jié)點設備眾多。

核心挑戰(zhàn)：車輛移動互聯傳輸中的可靠性和安全性保障。

解決方案：安全傳輸，通過MR與HA建立安全管道，車-車信息與車-地信息均在安全管道中傳輸，安全管道支持多種加密機制，能夠保障信息的安全傳輸;可靠傳輸，MR與HA構成主備系統(tǒng)，車載2臺MR分別部署在車頭和車尾可以起到容災和備份作用，地面2臺HA網關互為主備，并支持異地HA網關容災備份，從而保障信息的可靠傳輸。

4 結語

本文詳細分析了基于空天車地一體化技術在列車群車聯網系統(tǒng)構建及關鍵節(jié)點研究中的現狀及問題，提出了系統(tǒng)總體框架，并分別介紹了艇載節(jié)點、機載節(jié)點、車載節(jié)點和地面節(jié)點的關鍵性能和通信模式，最后詳細分析了系統(tǒng)研究的關鍵問題，以期為該領域技術研究和深化應用提供借鑒。

參考文獻

[1]胡永利，孫艷豐，尹寶才. 物聯網信息感知與交互技術[J]. 計算機學報，2012，35（6）：1147-1163.

[2]王群，錢煥延. 車聯網體系結構及感知層關鍵技術研究[J]. 電信科學，2012，28（12）：1-9.

[3]Gerla M， Lee E K， Pau G， et al. Internet of? Vehicles：From Intelligent Grid to Autonomous Cars and Vehicular Clouds[C]//2014 IEEE World Forum on Internet of Things （WF-IoT）. IEEE，2014：241-246.

[4]Contreras-Castillo J， Zeadally S， Guerrero-Iba?ez J A. Internet of Vehicles：Architecture，Protocols and Security[J]. IEEE Internet of Things Journal，2017，5（5）：3701-3709.

[5]王群，錢煥延. 車聯網定位方法與機制[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（2）：9-13.

[6]溫曉凱，孫坤，劉亮. 基于物聯網技術的地鐵巡檢信息化系統(tǒng)構想[J]. 現代隧道技術，2019（3）：59-64.

[7]李宗芹. 車聯網體系結構及感知層關鍵技術探析[J]. 通訊世界，2019 （1）：70-71.

[8]郭彬， 趙燕. 車聯網環(huán)境中基于 RFID 的車輛定位方法[J]. 公路交通科技， 2016，33（12）：140-144.

[9]史天運，孫鵬.? 鐵路物聯網應用現狀與發(fā)展[J]. 中國鐵路，2017（12）：1-6.

[10] Zhou Z， Feng J， Tan L， et al. An Air-Ground Integration Approach For Mobile Edge Computing in IoT[J]. IEEE Communications Magazine，2018，56（8）：40-47.

[11] Liu J， Shi Y， Fadlullah Z M， et al. Space-Air-Ground Integrated Network：A Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials，2018，20（4）：2714-2741.

[12] Zhang N， Zhang S， Yang P， et al. Software Defined Space-Air-Ground Integrated Vehicular Networks： Challenges and Solutions[J]. IEEE Communications Magazine，2017，55（7）：101-109.

[13] Yang J， Cheng X， Wu Y，et al. Railway Comprehensive Monitoring and Warning System Framework Based on Space-Air-Vehicle-Ground Integration Network[C]//2018 Prognostics and System Health Management Conference（PHM-Chongqing）. IEEE，2018：1314-1319.

[14] 韓帥，臺祥雪，孟維曉. 空天地通信網絡的物理層安全系統(tǒng)模型與關鍵技術[J]. 電信科學，2018，34（3）：23-31.

收稿日期 2020-01-10

責任編輯 朱開明

Research on application framework of integration of rail systemwide technology in the train group network

Gao Yifan， Ma Xiaoping， Chen Xiaoying， et al.

Abstract： By studying the theory and application of Internet of Things technology， Internet of Vehicles technology and railway systemwide （including weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.） integrated network， this paper analyzes the construction requirements of the train group and vehicle network system， builds the overall framework of the train group and vehicle network system based on integrated system such as weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， respectively establishes the monitoring nodes and internets of train borne， cab-borne， car onboard， regional monitoring and trackside center etc.， and elaborates the communication structure of the system. This paper puts forward key problems such as the physical architecture design and information transmission of the train group and Internet of Vehicles system based on the integration of weather， clearance， vehicle and infrastructure etc. It plays a guiding and enlightening role in the further study of the theory and application of the systemwide integration network of weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， serving the train group monitoring and communication.

Keywords： rail transit， train group， Internet of Vehicles， railway systemwide factors including weather， clearance， vehicle and infrastructure etc.， overall structure

基金項目：十三五國家重點研發(fā)計劃項目（編號：2016YFB1200100）

作者簡介：高一凡（1978—）男，工程師