空天车地一体化技术在列车群车联网中的应用框架研究

高一凡　马小平　陈小英　刘晓光

摘 要：通过研究物联网技术、车联网技术及空天车地一体化网络的理论和应用现状，分析列车群车联网系统构建需求，搭建基于空天车地一体化列车群车联网系统总体框架;分别建立艇载、机载、车载、区域监测和地面中心监测节点和网关，阐述系统的通信结构;提出基于空天车地一体化的列车群车联网系统物理架构设计及信息传输等关键问题。为进一步研究服务于列车群监测和通信的空天车地一体化网络的理论和应用研究起到指导和启发作用。

关键词：轨道交通;列车群;车联网;空天车地;总体架构

中图分类号：U285.5+5

0 引言

物联网作为新的网络信息技术，正在逐渐兴起。物联网在互联网基础上，将网络延伸和扩展到任何物与物、物与人之间进行的信息交换和通信[1]。车联网是物联网在智能交通领域的运用，车联网实现了车、轨与人的互联互通，促进了车、交通和信息技术产业向更加现代化、网络化和智能化方向发展[2-4]。车联网利用装载在车辆上的电子标签通过无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等技术获取车辆的行驶属性和系统运行状态信息，通过GPS等全球定位技术获取车辆行驶位置等参数[5]，通过3G/4G等无线传输技术实现信息传输和共享[6]，通过RFID和传感器获取轨道、桥梁、隧道等基础设施的使用状况[7]，最后通过互联网信息平台实现对车辆的运行监控以及提供各种交通综合服务。目前，车辆移动互联技术主要应用在汽车上，铁路车辆移动互联技术尚无应用。列车群车联网是铁路车辆移动互联技術在物联网的典型应用，利用车载电子传感装置，通过网络完成信息交换，使车与轨、车与车、车与人之间的信息互联互通，对车辆和交通状况进行有效的智能监控[8]。与传统的铁路智能交通系统（Intelligent Transport System， RITS）相比，列车群车联网更注重车与车、车与人之间的交互通信，通过提取更多车辆行驶参数和系统数据来保障列车行驶安全、提高出行舒适度[9]。列车群车联网是物联网概念的着陆点，将具体的物理世界限定到车、轨和人上。基于空天车地一体化的列车群车联网系统总体框架的建立，解决了列车群车联网系统研究的关键问题，从而为该领域理论和应用研究提供指导。

1 列车群车联网技术研究

1.1 列车群车联网系统总体描述

面向轨道交通安全运营监测任务，快速构建以静空平台节点为核心的空天车地一体化列车群车联网系统（包括卫星、多个无人机、列车、地面节点等），是实现轨道交通系统立体化、全天候监测的关键[10-15]。然而，由于无人机、列车节点的动态性以及空中子网、列车子网以及地面子网在信息协议格式、网络传输能力、业务传输控制以及用户地址空间等方面的异构性，对空-车-地一体化协同组网带来极大的挑战。

首先，针对轨道交通系统列车开行方式和线路网络特点，研究列车群车联网的组网约束条件和车车信息传输与共享需求，提出适应于空天车地轨道交通专用网络和轨道交通业务场景需求的列车群车联网架构。然后，针对轨道交通大范围实时运营安全保障对广域立体监测、多尺度监测信息深度融合等的迫切需求，研究艇载、机载、车载、轨旁等监测装置的监测信息特点和传输需求，提出依托于空天车地轨道交通专用网络和传输设备，确定可实现车辆移动安全信息接入与融合传输的空天车地一体化架构。

1.2 列车群车联网系统总体框架

基于工业现场总线、工业以太网等，结合列车移动安全信息接入与融合传输需求，研究适用的安全信息接入、一体化汇聚处理与融合传输机制，实现空天车地专用网络中各项与车辆安全相关信息的接入及与移动列车的高效交互。空天车地一体化列车群车联网系统要实现对轨道交通的大范围实时运营安全保障，对广域立体监测、多尺度监测信息的深度融合，需考虑多源监测信息的接入和分发等2方面关键问题，进行系统总体框架设计。基于空天车地一体化的列车群车联网系统总体框架如图1所示。系统由无人机节点、飞艇节点、列车节点、地面中心节点和其他节点组成。

（1）艇载监测节点监测网关实现了艇载载荷与艇载无线通信模块之间的通信嫁接;机载监测节点监测网关实现了无人机上载荷与无人机无线通信模块之间的通信嫁接;车载监测节点监测网关实现了车载采集设备与车载无线通信模块之间的通信嫁接;地面控制中心主网关实现了地面核心机房处理设备与艇载、机载无线通信模块之间的通信嫁接。

（2）系统总体采用低功耗、高性能的设计方法，综合考虑性能、环境等因素，研制艇载/机载监测节点业务网关、车载通信及业务网关、区域节点通信及业务网关、地面控制中心主网关等设备，构建基于空临天地网络的列车移动互联及安全状态信息交互网络。

（3）艇载监测节点网关用于艇载的光学、红外等监测载荷的监测输出数据接入并按约定的传输方式输出给艇载的空地无线传输系统;机载监测节点网关用于机载的光学、红外、激光雷达等监测载荷的监测输出数据接入并按约定的传输方式输出给机载的空地无线传输系统;车载网关设备用于车载监测系统监测与诊断数据接入并按约定的传输方式输出给车载的空天车地专用车载无线信道设备;区域节点网关设备用于轨旁地面重点基础设施、地质区域的地面监测系统监测数据的接入及向空天车地专用无线信道设备的转发;地面中心网关与艇载/机载监测节点网关、车载网关、区域节点网关协同建立监测数据的传输管道;协同各监测节点网关进行传输数据的传输统计和传输调度;通过车辆移动互联技术，实现车车、车地信息无缝共享，支撑列车群关键安全信息的实时共享及主动安全防护信息的交互。

2 一体化列车群车联网架构

2.1 列车群车联网系统架构设计

针对轨道交通系统列车开行方式和线路网络特点，研究列车群车联网的组网约束条件和车车信息传输与共享需求，提出适应于天临空地车轨道交通专用网络和轨道交通业务场景需求的列车群车联网架构（图2），以及列车群车联网车载网关MR（Mobile Router）管理架构（图3）。

（1）在列车的各车辆之间通过安装无线网桥，组成该机车的车载局域网。在列车两端分别部署1台MR设备，2台MR连接到车载局域网络，2台MR互为主备。车头和车尾分别部署1个（或多个）车载无线接入设备，分别连接（或部署）到MR。

（2）每个MR都归属于1个固定的HA（Home Agent）网关，为归属网关。MR当前所在区域的HA网关为访问网关。当MR当前所在区域为归属地时，访问网关与归属网关一致。

（3）当MR处于归属地时，MR控制车载无线接入设备与轨旁设备建立无线链路后，直接与归属网关完成鉴权认证，建立安全传输管道。

（4）当MR处于访问地时，MR控制车载无线接入设备与轨旁设备建立无线链路后，与访问网关完成鉴权认证，与归属网关建立安全传输管道。

（5）多个MR与各自归属网关构成车地通信链路，车与地之间通过MR-HA路径进行安全通信。归属网关也可将MR数据转发至其它所需的目标地址。

（6）HA网关之间互联构成基于HA中转的多MR车-车互联网络。车与车之间的业务设备可通过MR-HA-MR或MR-HA-HA-MR构成的路径进行车-车互联安全通信。

（7）MR支持多无线制式接入，包括空天车地一体化专网、铁路无线通信专网、运营商公众网络，以适应不同区域的网络环境。MR支持多链路接入和管理功能，根据不同业务数据传输需求，制定优先级策略，选择相应链路传输。

2.2 传输机制及工作流程

2.2.1 传输机制

安全信息接入、一体化汇聚处理与融合传输机制如图4所示，系统中各载荷节点（艇載监测载荷、机载监测载荷、车载监测载荷、区域监测系统）通过相应的网关节点（艇载监测节点网关、机载监测节点网关、车载网关、区域监测节点网关）对数据进行汇聚，并通过传输网络将信息发送到地面中心网关，在地面数据中心进行系统安全状态分析评估、安全态势演化预测预警和图形化展示。

2.2.2 工作流程

（1）艇载监测节点监测网关。其数据流为，艇载载荷数据传给艇载监测节点网关，经网关统一打包后，经高速数传，传至地面站后，由地面控制中心主通信网关接收解析，如图5所示。

（2）机载监测节点监测网关。其数据流为，机载载荷数据传给机载监测节点网关，经网关统一打包后，经高速数传，传至地面站后，由地面控制中心主通信网关接收解析，如图6所示。

（3）车载监测节点网关。其数据流为，车载传感器数据传给车载监测节点网关，经网关统一打包后，经高速数传，传至地面站后，由地面控制中心主通信网关接收解析，如图7所示。

（4）区域节点通信及业务网关。其数据流为，轨旁采集传感器数据传给区域监测节点网关，经网关统一打包后，经高速数传，传至地面站后，由地面控制中心主通信网关接收解析，如图8所示。

（5）地面控制中心主网关。其数据流为，地面控制中心主网关接收来自艇载移动通信系统数据、机载移动通信系统数据、车载移动通信系统数据和区域节点移动通信系统数据，经地面控制中心主通信网关接收解析后，发送给监控系统进行处理，如图9所示。

3 基于空天车地一体化的列车群车联网系统关键问题

研究基于空天车地一体化的列车群车联网系统时，有众多技术难点和关键问题亟待解决，主要有以下几个方面。

（1）信息交互链路不确定、链路拓扑关系存在时变性。

核心挑战：动态异构网络快速自动组网和数据链构建。

解决方案：多个列车车载业务设备之间通过各自的MR与所属的HA建立安全管道进行通信。车载业务设备与地面业务服务器之间通过MR与所属的HA建立的安全管道进行通信。通过MR和HA对无线链路传输通道统一管理，使车车之间、车地之间进行无缝通信，并对通信车辆、通信内容和通信权限进行全局管控，从而实现动态异构网络中的路由寻址方法。

（2）信息传输过程中的跨制式切换、跨制式传输。

核心挑战：不同制式承载的多链路传输管理机制。

解决方案：MR支持多制式无线网络接入，包括空天车地一体化专网、铁路无线通信专网、运营商公众网络等。多制式接入控制技术用于控制车载通信设备接入多种制式的无线网络，建立一条或多条无线链路;MR对多链路管道进行实时监测，将高优先级数据通过链路质量最好的链路单播传输，或通过所有可用链路多播到HA。MR与HA之间的通信支持基于QoS（Quality of Service）的数据管理、队列缓冲等功能。从而实现了不同制式承载的数据链动态构建。

（3）开放空间、网络节点设备众多。

核心挑战：车辆移动互联传输中的可靠性和安全性保障。

解决方案：安全传输，通过MR与HA建立安全管道，车-车信息与车-地信息均在安全管道中传输，安全管道支持多种加密机制，能够保障信息的安全传输;可靠传输，MR与HA构成主备系统，车载2台MR分别部署在车头和车尾可以起到容灾和备份作用，地面2台HA网关互为主备，并支持异地HA网关容灾备份，从而保障信息的可靠传输。

4 结语

本文详细分析了基于空天车地一体化技术在列车群车联网系统构建及关键节点研究中的现状及问题，提出了系统总体框架，并分别介绍了艇载节点、机载节点、车载节点和地面节点的关键性能和通信模式，最后详细分析了系统研究的关键问题，以期为该领域技术研究和深化应用提供借鉴。

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收稿日期 2020-01-10

责任编辑 朱开明

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

基金项目：十三五国家重点研发计划项目（编号：2016YFB1200100）

作者简介：高一凡（1978—）男，工程师