铁路防灾减灾通信中北斗卫星系统与TMIS 融合发展分析

2021-01-12

数字通信世界 2021年4期

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

铁路通信建设在行业与社会环境的发展，覆盖规模与技术水平也有明显变化，为了满足防灾减灾要求，原有铁路通信应急管理系统中与防灾减灾相结合，建设铁路防灾减灾通信系统。与此同时，北斗卫星系统（BDS）凭借其定位精准、短报文通信等诸多优势，在该系统中也有十分广泛的应用，与TMIS（Transportation Management Information System，铁路运输管理信息系统）融合，为铁路防灾减灾通信提供高质量服务，也可以用于基础设施野外监管。北斗卫星系统与TMIS 的融合，将卫星通信、铁路数据传输链、数据交换等加以整合，创建卫星数据、互联网数据相融合的双向交换通道，为铁路防灾减灾通信奠定技术方面的基础。

1 北斗卫星导航系统与TMIS

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，具有独立性、自主性、开放性、兼容性等诸多优势，投入使用之后构建更为完善的卫星导航产业链[1]。北斗卫星导航系统中包含空面段、地面段、用户段，可在任何时间段运行，在铁路防灾减灾通信中主要凭借高精度定位、授时服务等诸多功能得到广泛应用。

TMIS 包括三个子系统，即调度综合管理、车站综合管理、综合应用管理。关于列车的调度指挥，一般会应用到计划信息、列调信息、货调信息等系统，货运管理有专门的货运制票、货调综合管理等系统，车站管理依靠的是车站现车与车站行车管理信息两个系统，管理层主要是由综合应用管理信息系统发挥作用。

实现铁路防灾减灾通信过程中，将北斗卫星系统与TMIS 融合，为现有管理系统赋予更加完善的功能，而且系统的管理规模不断拓宽，这对于防灾减灾目标的实现也有重要意义，及时定位灾害事故发生位置与可能性，通过大数据、云计算等先进技术，实现高质量、高效率的数据传输与通信[2]。

2 铁路防灾减灾通信系统结构组成

铁路防灾减灾通信系统中包含北斗卫星系统与TMIS，所以其同时具备两个系统的功能，例如快速精准定位、短报文通信、精密授时、列车调度与车站等的综合管理。通过快速定位、短报文通信这两项功能，可以以铁路防灾减灾通信中的子系统形式运行，专门负责重要数据检测、采集与传输，确保系统数据传输的稳定性与效率。

对于铁路沿线容易发生事故、灾害的地点，可以集中安装传感监测设备，这一类设备专门设置内置芯片，用于监测自然灾害，监测得到的数据也会利用卫星链路向北斗卫星系统地面主控站快速传输，主控站在接收到信息后再传输给系统北斗数据接收端进行分析、处理[3]。即便现场没有安装GPRS/3G/4G/5G 监测设备，或者比较偏僻的野外地区，也可以实时监测数据、传输，发现事故与灾害后进行预警。采集、接收到卫星数据，北斗卫星系统会传输给TMIS，系统在移动信号覆盖范围内通过GPRS/3G/4G/5G 模式进行快速传输。

北斗卫星通信系统与TMIS 融合之后，利用专用通信设备、双向数据交换平台处理相关信息。其中专用通信设备的作用是传输自然灾害监测终端、系统主服务器的数据，有无线网络通信、北斗短报文两个接口，具备实时定位的功能判断自然灾害位置，再传输给主服务器。北斗数据网、TMIS 网利用双向数据交换平台，可以解决地面移动通信在覆盖范围、灵活性等方面的问题，而且传输时间达到500～800ms，报文长度与通信费用也因此得到改善。所以，移动信号覆盖范围内，通常会优先选择GPRS/3G/4G/5G、光缆这一类通信链路传输重要的数据。基于北斗数据网、TMIS 的双向数据交换平台，使卫星报文数据、移动互联网数据的格式达成互换，通过铁路防灾减灾通信系统中已经十分成熟的TMIS、卫星数据网络，可以实现双向数据传输，北斗卫星系统、互联网数据实现连接之后，数据传输通道也有所创新。与此同时，除了北斗短报文数据这一项功能外，北斗数据、TMIS 的双向数据交换平台也可以利用现场终端传输3G/4G/5G 网络数据，使防灾减灾通信效率、数据传输准确性不断提升。

3 系统的应用与优化

3.1 优化北斗报文传输

铁路防灾减灾通信需要功能完善、可靠性高的通信链路，常规北斗卫星短报文终端通信仅为90%，需要进一步提升其成功率，而且发送频次在60s/次左右，数据包长的有效字节数量在78Byte/包左右，这与现阶段铁路行业数据传输发展需求不符。在铁路防灾减灾通信系统不断完善的当下，应该要在轨道交通沿线安全监测基础上，考虑北斗卫星系统与TMIS 融合需求，优化北斗报文传输通信终端，主要提出以下建议：

①利用报文校验机制，对丢包、触发重发机制进行严格校验，有利于提高数据传输的成功率。一般丢包检测更多是采用发送方等待接受方反馈超时、报文编码检测这两种方式，第二种需要由接收方向发送方提出重发丢包数据报文的申请，而且两种方法可以同步应用，利用控制系统随之切换即可[4]。②采取多卡切换技术，可以提高短报文的发送频率，在频次更高的应急应用场景中也可应用。凭借控制单元进行定时切换，如此一来北斗通信模块、北斗SIM 卡之间达到协同运作的效果，专业设备与高频次北斗短报文通信要求一致，直接传输控制策略，有利于加强多卡通信负载的平衡性。③自动拆包组包技术的有效运用，可以将长数据报文传输过程公开。与此同时，自定义报文协议可将长报文分解，以短报文的形式传输，每一条短报文分别有对应的序号，一一独立传输给接收终端。当接收终端接收之后，按照分包序号将短报文再次整合成为长报文进行传输。

3.2 改善短报文模块结构

短报文模块结构在运行过程中，各个模块供电设计均遵循了低能耗与功耗的原则，即不是所有模块全部供电。结合铁路防灾减灾通信系统运行现状，+5V 采用直接供电、电池供电这两种形式，主板直接提供电池。如果应用+5V 供电模式，可以将电池供电切断，+5V 断电之后再将RDSS_5V_ON 关闭，随即开启V_BAT_RDSS，以免+5V 在运行过程中突然来电威胁到操作安全。

3.3 优化设计双向数据交换平台

铁路防灾减灾通信系统在运行过程中，北斗卫星系统与TMIS 融合之后，卫星通信、互联网通信存在天然屏障，要想实现卫星数据和互联网数据有效传输，必须运用到双向互传功能。建议采集到北斗监测数据之后，利用TMIS 网通信技术进行传输，或者是TMIS 下达遥测指令、应急指挥信息，再由北斗卫星系统通信技术进行传输。

按照铁路防灾减灾通信要求，要针对性地设计北斗终端技术规划，考虑到北斗数据采集、访问需要绑定指定北斗硬件设备终端，所以按照特定北斗终端设备信息、数据接入与通信、传输细节，可以直接采用自定义通信协议或数据格式，研发满足需求的北斗数据访问平台。设计通信服务器，数据传输与转发机制均应用TCP/IP 协议，而且socket 套接字可以优化传输效果，以免出现数据指令丢包的现象[5]。协议数据包涵盖同步头、CRC 校验位与数据信息，其中同步头的作用是判断数据帧起始位、标识数据包类型，CRC 校验码的功效体现在数据传输与转发这一方面，数据信息长度与数据包有直接关系。通信服务器在系统中属于传输中继服务器，直接负责IP数据包处理、转发，接收智能监测终端、TMIS 传输指令与数据，自动分析、处理与储存，北斗卫星系统负责编制原本的业务数据格式，适应计算机网络传输要求，满足北斗卫星系统与TMIS 数据交换需求。