无线网络在铁路货运安全监控系统中的实践与应用

李利民，朱少捷，王伟松

（1. 郑州铁路局 货运处，河南 郑州 450015；2. 郑州铁路局 科学技术研究所，河南 郑州 450015）

1 概述

现代化的货运设备设施是促进铁路货运转型发展、确保货物运输安全、提高运输效率效益和服务质量的物质基础和保障。《关于“十二五”铁路货运设备设施建设的实施意见》(铁运 [2013]26号) 中提出，要加强货运安全监控系统建设，提高信息化水平，建设铁路货检安全监控与管理系统、货运站集中监控和生产指挥中心，加快铁路货运现代化转型进程[1]。

为了统一铁路货运安全监控系统的建设与管理标准，《铁路货运安全检测监控与管理系统总体技术规范》(铁运 [2013]56号) (以下简称《总体技术规范》)，为全路货运安全监控系统逐步走向规范化奠定基础，着重增加了货检作业手持设备和高清视频检测设备的应用，从而实现车站、铁路局、中国铁路总公司系统的三级联网。手持机作为货检员实现信息采集、信息交换、语音通话的工具，由无线网络设备为其提供无线信号网络覆盖和通信服务。

在无线网络的建设实践中，如何因地制宜、科学合理地选择网络制式、工作频段和无线网络设备，是基层现场普遍需要考虑的问题。如果选择不当，不仅不能发挥好无线网络的作用，而且不便于后期工作，同时还会引起资源浪费、阻碍铁路信息化的发展[2]。因此，郑州铁路局组织开展专项实验，通过比较分析，将先进的技术先行试点应用于洛阳北站，为无线网络和手持设备的建设发展探索出一套可行的技术方案和标准[3]。

2 测试内容

通过借鉴既有技术与前沿技术，结合《总体技术规范》的技术标准，经过多次讨论，最终选择运用较为普遍的无线局域网 (Wireless Fidelity，WIFI)技术 (2.4 G 频段) 和当前国内先进的4G 技术 (分时长期演进 Time Division Long Term Evolution，TD-LTE 4G)[4]作为测试标的，通过站场试验，比较分析各项实验数据。

2.1 测试目的

在充分满足《总体技术规范》中《铁路货检作业手持机系统技术条件》(附件 3)之“站区无线网覆盖试验”要求的同时，测试包括以下内容：①设备在铁路站场内的抗干扰能力；②站场内无遮挡信号覆盖距离；③站场内多列车遮挡信号覆盖距离；④测试区域内无线网络的传输延时；⑤测试区域内的传输带宽；⑥手持终端视频回传质量。

2.2 测试设备

TD-LTE 4G (1.8 G) 的测试设备如下：TD-LTE 1.8 G 基站1台；TD-LTE 1.8 G 核心网1台；TD-LTE 1.8 G 网管1台；TD-LTE1.8 G 数传模块1台；TDLTE1.8 G 工业手持机3台；笔记本电脑1台。

大功率 WIFI (2.4 G) 的测试设备如下：大功率WIFI 设备1台；语音服务器1台；H3C 交换机1台；工业手持机1台；智能手机2台；笔记本电脑1台。

2.3 测试结构图

（1）TD-LTE 4G 测试网由测试中心平台和移动测试终端2部分组成。其中，测试中心平台由 TDLTE 基站、TD-LTE 核心网和 TD-LTE 网管组成；移动测试终端由 TD-LTE 手持机和配备 TD-LTE 数传模块的笔记本电脑组成。测试指标包括测试 TD-LTE 网络在铁路站场环境下的网络覆盖状况、传输带宽、传输稳定性、抗干扰性能等指标。TD-LTE 4G 测试网结构图如图1所示。

图1 TD-LTE 4G 测试网结构图

（2）大功率 WIFI 测试网由测试中心平台和移动测试终端2部分组成。其中，测试中心平台由大功率 WIFI 基站、交换机和语音服务器组成；移动测试终端由大功率 WIFI 手持机和配备大功率 WIFI 数传模块的笔记本电脑组成。测试指标包括测试大功率 WIFI 网络在铁路站场环境下的网络覆盖状况、传输带宽、传输稳定性、抗干扰性能等指标。大功率WIFI 测试网结构图如图2所示。

图2 大功率 WIFI 测试网结构图

2.4 测试方法

（1）测试 TD-LTE 4G。测试工作按照以下步骤完成：第1步，安装 TD-LTE 4G 基站，具体位置在洛阳北站东侧信号楼楼顶，楼高12m；第2步，用3 台TD-LTE 4G 手持机分别在车站西北侧最远端便道及2 列车之间，中部2列车之间，西南侧2列车之间，最南侧距信号楼 1.5 km 处，距信号楼 1.2 km 的整倒装线上的棚车内部，并且在相邻线路有机车通过、有列车通过的环境下，分别拍摄图像，向基站回传实时视频。

（2）测试大功率 WIFI。大功率 WIFI 天线分别安装于车站东侧信号楼 (天线射频方向垂直于车场) 和北端驼峰信号楼 (基本位于车场中间，天线射频方向与股道同向) 楼顶，楼高均为12 m。测试距离350～500 m，测试条件分为空旷场地、2 列车中间、有机车通过、邻线有列车通过等。用2台手持机现场拍摄图像，向系统回传实时视频。

（3）后台人员在笔记本电脑上用配置好的数传模块测试上传速率，并且测试码率变化情况，观察视频回传是否流畅，测试最远端上行带宽。

2.5 测试结果

（1）TD-LTE 4G。在基站辐射半径 1.5 km 范围内均完成多路视频回传工作，内燃机车、电力机车、接触网高压、并排2列车之间、纵向2个车厢连接处、邻线列车通过、距离 1.2 km 棚车车内等环境条件对网络未形成任何干扰，高效地解决了多径路反射问题，上行带宽达20Mbps 以上，预计优化后可升级至30Mbps，为今后全系统或多系统发展预留有较大的空间。从现场情况看，无线组网只需要在洛阳北站东侧信号楼上架设1个基站即可，安装过程简便，后续维护方便。

（2）大功率 WIFI。无线链路在空旷无阻挡环境下，传输带宽为1.7～2.5 Mbps，有掉线现象。有列车或多辆货车阻挡时，传输不稳定，平均带宽为300～350 kbps，阻挡环境下传输一张1Mbps 图片约需 3～4 s。内燃机车、电力机车通过时传输质量明显下降。从现场情况看，无线组网应在洛阳北站南、北2个灯桥和驼峰信号楼顶部分别安装大功率 WIFI设备，并且需要用光缆贯穿股道联通，这无疑增加了安装施工和后续维护的难度。

（3）比较分析。测试结果表明 TD-LTE 4G 无线网络抗各种因素的干扰能力较强，完全适合在铁路站场复杂环境下使用，并且在带宽上为今后的发展预留有较大空间。大功率 WIFI 采用公用频段，容易受各种因素的干扰，对场地的客观环境和选点位置要求较为苛刻，传输不稳定。从现场情况看，洛阳北站最佳安装位置应分别放在南、北2个灯桥和驼峰信号楼顶部，并且用光缆联通，增加安装施工和后续维护的难度。

2.6 测试结论

郑州铁路局组织通信、信息、运输系统专家，以及设计单位、信息集成厂家的专家，召开铁路站场无线组网技术选型讨论会，详细介绍洛阳北站站场无线组网的实验过程和结论。专家团队通过分析实验过程的科学性、严密性、可靠性，论证实验结论，最终一致认为TD-LTE 4G 无线网络系统能够适应铁路站场复杂苛刻的环境，数据、图像传输质量稳定可靠，集成后核心网架构相对简单，基站安装较为简便，带宽容量大，可以在站场内实现一个基站多种用途的无线网络环境，可以作为铁路站场无线组网技术选型的首选方向和标准。不足之处是规模较小时成本相对较高。如果需要在较大车站或铁路沿线，搭建车务、车辆 (列检)、机务、工务、电务、公安等部门共同使用的、稳定高效的综合无线网络，TD-LTE 4G 方案的性价比将更具有优势，相对而言也更加经济可靠。

3 TD-LTE 4G的应用实践

3.1 系统组成

洛阳北站 TD-LTE 4G 无线网络系统由分布式基站、小型化核心网、小型化网管、手持机4个部分组成。分布式基站、小型化核心网、小型化网管组成无线网络，为手持机提供移动作业的无线传输通道。TD-LTE 4G 无线网络系统组成如图3所示。

图3 TD-LTE 4G 无线网络系统组成

3.2 技术指标

（1）工作频点 1.8 G，单基站下行100Mbps、上行不小于20Mbps 传输带宽，支持3:1的上下行带宽调整，上行带宽可达80Mbps。

（2）无死角、无盲区，单基站覆盖距离超过1.5 km。

（3）能够满足40人同时上传数据、图像，10 人同时传输720×576像素视频 (前提是申请10Mbps 带宽情况下，如果申请20Mbps 及以上带宽则数量翻倍)。

（4）能够满足40人点对点、组呼、群呼等语音功能。

（5）货检手持机平台可以二次开发相关应用程序。

（6）满足风、雨、雪、雷电等恶劣环境的考验。

（7）总体性能稳定可靠，有批量运用的实践，完全满足系统设计要求。

3.3 设备组成

（1）核心网。核心网设备提供接入网络控制和数据传输功能。对终端接入进行控制管理，实现接入终端身份验证、鉴权和密钥管理等，提供高安全的网络接入控制；提供用户信息、用户等级的管理和查询，实现系统不同数据业务优先级调度与管理，保障系统高优先级业务的正常通信，提高系统通信可靠性；管理接入终端和外部分组数据网络之间的连接，完成用户数据的路由和处理，实现接入终端数据与业务系统服务器之间的数据传输与交换。

（2）基站。基站设备是 4G 无线网络系统的无线接入设备，主要完成包括空中接口、接入控制、移动性控制、用户资源分配等无线资源管理功能。由基站室内单元 (Base Band Unit，BBU) 和基站室外单元 (Radio Remote Unit，RRU) 组成。其中，BBU 采用集成度高、全 IP 化的硬件平台，集中放置在机房；RRU 工作频段为1.8 GHz，采用紧凑型设计，便于室外安装。BBU 和 RRU 采用射频拉远技术，通过光纤连接，从而降低网络布置的难度和成本。为适应铁路站场应用要求，BBU 可以融合演进分组核心网功能，具备单站组网能力。

（3）终端设备。手持机集群终端设备采用工业级三防设计，显示屏强光可见，采用 Android 智能操作系统，能够同时支持私密呼叫、组呼、短信、彩信、宽带数据接入、视频监控和回传业务，以及多业务并发功能，可用于现场集群通信与手持机拍照上传作业，适应铁路站场作业环境。

3.4 应用实践效果

TD-LTE 4G 在洛阳北站的应用实践证明，该系统能够满足铁路货运安全监控系统的需求，并且具备较强的适应性。TD-LTE 4G 采用扁平化网络架构等技术，系统峰值速率下行100Mbps、上行可达50 Mbps，带宽是传统的窄带专网系统的几十倍；系统具有较好的扩展性，可以与其他现有的网络互连互通；不同厂家的设备之间可兼容；同时 TD-LTE 具有明确的技术演进方向，由中国主导，包含大量中国专利，得到广泛的国际支持。

因此，郑州铁路局将该技术推广应用至郑州北站货检安全监控系统，并且在2014年兰考站全路货运作业标准化现场会上，将基于 TD-LTE 4G 无线网络的手持机，嵌入兰考货运站安全管理信息系统，接受全路货运系统领导和专家的检验。该系统在现场各种环境 (含专用线棚车内作业、夜间无照明、雨雪天气等) 下的作业数据和图像实时传输、与后台交互式作业流程控制、语音通话、拍照和现场录像等方面的应用效果良好。

4 结束语

将 TD-LTE 4G 技术引入铁路站场，在铁路站场部署宽带无线覆盖，提供大带宽、高速率、全 IP、广区域、安装简单的LTE 宽带集群通信平台，满足铁路车、机、工、电、辆各项业务对作业前端数据集成平台、数据及图像采集及传输、交互式作业流程控制、过程控制、应急处置[5]、现场监控指挥等方面的需要，既符合中国铁路总公司有关技术规范，又具有发展战略的前瞻性。随着技术的进步和实践的深入，TD-LTE 4G 技术将在铁路站场及更多领域具有更加广阔的发展前景，将为铁路信息化建设做出更大贡献。

[1] 郭玉华.深入推进“三化”建设 全面提升货运工作质量[J].铁道货运，2015，33(1)：1-9.

[2] 陈文兴.郑州铁路局推进货运作业标准化建设的思考[J].铁道货运，2015，33(1)：12-13.

[3] 王忠刚.铁路编组站构建货检安全保障体系的实践[J].铁道运输与经济，2008，30(1)：40-43。

[4] 沈 嘉.3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[5] 黄 钢.我国铁路安全风险管理持续发展的研究与思考[J].铁道运输与经济，2014，36(9)：1-6.