鐵路防災減災通信中北斗衛星系統與TMIS 融合發展分析

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

鐵路通信建設在行業與社會環境的發展，覆蓋規模與技術水平也有明顯變化，為了滿足防災減災要求，原有鐵路通信應急管理系統中與防災減災相結合，建設鐵路防災減災通信系統。與此同時，北斗衛星系統（BDS）憑借其定位精準、短報文通信等諸多優勢，在該系統中也有十分廣泛的應用，與TMIS（Transportation Management Information System，鐵路運輸管理信息系統）融合，為鐵路防災減災通信提供高質量服務，也可以用于基礎設施野外監管。北斗衛星系統與TMIS 的融合，將衛星通信、鐵路數據傳輸鏈、數據交換等加以整合，創建衛星數據、互聯網數據相融合的雙向交換通道，為鐵路防災減災通信奠定技術方面的基礎。

1 北斗衛星導航系統與TMIS

北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星導航系統，具有獨立性、自主性、開放性、兼容性等諸多優勢，投入使用之后構建更為完善的衛星導航產業鏈[1]。北斗衛星導航系統中包含空面段、地面段、用戶段，可在任何時間段運行，在鐵路防災減災通信中主要憑借高精度定位、授時服務等諸多功能得到廣泛應用。

TMIS 包括三個子系統，即調度綜合管理、車站綜合管理、綜合應用管理。關于列車的調度指揮，一般會應用到計劃信息、列調信息、貨調信息等系統，貨運管理有專門的貨運制票、貨調綜合管理等系統，車站管理依靠的是車站現車與車站行車管理信息兩個系統，管理層主要是由綜合應用管理信息系統發揮作用。

實現鐵路防災減災通信過程中，將北斗衛星系統與TMIS 融合，為現有管理系統賦予更加完善的功能，而且系統的管理規模不斷拓寬，這對于防災減災目標的實現也有重要意義，及時定位災害事故發生位置與可能性，通過大數據、云計算等先進技術，實現高質量、高效率的數據傳輸與通信[2]。

2 鐵路防災減災通信系統結構組成

鐵路防災減災通信系統中包含北斗衛星系統與TMIS，所以其同時具備兩個系統的功能，例如快速精準定位、短報文通信、精密授時、列車調度與車站等的綜合管理。通過快速定位、短報文通信這兩項功能，可以以鐵路防災減災通信中的子系統形式運行，專門負責重要數據檢測、采集與傳輸，確保系統數據傳輸的穩定性與效率。

對于鐵路沿線容易發生事故、災害的地點，可以集中安裝傳感監測設備，這一類設備專門設置內置芯片，用于監測自然災害，監測得到的數據也會利用衛星鏈路向北斗衛星系統地面主控站快速傳輸，主控站在接收到信息后再傳輸給系統北斗數據接收端進行分析、處理[3]。即便現場沒有安裝GPRS/3G/4G/5G 監測設備，或者比較偏僻的野外地區，也可以實時監測數據、傳輸，發現事故與災害后進行預警。采集、接收到衛星數據，北斗衛星系統會傳輸給TMIS，系統在移動信號覆蓋范圍內通過GPRS/3G/4G/5G 模式進行快速傳輸。

北斗衛星通信系統與TMIS 融合之后，利用專用通信設備、雙向數據交換平臺處理相關信息。其中專用通信設備的作用是傳輸自然災害監測終端、系統主服務器的數據，有無線網絡通信、北斗短報文兩個接口，具備實時定位的功能判斷自然災害位置，再傳輸給主服務器。北斗數據網、TMIS 網利用雙向數據交換平臺，可以解決地面移動通信在覆蓋范圍、靈活性等方面的問題，而且傳輸時間達到500～800ms，報文長度與通信費用也因此得到改善。所以，移動信號覆蓋范圍內，通常會優先選擇GPRS/3G/4G/5G、光纜這一類通信鏈路傳輸重要的數據。基于北斗數據網、TMIS 的雙向數據交換平臺，使衛星報文數據、移動互聯網數據的格式達成互換，通過鐵路防災減災通信系統中已經十分成熟的TMIS、衛星數據網絡，可以實現雙向數據傳輸，北斗衛星系統、互聯網數據實現連接之后，數據傳輸通道也有所創新。與此同時，除了北斗短報文數據這一項功能外，北斗數據、TMIS 的雙向數據交換平臺也可以利用現場終端傳輸3G/4G/5G 網絡數據，使防災減災通信效率、數據傳輸準確性不斷提升。

3 系統的應用與優化

3.1 優化北斗報文傳輸

鐵路防災減災通信需要功能完善、可靠性高的通信鏈路，常規北斗衛星短報文終端通信僅為90%，需要進一步提升其成功率，而且發送頻次在60s/次左右，數據包長的有效字節數量在78Byte/包左右，這與現階段鐵路行業數據傳輸發展需求不符。在鐵路防災減災通信系統不斷完善的當下，應該要在軌道交通沿線安全監測基礎上，考慮北斗衛星系統與TMIS 融合需求，優化北斗報文傳輸通信終端，主要提出以下建議：

①利用報文校驗機制，對丟包、觸發重發機制進行嚴格校驗，有利于提高數據傳輸的成功率。一般丟包檢測更多是采用發送方等待接受方反饋超時、報文編碼檢測這兩種方式，第二種需要由接收方向發送方提出重發丟包數據報文的申請，而且兩種方法可以同步應用，利用控制系統隨之切換即可[4]。②采取多卡切換技術，可以提高短報文的發送頻率，在頻次更高的應急應用場景中也可應用。憑借控制單元進行定時切換，如此一來北斗通信模塊、北斗SIM 卡之間達到協同運作的效果，專業設備與高頻次北斗短報文通信要求一致，直接傳輸控制策略，有利于加強多卡通信負載的平衡性。③自動拆包組包技術的有效運用，可以將長數據報文傳輸過程公開。與此同時，自定義報文協議可將長報文分解，以短報文的形式傳輸，每一條短報文分別有對應的序號，一一獨立傳輸給接收終端。當接收終端接收之后，按照分包序號將短報文再次整合成為長報文進行傳輸。

3.2 改善短報文模塊結構

短報文模塊結構在運行過程中，各個模塊供電設計均遵循了低能耗與功耗的原則，即不是所有模塊全部供電。結合鐵路防災減災通信系統運行現狀，+5V 采用直接供電、電池供電這兩種形式，主板直接提供電池。如果應用+5V 供電模式，可以將電池供電切斷，+5V 斷電之后再將RDSS_5V_ON 關閉，隨即開啟V_BAT_RDSS，以免+5V 在運行過程中突然來電威脅到操作安全。

3.3 優化設計雙向數據交換平臺

鐵路防災減災通信系統在運行過程中，北斗衛星系統與TMIS 融合之后，衛星通信、互聯網通信存在天然屏障，要想實現衛星數據和互聯網數據有效傳輸，必須運用到雙向互傳功能。建議采集到北斗監測數據之后，利用TMIS 網通信技術進行傳輸，或者是TMIS 下達遙測指令、應急指揮信息，再由北斗衛星系統通信技術進行傳輸。

按照鐵路防災減災通信要求，要針對性地設計北斗終端技術規劃，考慮到北斗數據采集、訪問需要綁定指定北斗硬件設備終端，所以按照特定北斗終端設備信息、數據接入與通信、傳輸細節，可以直接采用自定義通信協議或數據格式，研發滿足需求的北斗數據訪問平臺。設計通信服務器，數據傳輸與轉發機制均應用TCP/IP 協議，而且socket 套接字可以優化傳輸效果，以免出現數據指令丟包的現象[5]。協議數據包涵蓋同步頭、CRC 校驗位與數據信息，其中同步頭的作用是判斷數據幀起始位、標識數據包類型，CRC 校驗碼的功效體現在數據傳輸與轉發這一方面，數據信息長度與數據包有直接關系。通信服務器在系統中屬于傳輸中繼服務器，直接負責IP數據包處理、轉發，接收智能監測終端、TMIS 傳輸指令與數據，自動分析、處理與儲存，北斗衛星系統負責編制原本的業務數據格式，適應計算機網絡傳輸要求，滿足北斗衛星系統與TMIS 數據交換需求。

4 結束語

綜上所述，鐵路防災減災通信在行業飛速發展的當下，北斗衛星系統、TMIS 也逐漸實現了融合，提高事故災害定位分析的準確性，也為數據傳輸、轉換、儲存、備份等提供了先進技術支撐，為今后鐵路通信的發展與建設打下扎實基礎，從而切實推動我國鐵路行業可持續發展。