高速铁路列车超视距应用系统通信架构研究-USB迷|专注于互联网分享

2024年10月17日发(作者：瑞凡双)

特别策划·

铁路科技保安全

高速铁路列车超视距应用系统

通信架构研究

赵颖，柳青红

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

摘要：为提高高速铁路突发险情应急处置的及时性，提出基于5G公网的超视距报警信息和实

时视频快速传输上车的系统架构，开展列车超视距关键技术研究，并在京张高速铁路开展了基

于5G公网的列车超视距应用技术试验。在此基础上，详细分析列车超视距技术在系统应用阶段

存在的问题和难点，报警信息和实时视频快速上车与网络覆盖质量具有强耦合性，一方面用户

对超视距危情报警信息的传输时效性提出了极高要求，另一方面当前高速铁路沿线的网络质量

和覆盖范围不能满足全天候、全覆盖的车地传输需求。因此，设计2种系统通信架构，一种适

用于5G-R专网建成之前，基于GSM-R网络和4G/5G公网的通信架构；另一种适用于5G-R专网

建成后，基于5G-R专网的通信架构。2种架构可以满足现阶段和未来列车超视距信息快速传输

上车的需求。

关键词：高速铁路；列车超视距；5G-R专网；5G公网；车地传输；通信架构；铁路安全

中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）10-0128-07

DOI：

10.19549/.1001-683x.2023.06.05.001

0 引言

我国高速铁路规模大、覆盖不同气候和环境条件、

运营场景复杂、自然灾害或人为破坏引起的人员及异

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

物入侵等危情严重威胁高速铁路列车的运营安全。高

速铁路列车速度快，速度350 km/h和250 km/h的紧急

制动距离分别达到6.5 km和3.2 km

［1-2］

，由于弯道及视

野遮挡等原因，高速铁路列车司机目视距离有限，很

难通过目视保证行车安全。为此，开展基于5G公网的

列车超视距关键技术研究，其目标是利用4G/5G公网，

将司机目视范围外的前方重点区段监控视频和安全监

测信息，随列车运行位置变化，依次传送至高速铁路

（N2022G005）

第一作者：

赵颖（1984—），女，副研究员。

E-mail：*********************

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高速铁路列车超视距应用系统通信架构研究赵颖等

列车司机室，辅助司机提前处置，以进一步提升列车

运行安全性。课题研究期间，编制了《高速铁路列车

超视距应用系统技术方案》，依据技术方案研发了高速

铁路列车超视距应用系统（简称超视距系统）样机，

通过大量试验，验证了技术路线的可行性和系统样机

的功能和性能。在此基础上，深入分析试验过程中存

在的客观问题，基于既有网络条件和5G-R专网建设规

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划，研究提出分阶段的超视距系统通信架构，为系统

建设提出技术思路。

1 超视距系统总体架构

超视距系统总体架构由车载终端、地面应用系统

组成，车载终端与地面应用系统通过4G/5G公网设备实

现车地通信（见图1）。

图1　超视距系统总体架构

（1）车载终端采用专用图形化终端设备，通过4G/

5G公网设备和相应的安全隔离措施与地面应用系统交

互，接收并以语音、图像、视频方式展示列车运行前

方的实时视频、危情及关联视频，同时在停车状态下

支持对沿线视频的点播。

（2）地面应用系统由超视距数据处理中心和系统运

维终端组成。超视距数据处理中心按功能划分为部署在

铁路内部服务网（简称内服网）的超视距应用服务器、

接口服务器、数据存储服务器、视频处理服务器和部署

在铁路外部服务网（简称外服网）的车地接口服务器、

视频分转发服务器。超视距数据处理中心从综合视频监

控系统接入视频信息，从灾害监测系统、周界入侵报警

系统、线路安全环境巡防平台以及其他线路环境安全监

测系统（预留接口以下统称监测系统），接入危情报警

信息（简称危情）和关联视频信息。分别与列控设备动

态监测系统（DMS系统）和动车组管理信息系统

（EMIS系统）的中国国家铁路集团有限公司（简称国铁

集团）级服务器交互，获取列车位置和动车组开行计划

数据，通过关联匹配算法完成报警信息危情、沿线视频

与列车位置的关联。通过4G/5G公网设备和相应的安全

隔离措施，与车载终端互联，向车载终端推送危情和视

频信息。利用铁路内服网和相应的安全隔离措施与系统

运维终端互联，为系统运维终端提供数据和应用服务。

系统运维终端设置在系统运维管理和系统维护单

位，为运维人员提供超视距系统运行状态监控、主要

参数配置管理等功能。

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依据总体架构设计，研制列车超视距样机系统，

该系统由超视距数据处理中心（地面服务器）和车载

终端组成。超视距数据处理中心从DMS系统接入列车

位置信息，从综合视频系统接入高速铁路沿线实时视

频码流，从灾害监测系统接入异物侵限报警信息，并

根据列车位置动态关联列车运行前方沿线视频和报警

信息；超视距数据处理中心通过4G/5G网络将报警信

息和关联视频实时传送至相应的动车组，并通过安装

在司机室的车载终端展示和播放。

高速铁路列车超视距应用系统通信架构研究赵颖等

铁路开展了基于5G公网的列车超视距系统技术试验。

依托武清主数据中心，在内服网和外服网分别申请服

务器资源并部署了超视距数据处理软件，接入北京局

集团公司DMS系统、综合视频系统、灾害监测系统，

实现数据接入、超视距信息关联匹配、视频分转发、

车地通信等功能，利用武清安全平台资源，实现内外

网数据安全交互。京张高速铁路列车超视距系统试验

设备网络部署架构见图2。在CR400BF-C-5144、5145、

5162三列智能动车组两端司机室加装超视距车载试验

终端（见图3），在动车组1车和8车的PIS柜至司机室

操作台之间布设网线，布线示意见图4，超视距试验终

端通过有线方式接入PIS柜内的动车组Wi-Fi系统

［3］

单车服务器，进而通过动车组Wi-Fi系统主机连接车顶

天线接入5G公网，实现车地通信。

2 超视距系统试验方案

2021年8月—2022年4月，中国铁道科学研究院集

团有限公司（简称铁科院集团公司）与中国铁路北京

局集团有限公司（简称北京局集团公司）在京张高速

图2　京张高速铁路列车超视距系统试验设备网络部署架构

京张高速铁路列车超视距应用技术试验主要测试

样机系统的各项功能和性能，包括实时视频播放和

危情报警提示功能，以及报警信息车地传输时延、

视频码流车地传输时延、视频画面质量等性能指标。

试验表明研发的高速铁路列车超视距样机系统各项

功能正常，符合预期目标；性能方面，在网络信号

正常的区段，线路环境实时视频码流从综合视频服

务器至超视距车载终端的传输时延可达到5 s以内，

从接入线路危情报警信息到危情信息和报警图像上

车的时延不大于1 s，视频图像质量不低于综合视频

系统的图像质量。

3 超视距系统技术难点

通过开展超视距系统关键技术研究，确定了超视

距系统的数据源、数据接入和接口方案、超视距关联

匹配算法、内外网安全交互方案、车地传输方案等，

并通过实车实线的搭载试验，验证了技术方案的可行

性，同时也发现了一些客观存在的问题和难点。

高速列车运行速度快、制动距离长，近年来因滑

坡侵限、接触网异物导致的重大事故给高铁运营安全

带来了极大损失。超视距技术应用可将突发险情第一

时间提示给司机，提升应急处置的及时性。因此，用

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段以外基本全线覆盖，普遍达到了运营商SS-RSRP大

于－80 dBm的“好站”标准，但部分区段存在脱网掉

线的情况。

网络吞吐量测试方面：FTP下载速率在某些时刻

表现较差，主要原因是网络质量不佳，或有NR辅站

删除（回落到LTE网络）、切换或终端掉线等行为也

影响FTP下载速率。从京张高速铁路全线看，北京北

—清河的前半段5G公网覆盖情况较差，下载速率也

受此影响。

（2）2021年8月—2022年4月，在京张高速铁路开

展基于5G公网的列车超视距系统应用试验，经过长时

图 3　司机室超视距车载试验终端部署

间测试发现，超视距车载试验终端难以实现全程稳定

接入5G公网，在进出站、隧道内、省交界处经常脱网

掉线。除5G公网覆盖不全外，主要有2个原因：

一是由于京张高速铁路有多个隧道、声屏障和桥

梁，在350 km/h 全速行驶状态下，每隔3~6 s进行1次

基站切换，当从1个基站覆盖区域转移到另外1个覆盖

区域，需要断开移出区域的基站连接，同时在进入基

站区域完成注册和连接，切站过程信号有一段时间中

断，出现信号衰减、传输不稳定等问题。

二是由于高速移动导致无线信号相位和频率发生

变化，移动速度越快时变化越大，这种现象称为多普

勒效应，在列车高速行进中加速、减速等过程与5G 基

站通信，造成5G 信号接收质量和稳定性变差，严重影

响高速移动过程中视频的传输

［4］

。

户对报警信息上车的及时性要求极高，而报警信息车

地传输的及时性与无线网络质量密切相关。

3.1　5G公网测试情况　

（1）2020年底，铁科院集团公司通信信号研究所

测试了京张高速铁路5G公网场强及服务质量。

网络覆盖方面：中国移动通信集团公司5G公网在

北京北—清河前半段（20.5~24.0 km）覆盖较差，SS-

RSRP低于-115 dBm，SS-SINR低于3 dB，清河—张家

口5G网络覆盖情况良好，普遍达到了运营商SS-RSRP

大于-80 dBm的“好站”标准；中国电信集团有限公

司、中国联合网络通信集团有限公司5G公网在北京

北—清河前半段（20.5~25.0 km）覆盖较差，除此区

图4　超视距试验布线示意

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3.2　5G-R专网现状　

目前铁路内部数据的车地传输大多由GSM-R网络

承载，GSM-R网络属于第二代数字窄带技术，无法承

载图像和视频数据的传输。高清视频和图像的车地传

输需要利用5G-R专网承载，《国铁集团关于加快推进

5G技术铁路应用发展的实施意见》中明确提出，2030

年左右，全面建成5G-R专网，实现铁路移动通信系统

升级换代。同时，由于5G-R专网带宽有限、承载业务

多

［5］

，在《铁路5G专网业务和功能需求暂行规范》

中，规定为超视距业务提供上行带宽不大于32 kbit/s，

下行带宽不大于1 024 kbit/s，不能满足高清视频的传输

需求，需要对视频码流进行压缩处理，将视频码率降

低为1 Mbit/s，以保证视频传输的时效性和播放流畅

度，同时适当降低视频的分辨率，可在一定程度上减

少画面质量损失。

综上所述，在5G-R专网建成以前，仍需依托4G/

5G公网承载超视距视频信息。因此，有必要研究公专

5G-R专网的优势，提高超视距信息车地传输的时效

性，以满足用户对突发险情快速响应的高要求。

网结合的超视距系统通信架构，充分利用4G/5G公网和

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信息、报警图像和压缩视频。

因此，5G-R专网建成前后，分别设计2种超视

距系统通信架构，以满足超视距信息车地传输的

需求。

4.1　基于GSM-R网络和4G/5G公网的通信架构　

（1）根据Q/CR656—2018《铁路综合信息网局域

网安全防护技术要求》中 “铁路外部服务网互联网接

入区应作为铁路综合信息网与互联网连接的唯一区

域；外部服务网与内部服务网之间应使用基于安全平

台的安全隔离方式，避免其他形式的信息交互”要

求，外部服务网分国铁集团、铁路局集团公司2级部

署。因此，利用4G/5G公网传输数据，需要基于国铁

集团或铁路局集团公司级安全平台实现内外网数据安

全交互

［6］

。目前，绝大多数铁路局集团公司级安全平

台支持HTTP/HTTPS协议数据交互，并不支持RTMP协

议的视频实时码流数据交互。武清安全平台已建成支

持云视频会议系统

［7］

的视频传输通道。借助云视频

会议的视频传输通道，京张高速铁路超视距应用技术

试验期间实现了实时视频数据的内外网安全交互。因

此，超视距系统建设和应用，需在武清或各铁路局集

团公司安全平台新建视频传输通道。

（2）QCR 575—2022《铁路综合视频监控系统技

术规范》中规定，图像分辨率为1 080 P时，单路媒体

流的平均存储流量不应大于4 Mbit/s。目前全路动车组

保有量约为3 900标准组、近3 400列，每台超视距车

载设备同一时间最多播放1路视频，按照单路视频占

用带宽4 Mbit/s，视频传输通道需提供3 400×4 Mbit/s=

1.2 Gbit/s带宽。如通过武清安全平台统一传输，需要

投入2~4套万兆视频隔离系统；通过铁路局集团公司

安全平台传输，需要投入共计36套千兆或万兆视频隔

离系统。安全性方面，通过武清安全平台统一传输，

铁路网络与互联网的网络边界更少，仅需由武清主数

据中心集中发布互联网服务，网络暴露风险大大降

低，安全性更高。因此，从投资和安全性方面考虑，

基于武清安全平台实现超视距高清视频的内外网交互

方案更优。

（3）5G-R专网建成之前，超视距系统基于GSM-R

网络和4G/5G公网实现车地传输。在武清主数据中心内

4 超视距系统通信架构设计优化

超视距系统车地传输的信息主要包括2类，一是结

构化的报警信息，这类信息的数据量很小，GSM-R网

络、4G/5G公网、5G-R专网均可承载；二是非结构化

的报警图像、报警地点或重点区段实时视频码流，这

类信息的数据量大，对网络带宽要求较高，需通过4G/

5G公网或5G-R专网承载。

危情报警信息传输对时效性有极高要求，而4G/5G

公网存在信号覆盖较差的情况，如果列车运行在此区

段时发生险情，报警信息无法及时传送上车，将严重

影响司机处置的及时性。因此，在5G-R专网建成前，

需要依托GSM-R网络传输报警信息，报警图像和视频

信息利用4G/5G公网传输，即使因网络原因造成视频传

输延迟，司机也可及时收到报警信息以采取相应的处

置措施。鉴于5G-R专网为超视距业务提供不大于

1 024 kbit/s的下行带宽，无法满足高清视频码流传输的

需求，在5G-R专网建成后，利用5G-R专网传输报警

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服网和外服网分别申请服务器资源部署系统软件，内

服网服务器通过网络安全设备和交换机接入部署在专

网的综合视频、线路巡防、灾害监测、周界入侵等系

统的报警数据，通过防火墙接入DMS系统列车定位信

息，完成超视距信息的关联匹配后，将危情报警信息

通过GSM-R网络传输上车；同时，将危情报警信息、

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报警图像、相关视频等信息，通过武清安全平台，发

送至超视距外服网服务器，再经过防火墙策略，利用

4G/5G公网传输上车。超视距车载装置可与动车组相关

设备共用车载天线或新增车载天线，接入GSM-R网络

和4G/5G公网。基于GSM-R网络和公网结合的超视距

系统通信架构见图5。

图5　基于GSM-R网络和公网结合的超视距系统通信架构

基于GSM-R网络和4G/5G公网相结合的方案中，要

充分考虑网络安全，超视距车载装置不能同时接入2种

网络。考虑采用设备模块物理层融合的方式，利用独立

报警模块单独接入GSM-R网络接收并播放危情报警信

息；采用多媒体显示屏展示报警信息、报警图像、实时

视频等信息，将报警模块和显示屏整合为1台设备，模

块之间无数据交互，可以避免一机双网的问题

［8］

。

现车地传输。在铁路局集团公司内服网设置服务器，

通过网络安全设备和交换机接入部署在专网的综合视

频、线路巡防、灾害监测、周界入侵等系统的报警数

据，通过防火墙接入DMS系统列车定位信息，完成超

视距信息的关联匹配后，将报警信息、报警图像和压

缩视频通过5G-R专网传输上车。超视距车载装置可

与列车相关设备共用车载天线或新增车载天线，接入

5G-R专网。基于5G-R专网的超视距系统通信架构

见图6。

4.2　基于5G-R专网的通信架构　

5G-R专网建成后，超视距系统基于5G-R专网实

图6　基于5G-R专网的超视距系统通信架构

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5 结束语

介绍京张高速铁路超视距系统试验方案，通过试

验验证，发现并详细分析超视距系统投入应用存在的

技术难点，一方面为提升突发险情的处置及时性，对

超视距危情报警信息的传输时效性提出了极高要求；

另一方面4G/5G公网在网络带宽上具备传输高清视频和

图像的能力，但无法做到对铁路沿线全天候无盲区的

高质量覆盖，而GSM-R网络无法传输图像和视频，

5G-R专网尚未建成且带宽受限。因此，分别提出了

限的网络条件下，超视距信息快速上车的需求。

5G-R专网建成前后的系统通信架构设计，以适应在有

在5G-R专网建设过程中，可能存在部分线路

GSM-R网络覆盖、部分线路5G-R专网覆盖的情况，

因此，提出2种架构可以并存，逐渐从基于GSM-R网络

与公网结合的方案过渡到基于5G-R专网的方案。此外，

超视距系统的数据源，包括综合视频、灾害监测、周界

入侵、线路巡防等，均部署在铁路专用信息网，需要通

过网络安全隔离设备和策略接入铁路内服网，因此需要

相应的工程支持实现网络互联互通，以更好地利用既有

系统的数据，提升高速铁路列车运行的安全性。

参考文献

［1］中国铁路总公司.中国铁路技术管理规程（高速铁路

部分）［M］.北京：中国铁道出版社，2014（7）：71-72.

［2］章阳，吕宝家，金哲. 高速动车组制动距离及制动减

速度参数研究［J］.铁道机车车辆，2020，40（3）：11-16.

［3］董兴芝，王富章，王忠峰. 铁路动车组WiFi运营服

务系统安全与防护［J］. 无线电通信技术，2019，

［4］梁泽仁，赵国强. 京张奥运智能动车组5G 超高清

移动演播室网络传输方案浅析［J］.现代电视技术，

［5］王芳，石波，蔺伟，等. 铁路5G-R技术标准体系研

究［J］.中国铁路，2022（9）：31-37.

［6］王一芃，田海波，季宏志，等. 铁路综合信息网区域

边界风险及防护策略［J］. 铁路计算机应用，

［7］付翠竹，刘丽. 铁路视频会议通信技术发展应用研

究［J］.铁路通信信号，2022，58（1）：55-59.

［8］陈力，刘军. 哈尔滨铁路局计算机综合网网络安全管

理与防护［J］.铁路计算机应用，2015，24（6）：51-53.

2021（11）：32-37.

2022（3）：48-51.

45（1）：84-90.

责任编辑翟立飒

收稿日期 2023-06-05

Research on Communication Architecture of HSR Train BLOS

Application System

ZHAO Ying, LIU Qinghong

(Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

Abstract:

In order to enable response to HSR emergencies more timely, a system architecture based on 5G public

network for fast transmission of BLOS alarm information and real-time video to trains is proposed. Key technologies

of train BLOS were studied, and the train BLOS application technology based on 5G public network was tested on

Beijing-Zhangjiakou HSR. On this basis, the problems and difficulties existing in the system application stage of train

BLOS technology were analyzed in detail. Fast transmission of alarm information and real-time video to trains is

closely tied to network coverage and quality. On the one hand, users put forward extremely high requirements for

transmission timeliness of BLOS danger alarm information; on the other hand, the current network quality and coverage

along HSRs cannot meet the need for all-weather full-coverage train-ground transmission. Therefore, two system

communication architectures were designed. One is applicable to the communication based on GSM-R network and

4G/5G public network before the completion of 5G-R private network. The other is applicable to the communication

based on 5G-R private network after the completion of 5G-R private network. Both the architectures can meet the need

for fast transmission of BLOS information to train at present and in the future.

Keywords:

HSR; train BLOS; 5G-R private network; 5G public network; train-ground transmission;

communication architecture; railway safety

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