铁路专网通信信息技术发展与创新

铁路专网通信信息技术发展与创新

北京全路通信信号研究设计院

李正涛 陈郑超 韩冰 庞萌萌

一、概述

       铁路通信网是覆盖铁路的统一、完整的专用通信网，包括承载网（包括光传输网以及数据通信网）、业务网（包括电话网、专用移动通信系统、铁路调度通信系统、综合视频监控系统、应急通信系统、会议电视系统等）和支撑网（包括时钟同步网、铁路通信电源及机房环境监控系统、通信网管系统、光缆监测、漏缆监测、铁塔安全监测、无线电频率干扰监测、无线网络接口监测等各类监测检测系统），为运输生产和经营管理提供话音、数据和图像通信业务。铁路通信是铁路信息化、数字化、智能化的重要基础设施和关键载体，在保障行车安全、服务经营管理、提高运输效率等方面发挥着不可替代的重要作用。

       铁路信息系统包括客户服务、集成服务、数据服务、基础设施等在内的一体化信息集成平台和覆盖战略决策、经营开发、运输生产、资源管理、建设管理、综合协同等领域的业务应用系统。铁路客运服务信息系统主要包括旅客服务信息系统、客票系统、行包信息系统、车站门禁系统、客运管理信息系统等。

       铁路通信信息专网的特点，一是既要满足铁路建设、运输生产及经营管理需要，同时也需面向社会公众，方便办理客货运输业务。二是铁路通信网必须保障通信网和各类通信业务的安全和可靠。三是铁路通信信息应用场景复杂，专用设备多，可用性要求高。

二、铁路通信网络技术应用现状

1、铁路有线承载网

      全路光传输网分为骨干层、汇聚层和接入层三层结构。

      骨干层网络为路局至国铁集团、路局与路局、各大数据中心之间的直达业务互通提供传输通道，并为汇聚（局干）层网络提供部分保护；实现各业务至国铁集团的汇聚、跨路局间的互通和部分业务保护。骨干层网络主要承载数据通信网骨干网、公安等专线业务。

       汇聚（局干）层网络构建路局内的骨干光传送网络，主要实现局内各站段间及各站段至铁路局集团公司调度中心、核心网的业务传送，并为接入层网络提供部分保护。汇聚（局干）层网络主要承载数据通信网区域网、公安等专线业务。

       接入层网络为铁路沿线车站及区间节点提供接入服务。接入层网络主要承载部分数据通信网接入层、公安、区间视频监控、区间监测类等各类业务。

       铁路数据网根据承载业务的不同，分为数据通信网和外部服务数据网。数据通信网承载铁路内部生产、办公等各类业务，覆盖了从国铁集团-路局-段-车站类铁路生产单位。

       外部服务数据网承载铁路对外服务业务，与互联网/路外单位有数据交换需求的各类对外服务业务，覆盖从国铁集团-铁路局集团公司级外部服务局域网。

2、铁路专用移动通信网

       2002年，原铁道部确定采用GSM-R技术建设和发展铁路综合数字移动通信系统。近年来新建铁路通信系统均采用GSM-R系统，部分既有线450MHz无线列调也改造为GSM-R系统。截止2023年底，全路GSM-R网络覆盖里程达9万公里。GSM-R网络在实现铁路通信数字化、机车同步操控、列车控制信息传送、保障列车通信和运行安全等方面发挥了重要的作用。GSM-R系统在我国取得了成功的应用。

       然而，运营商的2G系统向LTE/5G网络重耕，以及各大设备供应商产品的更新换代，GSM-R系统设备未来将面临停止支持的难题，且窄带的GSM-R系统无法满足铁路日益增长的宽带移动通信业务需求，铁路GSM-R系统迫切需要向新一代铁路移动通信系统演进。

3、铁路通信业务网

       铁路有线调度通信系统是为指挥中心的调度员与其管辖范围内有关运输生产人员之间提供固定话音业务的专用通信系统，系统主要包括调度所调度交换机、车站调度交换机和调度台、值班台、调度分机、站场电话分机等终端设备。铁路无线调度通信系统原指列车无线调度通信系统，是为指挥中心调度员与其管辖范围内列车司机、运转车长、车站值班员、车站助理值班员之间提供移动话音业务的专用通信系统，由GSM-R系统和车载无线通信设备(CIR)、GSM-R手持终端实现，GSM-R系统与有线调度通信系统互联，实现了铁路有线调度通信和无线调度通信的业务融合。

       铁路视频监控系统是为满足铁路行车指挥、生产组织、客货运输服务、作业监控、抢险救援以及治安防范等需要，应用音视频、通信、计算机网络等技术构建的具有音视频数据采集、传输、显示、存储、处理功能的监控系统，由视频核心节点、视频区域节点、视频接入节点、视频汇集点、视频采集点、承载网络和终端设备组成。

       铁路应急通信系统是为满足在自然灾害和突发性公共事件发生时满足应急救援指挥对应急救援现场图像、数据、话音业务需要，采用各种通信技术和手段以提供铁路应急通信，其设备包括铁路应急通信服务器、存储设备、网络设备和配套软件等。

       铁路站场通信系统是为站场调车、车号、货检、货运、列检、客运等运输作业提供话音及数据通信的系统。

4、铁路通信支撑网

       铁路时间同步网为铁路运输各业务系统提供统一标准时间信号，使各系统时间与本系统同步，保证铁路各系统运行计时准确一致。铁路时间同步网由时间同步节点设备和时间同步链路组成。由地面一级、二级、三级时间同步节点和列车时间同步节点组成。铁路时钟同步网主要为铁路通信传输网、铁路移动通信（GSM-R）、调度通信等数字通信系统提供频率同步信号。同时为铁路时间同步网节点设备提供守时频率同步信号。铁路时钟同步网由骨干同步网和铁路局集团公司内同步网组成。

       铁路通信网网络管理在基于各网络管理子系统基础上应用了铁路通信综合网络管理技术，即在一个平台上通过对多专业、多厂家网络管理系统的告警、资源和性能数据进行集中采集，综合各系统间对故障、报警、异常的关联分析处理，实现对多个通信子系统的网元及网络集中监视、故障报警和数据综合分析等功能，有效进行网络集中管理，扩大维护半径，提高维护工作效率。

三、铁路客服技术应用现状

       铁路客运服务信息系统是实现客运站、列车旅客服务及对外信息服务等功能的信息系统。主要包括旅客服务与生产管控平台、旅客服务信息系统、客运管理系统、客运设备管理系统、应急指挥管理系统、客票系统、行包信息系统、车站门禁系统等。其中旅客服务信息系统又包括车站客运广播系统、综合显示系统、视频监控系统、旅客运输安全检查系统、信息查询系统、入侵报警系统、站台端部防入侵报警装置、求助系统。

1、铁路客票系统

       中国铁路客票系统是铁路旅客运输和服务的核心支撑平台，原铁道部自1997年起，开始组织研发和试点计算机售票，经过20余年的发展，在经过了6次大规模迭代建设后，逐步从车站内的单一客票销售业务系统发展成为覆盖线上（即12306网售票系统，包括12306网站及同名移动端APP）和线下3000多个客运车站的窗口、自助售票机、电话订票等渠道，实现了现金、银行卡、中铁银通卡及第三方支付的乘车票款支付方式。提供客票销售、延伸服务、营销决策等多项业务的全球最大的综合性票务系统。伴随客票系统的发展，铁路客票票制逐步从硬板票转变为纸质车票和互联网电子客票并存的现状。

2、旅客服务信息系统及生产管控平台

       旅服系统集成管理平台自2008年京津城际高速铁路上线以来，已覆盖全路1000多个车站，旅服系统集成管理平台（以下简称集成管理平台）采用铁路局集团公司、车站两级架构部署，支持铁路局集中管理、中心站代管、车站独立管理三种应用模式，实现对车站的广播、导向揭示、求助、时钟等旅客服务设备与设施进行集中管控。

       旅客服务与生产管控平台（以下简称管控平台）自2018年10月在郑州东站试点运行，采用国铁集团、铁路局集团公司、车站三级架构部署，通过整合客票、旅服、办公、调度、动车、视频、机电控制等7大系统数据资源，对客运广播、综合显示、视频监控、时钟、信息查询、求助等旅客服务功能和设备进行集中管控，能够实现旅客服务、客运管理、客运设备管理、应急指挥等业务融合管理。截至2023年5月，已在全路300余个车站上线应用，取得良好的应用效果。

四、铁路通信技术发展与创新

1、铁路有线承载网发展与展望

       数据业务的迅速发展，使得传输技术从基于TDM的OTN（时分复用）、SDH/MSTP（同步数字体系/多业务传送平台）向基于包交换的PTN（分组传送网）、IP RAN（IP无线接入网）、增强型MSTP等发展；随着5G业务广泛部署，出现了SPN（切片分组网络）、增强型IP RAN、面向移动承载优化的OTN等5G承载网技术。

       具有大带宽、超低时延、高精度时间同步传送、海量连接、灵活组网调度、高效软硬管道切片能力、敏捷业务部署、网络级的分层 OAM 和保护能力、高可靠性、智能管控、智能运维是铁路有线承载网需要具备的特征，见图一。

       OTN由于其传输的大容量及高速率、大颗粒接入的特点，更适合铁路骨干层、汇聚层使用。

       SPN和增强型IP RAN均满足铁路接入业务的通道需求，在OAM、保护能力、业务承载、高精度时间传送、智能管控能力等方面不相上下。SPN相对于增强型IP RAN，在硬管道切片能力、MTN交叉时延上更具有优势，而增强型IP RAN在三层路由能力方面更具优势。分组增强型OTN在路由功能、设备商支撑力度、5G应用等方面尚欠缺。

       目前适用于铁路接入层承载网技术应结合既有承载网的网络结构和应用规划，根据承载业务的通道性能要求和不同的应用场景，选用SPN和增强型IP RAN，待分组增强型OTN技术完善后也可以应用。

图一   铁路下一代承载网示意图

2、铁路5G通信网业务与系统需求

       根据目前铁路各类应用的需求、场景划分和发生区域等业务特征，可将铁路各类应用划分为行车应用（与行车直接相关的业务，这类业务与行车安全紧密相关）、运营及维护应用（与运行非直接相关的业务，为铁路日常运营、维护、检修等工作服务）、旅客、货运服务信息传送应用（为旅客提供在车站、列车上及其他场景下与出行相关的各类信息服务，为货运客户提供实时处理服务）和工程建造（为铁路建设的勘测、施工、工程管理类业务服务）等四大类。

       其中，行车应用、运营及维护应用直接与铁路运输生产相关，由铁路5G专网承载；旅客、货运服务信息传送应用和工程建造可采用公网承载。

       基于3GPP规范，充分借鉴公网运营商5G系统架构，并结合铁路业务需求和GSM-R的成功运用经验，采用“在公网5G系统基础上增加铁路特色功能应用”的思路，形成铁路5G-R系统架构。

       典型的5G系统包括5GC核心网、基站和终端，为分组域数据传输网络，只能实现基本的数据传输业务。公网5G网络在核心网增加了IMS系统解决了语音和视频呼叫业务，但是IMS系统无法满足铁路的语音、视频组呼以及点对多点数据传输等集群业务，并不适用于铁路。铁路5G-R系统在典型5G网络的基础上增加了MC应用系统解决集群业务，并增加了5G-SCP进而解决功能寻址、位置寻址等铁路特定业务。5G-R系统包括核心网、无线接入网、用户设备、运营与支撑系统、应用接口/接入管理设备等五部分，为铁路运输生产提供语音业务、数据业务、视频业务、铁路特色业务等，并支持移动性管理、优先级管理、互联互通等功能，参见图二。

图二 铁路5G-R专用移动通信系统示意图

3、铁路北斗应用发展与创新

       “北斗铁路行业综合应用示范工程”，作为国家北斗重大专项面向铁路行业的首批综合应用示范项目，建设了1个大数据中心，构建了1个时空信息云平台，集成融合大数据、GIS、物联网、5G、云计算、BIM 等多类先进技术，面向铁路勘察设计、施工、运维三个主要阶段，在铁路工程测量、自动化监测系统、智慧工地系统、位置感知预警防护系统、铁路工务巡检、轨道测量及平顺性检测、一带一路中欧班列集装箱定位跟踪、高分遥感地质调查、高铁列控系统等9大铁路业务板块推广了多套北斗终端设备，并在“北斗+5G”服务于综合立体交通数字化转型、交旅融合、铁路架梁定位跟踪及抢修等领域进行了延伸应用，为建立铁路行业北斗“应用+标准”双重体系奠定了基础，促进了北斗和高铁两张“国家名片”的深度融合。

       北斗技术与列控系统结合方面，引入北斗卫星定位、多模通信、运能动态配置等技术，建设了面向列控系统的北斗铁路地基增强网络，实现了基于北斗的列车定位、列车完整性检查和虚拟闭塞和移动闭塞，研制了具有“轨旁设备最少化、通信多模化、车载中心化、运能适配化、维护智能化”等核心特征的新型列车控制系统成套装备，以及基于北斗定位的新型列控系统，并开展示范应用。

       基于北斗定位和公网5G传输的编组站调机自动化实现应用，为机车及作业人员配备北斗高精度定位终端，综合人车位置、调机作业计划、流程等信息，实时把控现场作业人员、机车位置关系及工作状态，实现调度、行车、货检、列检等信息共享，有效解决调车安全问题，并提高了作业效率和编组站综合自动化水平。

4、铁路视频监控发展与创新

       大规模高速铁路建设运营对安全保障提出了更高要求，为解决传统铁路视频监控分散化问题，我国铁路研发应用了三级架构体系的综合视频监控系统，通过云计算、高清摄像机解析、图像诊断和人工智能分析等新技术、可靠的数据传输、备份与恢复机制，实时监测设施状态和高铁运行情况，为高铁提供全天候安全保障。

五、铁路客服信息技术发展与创新

1、铁路客票系统发展与创新

       在铁路客票系统中，电子客票的应用，创新性的将居民身份证、手机二维码、人脸生物特征等媒介载体作为旅客乘车凭证，实现了旅客出行从“有纸”到“无纸”的飞跃；创新基于人像识别的“云-端”人脸识别智能平台，支撑铁路自助核验应用模式，实现了旅客服务由“见人”到“见智”的转变；充分发挥电子客票数据大融合的优势，丰富12306手机客户端服务功能，实现了旅客体验由“智行”到“智享”的提升。

       随着电子客票在全国的推广和普及，对铁路12306互联网售票系统的稳定可靠带来了新的挑战。新版铁路12306互联网售票系统采用基于“双中心双活”集中式的体系架构，运用服务器和存储虚拟化、基于全局的流量分配和故障切换、会话集中管理和Session双活方案等技术，保障了双中心用户会话维持以及数据一致性。系统上线后明显改善了用户体验，极大地缓解了售票窗口的压力，保障了旅客出行的需要。

2、旅客服务信息系统发展与创新

       在铁路客运站，随着旅客服务与生产管控平台的应用，为未来智能车站建设奠定了重要基础，实现了全站客运计划一体化编制、生产业务一体化协调联动、客运设备全生命周期管理和站车一体化应急协指挥等重大创新，实现了站内外生产数据的统一接入、集成管理及共享共用，打破信息孤岛，为大数据的分析奠定基础。基于数据分析及AI服务平台，实现车站人员、设备（安检口、售/检票口）资源实时监控和智能调配，以及车站异常行为的智能识别和及时处置，参见图三。

图三 铁路智能客运服务系统示意图

六、小结

      面向未来，铁路专网通信信息系统服务于建设数字铁路、智能高铁2.0的美好蓝图，将在以下几方面继续发展：

1、物联网技术应用：铁路通信网向物联网不断扩展，通过在列车、轨道线路、轨旁设备设施、周边环境等各个方面引入传感器和各类无线通信技术，实现人、物、环境的泛在感知接入。

2、云脑平台与AI应用：建设基于云计算和行业AI大模型的云脑平台，通过物联网感知接入，利用大数据分析和人工智能技术，为智能调度指挥、智慧出行服务、预测性全生命周期维护等智能化应用提供支撑。

3、智慧出行服务：深入利用大数据进行精准营销以及票额预分等应用创新，基于旅客行为分析和用户画像提供个性化服务，针对不同人群需求提供更便捷友好的购票渠道和服务；通过引入AI人脸识别、语音识别等技术，实现自助化检票、乘车、导引服务，提升旅客进出站效率；利用大数据分析预测客流，提供精准的客流引导和信息发布，减少旅客排队等待时间。

4、联程运输服务：构建一体化交通信息服务平台，整合各种公共交通资源，实现不同交通工具之间的快速换乘和服务无缝对接，为旅客提供一站式出行解决方案。

5、数字孪生应用：逐步搭建铁路数字孪生平台，通过5G、物联网接入等实现实时动态监测、故障诊断、预防性维护、健康评估与寿命预测。

6、应急通信与指挥：完善应急通信与指挥手段，建立铁路内外应急救援资源共享平台，通过人工智能辅助决策，强化安全风险预警能力，及时发现并处理安全隐患，提升应对突发事件的能力。

7、网络和信息安全防范：引入先进的网络和信息安全安全技术，建立完善安全保障体系，预测与主动防范外部网络攻击和其他信息安全威胁。

8、可持续发展：大力推广绿色低碳技术应用，提升通信信息系统能源利用效率、减少碳排放，为铁路可持续发展贡献力量。

【作者】

李正涛，硕士毕业于北京交通大学，现任职北京全路通信信号研究设计院集团有限公司通信信号院副总工，正高级工程师，主要从事铁路通信信息工程设计、标准和科研工作。

陈郑超，本科毕业于北京交通大学，现任职北京全路通信信号研究设计院集团有限公司通信信号院所总工，正高级工程师，主要从事铁路承载网科研设计和相关研究工作。

韩冰，硕士毕业于西安科技大学，现任职北京全路通信信号研究设计院有限公司通信信号院室主任，高级工程师，主要从事轨道交通信息专业相关的工程设计、科研和标准工作。

庞萌萌，硕士毕业于北京交通大学，现任职北京全路通信信号研究设计院集团有限公司通信信号院室主任，高级工程师，主要从事铁路专用无线通信工程设计、标准编制等工作。