基于5G的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统研究.pdf

49技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION基于5G的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统研究李珉璇，赵 耀，吴绍华，周 敏（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）摘要：针对目前铁路隧道防灾疏散救援监控系统有线组网不灵活、监控能力有限、联动功能不足的问题，结合 5G 技术的优势及其在铁路的应用前景，提出一种基于 5G 的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统方案。兼容考虑铁路 5G 专网和公网两种承载方式，对二者兼容性系统架构进行设计，并对二者系统部署方案进行分析。具备灵活组网、扩展升级的能力，融合前沿技术手段，能够实现预警告警、联动控制、一键救援、仿真呈现等功能，实现智能化运维管理，提升铁路隧道防灾疏散救援能力。关键词：铁路隧道；防灾救援；监控；5G；运维管理中图分类号：U285 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)07-0049-06Research on New 5G-based Railway Tunnel Disaster Prevention and Rescue Monitoring SystemLi Minxuan,Zhao Yao,Wu Shaohua,Zhou Min(China Railway Design Corporation,Tianjin 300308,China)Abstract:Aiming at the problems of infl exible wired networking,limited monitoring capabilities,and insuffi cient linkage functions of the current railway tunnel disaster prevention and rescue monitoring system,combined with the advantages of 5G technology and its application prospects in railways,this paper proposes a new 5G-based scheme system.Its compatibility considering the two carrying modes of railway 5G private network and public network,the compatibility system architecture of the two is designed,and the system deployment scheme of the two is analyzed.This system has the ability of fl exible networking,expansion and upgrading,and the integration of cutting-edge technical,which means that it is able to realize functions such as early warning and alarm,linkage control,one-key rescue,simulation presentation and so on,so as to realize intelligent operation and maintenance management,additionally to improve the ability of railway tunnel disaster prevention and rescue.DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.07.009收稿日期：2022-08-01；修回日期：2023-05-20基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2021G012）；中国铁路设计集团有限公司科技开发课题项目（2021A240803）第一作者：李珉璇（1993），女，工程师，硕士，主要研究方向：铁路通信信息系统，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月，第20卷第7期50T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATIONKeywords:railway tunnel;disaster prevention and rescue;monitoring;5G;operation and maintenance management随着中国铁路建设里程的陡增，隧道个数及长度也随之增加，特别是西南、川藏地区隧道位置偏远、地理环境不佳，对保障铁路隧道运营安全的防灾疏散救援监控系统（简称系统）提出了更高的要求1。目前，该系统采用铁路专用有线通信组网，被监控设备设施数量多且分布零散，总体上存在有线组网不灵活、监控能力有限、联动功能不足的问题，限制了系统的应用与发展。5G 技术在铁路的研究与应用优势为系统提供了良好条件，本文提出将5G 技术与该系统相结合，构建基于 5G 的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统，从而有效解决系统现状问题，具备融合前沿技术条件实现系统智能化运维管理，提升铁路隧道防灾疏散救援能力。1系统现状依据铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范（TB 10020-2017）及高速铁路隧道防灾疏散救援工程设计补充规定（试行）（铁总建设 201936 号），结合项目实践情况，目前铁路隧道防灾疏散救援监控系统如图 1 所示。系统由两级架构组成2，1）中心级：在各路局设置监控主站，包括监控终端、服务器、磁盘阵列等设备，在车站、工区等管理部门设置复示监控终端；2）现场级：隧道内被监控设备设施接入就近的就地控制器，各就地控制器与主控制器组成自愈光纤环网，就地控制器将数据汇聚给主控制器；中心级与现场级架构呈星型连接，通过铁路专用传输网进行双向通信，从而实现对管辖隧道的防灾救援设备设施的集中监视和远程控制。目前，铁路隧道防灾疏散救援监控系统存在以下问题。1）有线组网不灵活。各类被监控设备设施数量多且分布零散，隧道内线缆敷设空间有限，前端采集均通过有线方式传输，线缆敷设工程量大且复用率低。现场级架构采用工业总线方式，中心级架构图目前铁路隧道防灾疏散救援监控系统组成Fig.1 Composition of the current railway tunnel disaster prevention and rescue monitoring system现场级车站传输设备区间传输设备区间传输设备主控制器就地控制器就地控制器主控制器车站传输设备车站传输设备照明配电箱风机控制箱消防泵防护门就地控制器就地控制器照明配电箱风机控制箱消防泵防护门铁路专用通信交换机交换机通信服务器数据库服务器监控终端磁盘阵列现场级中心级主FE通道主备FE通道备FE通道主备FE通道主备FE通道主FE通道备FE通道主FE通道备FE通道铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月51技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION采用以太网，通过有线连接，总体组网不灵活，功能不易扩展。2）监控能力有限。被监控设备设施接入类别少，一般仅包括照明配电箱、风机控制箱、防护门、消防泵，对气体、洪涝、异物、结构等复杂灾害因素的实时监测、视频监控能力不足，多接入后系统业务数据量倍增。3）联动功能不足。系统中心级架构仅具备数据汇聚能力，尚未形成有效的运维管理平台，多接入的被监控设备设施数据互通困难，联动控制能力不足，限制系统发展及发挥有效功能作用，不能满足智能化安全运营维护及管理需求。针对以上问题，有必要研究一种新型的铁路隧道防灾疏散救援监控系统，通过一种能够灵活组网，且具备与物联网、大数据、云计算等主流智能化手段融合的方式，提高系统监控及联动能力，提供系统灵活扩展、功能升级的条件，助力智能铁路隧道防灾疏散救援。2系统规划2.15G技术概述作为代替有线通信的移动通信已步入第 5 代商用阶段，将移动互联网扩展到移动物联网，具有增强型移动宽带（eMBB）、大规模物联网（mMTC）和超高可靠低时延通信（uRLLC）3 大特性。目前，物联网、大数据、云计算等前沿技术是驱动新型信息产业发展的核心，5G 技术是促进这些技术应用的关键，满足未来信息化发展的通信需求3。智能高铁是新型信息化建设，5G 技术适用于不断涌现的新型业务场景应用4，能够为应用系统提供灵活接入、组网和扩展的网络条件，提供大带宽、低延时、高可靠的数据承载条件，提供融合前沿技术手段实现智能化的规划建造、装备研发及运营维护的条件5。2.2系统5G承载方式规划铁路 5G 网络覆盖划分为铁路自主建设的 5G专网（5G-R）和由运营商在铁路沿线覆盖的 5G 公网。铁路 5G 专网采用专用频段独立组网，而 5G 公网利用公网频段及网络组网。铁路移动通信业务按与铁路运营的相关性分为3 类，根据业务特点对其公、专网承载方式进行规划：1）行车指挥及控制、运营维护类：与行车安全、运输生产直接相关的核心业务由 5G 专网承载，在专网传输能力不足时，对于优先级相对低的部分运营维护类业务可以考虑由 5G 公网承载；2）旅客及货运客户服务应用类：为外部服务应用，由 5G公网承载；3）工程建造类：建造期间尚未建设铁路专网，由 5G 公网承载。铁路隧道防灾疏散救援是一项涉及人员安全的工程，监控相关设备设施状态是保障安全的重要措施，被监控的设备设施数据具有安全保密性要求，业务数据传输具有低时延、高可靠的需求，因此，基于 5G 的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统属于上述的第一类业务，建议采用铁路 5G 专网承载。同时，由于铁路 5G 专网频谱资源有限，本系统较行车指挥及控制类业务的优先级相对低，属于不直接影响行车安全的运营维护类系统，因此，在公网安全策略可以保障的情况下，本系统也可以考虑采用高可靠的技术方式实现 5G 公网承载。3方案研究5G 技术能够满足系统灵活组网、扩展升级的需求，提供与主流智能化技术手段融合的条件，为系统提高监控及联动能力、实现智能化运维管理提供基础支撑。本次研究基于 5G 的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统按兼容专网和公网两种承载方式进行架构设计，并对二者承载方式的部署方案进行分析。3.1架构设计根据系统业务发展实际需求，按照设备层、传输层、数据层、应用层及展示层进行系统架构设计，形成的系统架构如图 2 所示。1）设备层设置开关传感器、位移传感器、光缆传感器等No.7李珉璇，赵耀，吴绍华，周敏：基于5G的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统研究52T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION设备用于通风、照明、水泵、防护门等设备设施的信息采集，相较于传统有线 IO 模块采集，通过多类型的传感方式、多点位的传感监控能获取更全面精准的系统设备状态信息。设置气体探测器、感温探测器、风速计、液位计、泥位计等设备用于隧道内有害气体、火、风、雨、泥等环境灾害因素的检测，设置雷达、北斗定位、异物探测传感器、光缆传感器等设备用于隧道变形、异物侵线、轨道高温变形等设施灾害因素的检测。设置视频监控设备用于采集隧道内外实时图像信息，配置图像识别模块，提供智能辅助判别功能。设置无线手持终端用于现场人员语音通信、数据传送、人员定位，提供与中心互动指挥作业功能，保障人员安全。2）传输层通过铁路 5G 专网或安全可靠的 5G 公网进行数据双向传输，打通从前端到后端的数据无线传输链路，解决系统灵活组网和设备层扩展接入的需求。特别适用于地理环境较差或长大的隧道，解决有线传输光缆敷设及维护工程量大、光缆复用率低的问题。同时，系统也支持有线/无线局域网等传统组网方式。3）数据层将采集的各类传感器、探测器、监测计、视频图像等数据进行融合，与 BIM+GIS 基础信息数据集成，形成构建模型、动态分析、学习解算的能力，提供系统仿真优化、识别判断的能力。4）应用层形成系统智能化运维管理平台，通过数据层的融合分析，实现多种灾害的预警告警、设备设施的实时监测及联动控制，提供更精准的信息告警、处图基于G的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统架构Fig.2 System architecture of a new 5G-based railway tunnel disaster prevention and rescue monitoring system设备层开关传感器位移传感器光缆传感器气体探测器 感温探测器风速计液位计泥位计定位装置视频监控无线手持终端传输层铁路G专网或公网有线/无线局域网数据层传感器数据探测器数据监测计数据视频图像数据BIM+GIS基础信息数据构建模型能力动态分析能力学习解算能力仿真优化能力识别判断能力应用层预警告警实时监测联动控制智能处置一键救援展示层监测设备信息实时视频画面BIM+GIS仿真图表分析模块无线手持终端信息预警告警 处置方案一键救援铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年7月53技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION置方案推荐及一键救援功能，更好地辅助人员进行运维管理及判断决策。5）展示层在系统运维管理中心监控终端及大屏上，呈现各应用模块内容，包括实时监测设备设施信息、实时视频画面、现场无线手持终端人员信息、日常图表分析信息、预警/告警信息、处置方案信息、一键救援按钮等。同时，通过 BIM+GIS 仿真呈现直观界面，清晰地展示出隧道内、外部与被监控设备设施的位置关系，在同一界面内同时呈现出运维人员关心的全部重要信息，从而提高系统的易操作性。3.2部署方案基于 5G 的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统由现场级、边缘节点、中心级组成。1）铁路 5G 专网承载方式部署方案以某隧道为例的本系统部署方案拓扑如图 3所示。图基于铁路G专网的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统部署方案拓扑Fig.3 Deployment scheme topology of a new railway 5G private network based railway tunnel disaster prevention and rescue monitoring system隧道口天线漏缆漏缆无线手持终端被监控设施设备隧道口RRU隧道口RRU隧道外BBU隧道洞室RRU被监控设施设备隧道口天线MEC存储资源网络资源监控终端计算服务器边缘节点中心级现场级现场级：隧道内按需间隔设置各类传感器、探测器、监测计、摄像头等设备，设备内配置 5G 传输模块用于信号的接收与传递，通过铁路隧道 5G覆盖网络进行传输。铁路隧道 5G 覆盖方案为：隧道内一般采用漏缆进行柱状均匀覆盖，隧道口空间宽阔，采用天线进行定向覆盖，以分布式基站（BBU+RRU）方式组网，隧道洞室、隧道口处设置RRU，隧道外机房设置 BBU，BBU 与 RRU 之间推荐采用安全可靠、节约光缆资源的环型连接方式6。边缘节点：多接入边缘计算是 5G 的关键技术之一7，5G 网络是基于服务化的架构，控制面与用户面分离，5G 承载的铁路多场景业务数据如果全部透传至中心级进行处理，会产生大量的并发数据，占用较大的带宽资源，导致数据传输时延较大，引起网络阻塞。本系统对数据实时性、安全可靠性要求较高，因此，在近隧道处机房部署边缘计算设备，将业务数据进行边缘本地化快速计算处理，能够有效提高系统性能，减少中心级网络资源压力。中心级：云计算可以应用于基于服务化的 5G网络，通过 5G 核心网与中心级云计算平台安全对接，依托路局中心云的计算、存储、网络资源实现系统功能。根据管理需求，在路局监控主站设置监控终端、大屏等设备，在站段运维管理部门配置复示监控终端，现场配置无线手持终端设备。2）铁路 5G 公网承载方式部署方案以某隧道为例的本系统部署方案拓扑如图 4所示。现场级：设备部署方式同上述专网一致，铁路5G 公网隧道覆盖目前较为成熟，系统设备数据利用隧道公网基站进行传输8。为充分保障系统数据安全、保密和可靠，需采用定制无线网及承载网切片技术，将本系统数据与公网业务数据隔离传输，为系统提供资源预留、优先调度9的功能。边缘节点：在近隧道处机房部署系统专用边缘计算设备，形成系统级“园区”，以保障数据不出场，实现数据的本地化安全处理，保障大带宽、时延敏感的业务数据计算效率。中心级：设备部署方式同上述专网一致，由于铁路 5G 公网应用方案尚未明确，至中心级的传输No.7李珉璇，赵耀，吴绍华，周敏：基于5G的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统研究54T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION链路，可通过上述边缘节点经安全措施接入铁路通信网至系统中心级设备，或经运营商公网中心节点与路局中心直接对接至系统中心级设备。4结语目前，铁路隧道防灾疏散救援监控系统总体上存在有线组网不灵活、监控能力有限、联动功能不足的问题，限制了系统发展。通过分析 5G 技术在铁路的应用优势，以及铁路 5G 承载方式规划，本文提出将 5G 技术与系统相结合，可实现基于铁路5G 专网和公网两种承载方式的新型铁路隧道防灾疏散救援监控系统。根据业务发展需求，系统按设备层、传输层、数据层、应用层及展示层五层架构，现场级、边缘节点、中心级三级部署的兼容性方案进行构建。系统具备灵活组网、扩展接入、融合智能化手段的能力，提供预警告警、联动控制、一键救援、仿真呈现等功能，从而实现该系统的智能化运维管理，提升隧道防灾疏散救援能力，助力中国智能高铁发展。参考文献1 唐文国，王鹏翔，包存文，等.铁路高海拔特长隧道防灾疏散救援设备设施监控系统建设J.中国铁路，2020（12）：173-180.Tang Wenguo,Wang Pengxiang,Bao Cunwen,et al.Construction of Disaster Prevention,Evacuation and 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