铁路信息岛毫米波与ICT融合信息传输平台的研究_朱岩.pdf
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1、1引言近年来,中国铁路获得巨大发展,根据2022年1月4日召开的国铁集团工作会议所透露信息,截至2021年底,国内铁路营业里程已超过15万公里,其中高铁营业里程已超过4万公里,当前高速铁路已开始向智能化方向1发展,高铁与通信技术的结合,是构建智能高铁的基础2。由于中国地形复杂,铁路(含高铁)途径很多地质条件复杂、与外界通讯条件恶劣的偏远地区,如成渝高铁、成贵高铁、西成高铁等,沿途穿越地质条件极度复杂的山区,桥隧相连。在隧道之间的路段上存在大量对外通讯条件极度恶劣的区域,在这些区域可以通过布置相关监控传感器、信息处理及传输系统形成“信息岛”。由于很多信息孤岛周边地质条件复杂,特别是部分信息孤岛处
2、于地质不稳定地区,区域内易发生诸如地震、路面沉降、落石等可能引发行车事故的地质灾害,客观上需要及时将信息孤岛中的监控数据传递出来,以方便外部数据中心通过对监控数据的分析,及时发现风险,做好灾害及时预警或排除已发生的灾害对路段的威胁,从而减少行车事故的发生,切实保障旅客生命安全,以避免或减少国家重要基础设施及财产的损失。针对信息岛监控数据的转储需求,现有的传输方法及其缺点及问题如下:(1)直接传输:线缆或架设无线通讯基站传输实施及维护困难,基础投入成本高;采用卫星通讯传输成本高,且信号传输速度慢。(2)人工转储:维护困难,成本高,且信息滞后。(3)无效监控数据:信息岛中传感器会产生大量的无效数据
3、(静止不动的画面、长期无明显变化的振动、音频数据等),数据转储时对无效数据的传输不但浪费时间及成本,也会影响数据中心对关键数据查找及分析的效率,因此需要对无效监控数据进行剔除。针对以上问题,本文通过研究现有信息传输平台的特点,结合毫米波相关应用技术,给出了一种信息岛与外界进行间接信息交互的方案,通过信息岛附近经过的高铁或动车作为数据转储载体,将经过筛选的关键监控数据传递给外界的信息处理中心,并将信息处理中心的控制信息通过列车转发给信息岛地面信息接收装置,从而实现信息岛与外界有效的信息沟通。2现状分析通过以上对当前信息岛的通讯条件及困难的分析,结合铁路信息岛周边有高速列车定时经过的现实条件,采用
4、列车作为载体,通过车地间高速数据传输实现信息岛与外界的信息沟通是值得探讨的问题解决思路。关于车地间数据传输,当前已有方案实现了将部分列车视频数据通过WLAN传输至地面信息系统3,但考虑到信息岛过境列车通常处于高速行驶状态,该方案的信号传输速率及稳定性均不理想。随着5G通信技术的发展,其高可靠、低铁路信息岛毫米波与ICT融合信息传输平台的研究朱 岩1戚建淮2刘 航2崔 宸2解亚飞2(1.中国铁路北京局集团有限公司,北京100000;2.深圳市永达电子信息股份有限公司,广东深圳518055)摘要:分析了铁路沿线信息岛的成因、现状、对列车安全的影响,通过对现有信息传输平台及毫米波通信特点的研究,针对
5、信息岛与外界信息沟通的需求提出一种基于毫米波与IC T 融合信息传输平台设计方法,并对监控数据中的关键信息提取、传输给出了一系列方案,可将列车路线附近信息岛的关键监控信息更有效地传输给数据中心,有效解决了信息岛与外界沟通的难题。关键词:铁路信息岛;毫米波;关键监控信息;卡尔曼滤波中图分类号:TN929.5;U266文献标识码:A文章编号:1008-6609(2022)10-0059-06作者简介:朱岩(19 75),男,天津人,本科,正高级工程师,研究方向为机务系统数据分析、高铁自动驾驶系统、调车作业安全综合管理等。电脑与电信网络与通信-59DOI:10.15966/ki.dnydx.2022
6、.10.020时延、大带宽的特点在铁路各领域拓展了很多新应用场景4-6,5G的应用不但可以实时监控动车组车载数据7,还可以实现大量车载数据在车地间的传输8。5G通信随着传输频段的增高,其传输速率随之增大,通信距离缩短,毫米波是5G在高频频段的应用,可在特定区域内实现大量数据快速转储9-13,根据车地间数据传输的具体条件及需求可选择数据实时上传,或数据集中上传的方式14,当所需传输或转储的数据量较大时,采用毫米波作为高速且大带宽的车地间无线传输通道,是一个较好的选择15。目前已有毫米波通讯方案可实现列车在进出站场过程中与地面之间数据的快速传输8,可以解决车速过快时车地之间大量信息传输问题。3系统
7、方案3.1系统架构根据信息岛信息转储及分析的实际需求,参考已有解决方案,首先需要采用适当的毫米波通讯方案解决信息岛与高速状态下机车间大量监控数据的传输问题,同时需要使用适当的方法尽量减少所需传输监控数据的数据量,确保对关键监控数据进行转储。据此信息岛毫米波ICT融合信息传输平台的架构可自上而下分为数据中心、数据传输层、信息收集层。3.1.1数据中心数据中心通过列车及通讯基站的中转,接收信息岛传感器收集并经过边缘计算节点初步筛选得到的监控及状态信息,通过对数据进行智能分析确定信息岛状态;如需对信息岛设备状态进行调整(例如调整摄像头拍摄角度,调整信息岛通讯系统信号发送频率、功率等),数据中心可将控
8、制调整信息通过通讯基站及列车的中转下达给信息岛,由信息岛边缘计算节点自动进行工作状态调整。图1信息岛毫米波ICT融合信息传输平台系统架构图3.1.2数据传输层过境列车与外界通讯基站间可采用E波段毫米波进行信息传输;过境列车与信息岛间采用V波段毫米波进行通讯;信息岛内各传感器与边缘计算节点之间采用Wifi方式进行连接。3.1.3信息收集层每个信息岛配备至少一个边缘计算节点及所属的存储单元,其配备的存储单元可存储各种信息岛附近可能影响行车安全事件发生时各种传感器典型监控信号特征;边缘计算节点具备简单的分析比对及数据筛选功能,可剔除无效监控数据,并优先传输转储可能造成更严重后果事件的监控数据。3.2
9、重要功能3.2.1数据中心功能数据中心可通过控制信息中转的方式实现对信息岛设备的主动维护及智能调度,可有效提升信息岛设备运行的可靠性。对信息岛上传的监控信息通过大数据分析方式,准确识别信息岛附近可能发生或已发生的影响正常行车的事件,从而提前或尽快处理问题,有效提升行车安全性。3.2.2列车数据中转功能以运行中的铁路高铁/动车为信息岛与数据中心信息传递的中介,其步骤如下:(1)列车到达通讯基站附近,与通讯基站E波段毫米波天线临时建立无线数据链接,从数据中心查询获取前方运行线路附近的信息岛状态清单,将信息岛状态清单信息保存到列车内的数据存储器上;数据中心同时将对信息岛的操作指令发送给列车。(2)列
10、车经过信息岛附近,与信息岛的V波段毫米波天线临时建立无线数据链接,与信息岛进行数据交换,将来自数据中心的控制信息发给信息岛,同时将信息岛监控数据转储在列车上。(3)当列车经过信息岛到达下一个通讯基站附近时,将通过前面步骤获取的信息岛数据上传到数据中心,可以释放列车内数据存储器该部分数据的存储空间,继续从数据中心获取前方运行线路附近的信息岛状态清单,并接收数据中心对下一个即将经过信息岛的控制信息。(4)在列车离开信息岛后,根据数据中心事先提供的时刻表,如果确定最近将与本车会车(相对开行)的列车先到达可中转数据的通讯基站,可选择在会车时通过双方的毫米波收发装置将监控数据转发给对面的列车,由其中转上
11、传数据中心。3.2.3信息岛功能(1)信息筛选:信息岛对监控信息按照两种方法进行筛查,首先可按照对行车安全影响严重性对监控信息进行分类,在转储时优先发送可能造成更严重后果事件的监控信息;其次为减小转储数据量,可剔除无效数据(静止不动的画电脑与电信网络与通信-60面、长期无明显变化的振动、音频数据等)后,将关键监控数据进行转储,从而降低最终上传数据量,提升转储效率。(2)数据传输:信息岛内的多个边缘计算节点配有V波段毫米波收发基站,采用汇聚组网方式,基站间传输距离可达1公里,传输带宽2.5G,主要用于基站间信息交换以及面向列车的信息交换。边缘计算节点面向底层各传感器采用Wifi链接,用于边缘计算
12、节点对底层传感器信息收集或发送给底层传感器控制信息。此外,为确保列车高速通过时与信息岛之间信号传输的稳定性及完整性,一般采用多路径冗余链接方式确保信号的传输。也即在整个传输的过程中,当某些通信链路因行车或遮挡断开时,至少保持一条信息岛与列车联通的通信链路,以确保信息的收发能够准确完成。(3)数据中继:对于部分距离铁路较远的信息岛,可以利用距离铁路较近的信息岛对其数据进行中转,这样可以延长传输距离,从而增加信息岛监控覆盖范围。(4)休眠和唤醒:信息岛附近环境大部分处于正常状态,大部分传感器只需要间歇性地触发数据采集,数据通讯也仅为短时通讯,因此在不进行数据采集和数据通讯时信息岛大部分设备可进入休
13、眠状态,按照设定的时间唤醒并进行数据采集和传输,在遇到突发事件时可根据触发条件自动唤醒设备,进行监控及数据传输,可以有效减小消耗,并进一步减少需要转储的无效数据量。4关键方法及流程信息岛的边缘计算节点可采用信息分级传输及无效信息剔除两种方法对传感器监控信息进行筛选,以确保转储时进行传输的均为关键数据。4.1信息分级传输方法4.1.1信息分级根据安全事件对行车安全影响严重程度进行分类:例如影响到正常行车的落石、地基沉降等为严重事件;暴雨、大风等可能影响行车安全的事件为警戒事件;对行车安全影响不大的为普通事件。信息岛的边缘计算节点需事先存储可能影响行车的各级别安全事件典型监控信号特征。4.1.2信
14、息对比传输信息岛的边缘计算节点收集附近传感器监控信息,并将其与存储器中各种典型安全事件监控信息进行比对,识别出相关安全事件后,按事件影响行车安全严重性进行传输优先级排序。严重性更高的事件传输优先级更高;多起相同严重性事件中,与边缘计算节点存储器中已有安全事件典型监控信号特征匹配程度更高的事件传输优先级更高。边缘计算节点在列车经过时,优先传输优先级更高的事件监控信息,也即优先传输关键监控信息。4.2自适应卡尔曼滤波无效信息排除方法信息岛中各传感器会产生大量的无效信息(静止不动的画面、长期无明显变化的振动、音频数据等)后,对其进行转储不但会浪费成本,而且会降低数据中心对关键数据查找及分析的效率。排
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