基于IMS架构的铁路灾害监测系统研究

顾忠建，单洪政

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司通号设计院，北京 100055;2.北京佳讯飞鸿电气股份有限公司，北京 100095)

1 概述

铁路自然灾害及异物侵限监测系统(简称铁路灾害监测系统)主要应用于高速铁路、客运专线铁路、城际铁路以及部分200 km/h客货共线铁路，用于对风、雨、雪、地震、异物侵限等灾害进行监测、预警及报警。铁路灾害监测系统主要采用以线路为单位独立建设数据处理设备中心的方式，并且各线路的设备供应商也不统一。

目前在京沪高速铁路、京津城际铁路、广珠城际铁路、向浦铁路、长吉铁路等线路已经独立建设数据处理设备中心并开通运营，通过几年来的系统建设和运行情况来看，铁路灾害监测系统主要存在分散建设，技术标准不统一，互联互通困难等问题。

随着各铁路局灾害监测系统中心的提出，以及相关标准化工作的进行，原铁道部发布了铁科技［2013］35号《高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案(暂行)》以及铁总建设［2013］86号《铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定》，明确了各铁路局中心的各项要求，其中明确要求各铁路局灾害监测系统中心不仅需要与各设备供应商的监控单元互联互通，还需要与既有线路灾害监测系统中心，以及与其他相关系统进行互联互通。路局灾害监测中心接口关系见图1。

图1 路局灾害监测中心接口关系

铁路灾害监测系统相关标准发布后，截至目前尚没有正式开通运行的路局中心系统，针对互联互通方面也没有出台相关的细则。

通过对IMS架构的分析，针对铁路防灾安全监控相关标准和规范，同时参考铁路综合视频监控系统技术规范，提出一种适用于防灾监控路局中心的系统架构和接口规范，并且从开放性、扩展性、安全性等方面进行深入研究。

2 IP多媒体子系统(IMS)

IP多媒体子系统是3GPP提出的适应于下一代通信的系统的，基于IP协议的过媒体通信系统标准。IMS逻辑架构见图2。

IMS架构中采用分层设计理念以及控制和承载分离，业务和控制分离的思想，可以通过在业务层部署应用服务器，以扩展新业务的方式，因此，系统具有良好的业务扩展性。

图2 IMS逻辑架构

IMS的核心控制协议为SIP协议，通过采用XML对SIP协议进行扩展，以支持各种IMS网络特有的业务和特性。

SIP协议是互联网领域广泛采用的会话控制协议。SIP消息采用文本编码方式，底层传送协议支持TCP和UCP两种方式，支持应用层可靠传送机制。

SIP主要的协议过程包括支持注册和会话管理机制。

SIP的安全性方面支持认证和加密机制，实现对信息内容以及消息完整性的检验。

SIP协议不仅在通信领域得到广泛应用，而且在其他领域也有很多的应用。目前，在电网视频监控系统技术规范，以及铁路综合视频监控技术规范中采用的就是SIP+XML为基础的协议框架。

3 基于IMS架构的铁路灾害监测系统

作为铁路行业发展时间较短的一种系统，铁路防灾安全监控系统尚处于发展和完善时期，未来可能需要扩展灾害监控范围，以及采用新型传感器，因此，系统要具有良好的接入能力以及灵活的业务扩展能力。同时，为了实现与周边各系统的数据互通和业务联动，也要求系统具有强大的互联互通能力。

3.1 系统架构

基于IMS的铁路灾害监测系统架构如图3所示。

基于IMS架构的铁路灾害监测系统架构包括终端/感知层、接入层、核心层、业务层等4个层次。

(1)终端/感知层

包括各种终端、传感器以及其他相关系统。

(2)接入层

接入层主要提供对终端、传感器以及相关系统的接入功能。

图3 基于IMS的铁路灾害监测系统架构

对于采用标准化接口的终端，可以直接接入核心网。对于现有的不支持网络接口的传感器，通过监控单元统一接入核心网。对于新型网络传感器，如果支持标准接口，可以直接接入核心网;如果不支持标准接口，可以通过接入网关对协议及数据转换后接入核心网。此外，系统通过接口服务将与视频监控、列控、气象、地震等的接口进行转换后统一接入到系统核心网。

(3)核心层

核心层提供终端、传感器及相关系统的接入注册、认证管理，以及业务重定向和业务寻址等功能。

(4)业务层

由数据库和存储服务、联机数据分析服务构成基础服务，联机分析服务构成业务处理基础服务。

为了减小业务间的耦合性，提高系统业务扩展能力和业务处理能力，系统将风、雨、雪、异物、地震等分别作为业务服务，单独设置，独立部署。系统建设初期，在业务量较小的时候，也可以将多个应用服务部署在同一主机中，随着规模扩展，可以逐渐实现分布部署。

基于IMS架构的灾害监测系统架构具有以下特点。

(1)系列化的标准接口

IMS规范提供了系列化的丰富的基于SIP和DIAMETER的标准接口可供参考，因此，极大地方便了接口协议的制定。

(2)强大的业务扩展性

为了提高系统的业务扩展能力，在业务层上将风、雨、雪、地震、异物等业务作为独立的应用服务，一方面可以降低业务间的耦合，便于部署其他的新型业务，同时可以提升系统的业务处理能力。

当系统需要部署新的业务的时候，只需要在应用层部署新的应用服务，在核心层增加相关配置，然后增加新的业务终端，或者在现有终端上进行升级新业务处理模块即可，对既有系统和业务的影响非常小，有利于系统的维护和稳定。

(3)灵活的系统接入能力

对于新的设备、传感器及相关系统，如果需要接入到系统中，如果支持标准协议，可以直接接入到核心网;如果不支持标准协议，只需要在接入层增加接入网关，将协议和数据转换成标准格式，即可接入核心层。由此可见，通过将不同系统间的差异隔离在系统边缘，降低了系统核心的复杂度，提高了核心层和业务层的稳定性。

3.2 接口和协议

采用IMS架构的铁路灾害监测系统的协议框架如图4所示。

图4 系统协议框架

图4中的A/B/C接口分别说明如下。

(1)A接口为前端设备(监控单元、接入网关、接口服务、IP传感器等)与核心层之间的接口。

主要接口功能包括:接入认证、能力协商、状态报告、资源连接、实时数据传送、报警数据传送等。

(2)B接口为终端与核心层之间的接口。主要接口功能包括:接入认证、资源查询、资源连接、实时数据传送、报警数据传送等。

(3)C接口为业务层和核心层之间的接口。主要接口功能包括:应用服务状态查询、资源连接等。

参考IMS架构相关规范，上述A/B/C接口主要采用以下协议。

(1)SIP协议

SIP协议主要用于实现业务实体间的注册、认证以及业务控制等协议功能。

为了支持铁路灾害监测系统特有的业务特性，在SIP应用数据中可以携带扩展消息数据，对于扩展部分，采用XML语言进行描述。XML语言采用文本编码方式，具有数据自描述特性，因此，具有良好的扩展性，同时可以方便地实现不同版本间的兼容性。

SIP协议采用SIP-URI进行寻址，对终端、传感器等设备的SIP-URI建议采用数字编码，编码建议由“区域 +线路+设备类型+设备编号”等信息组成。

(2)RTP/RTCP协议

对于实时数据，采用RTP协议进行传送，RTP净荷编码及净荷格式可以根据风、雨、雪、地震、异物等业务数据类型进行单独定义。

RTP协议采用UDP协议作为底层传送协议，因此具有实时特性，但不保证可靠传送，因此对于数据量不大，但要求可靠传送的数据(如告警消息)，可以采用SIP协议的INFO消息携带。

需要注意的是，RTP协议支持在数据包中封装多个数据帧，因此可以实现传感器数据的实时冗余传送。

3.3 主要业务流程

采用IMS架构的铁路防灾安全监控系统的典型业务流程如下。

(1)设备接入认证和能力查询(图5)

图5 设备接入和能力查询

(2)传感器连接和数据传送(图6)

图6 传感器连接和数据传送

(3)终端接入和数据传送(图7)

3.4 安全性与可靠性分析

为了保证系统信息和数据传送安全性，系统采用以下安全机制:

(1)网络隔离;

(2)源IP地址认证;

(3)用户名密码认证;

(4)消息完整性检验;

(5)认证数据加密;

(6)文本编码:信息冗余;

(7)传送层安全;

图7 终端接入和数据传送

(8)系统运行日志。

在系统运行层面，系统采取以下可靠性机制:

(1)软件守护进程;

(2)硬件watch-dog;

(3)核心服务及应用服务冗余。

在数据可靠传送方面，系统主要采取以下措施:

(1)网络层双网络冗余传送;

(2)采用TCP等可靠的传送层协议;

(3)采用SIP等应用层可靠传送协议;

(4)采用RTP冗余帧等数据冗余传送措施。

IMS架构作为3GPP主导的标准体系，具有较为完善的架构、接口和协议，能够支撑一整套完善的业务体系开发，得到了大量设备厂商的广泛支持，也经过了运营单位的实践检验。

4 结语

通过以上分析，初步验证了IMS架构在铁路灾害监测系统中应用的可行性，可以为相关部门和人员在标准制定、系统设计以及互联互通方面提供参考。

［1］中国铁路总公司.铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定［S］.北京:中国铁路总公司，2013.

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