夏珊珊

（湖南工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

PIS系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)中，能夠?yàn)槌丝吞峁┬畔⒎?wù)，同時(shí)為地面服務(wù)中心提供實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，作為事故處理憑據(jù)。隨著軌道交通信息化、智慧化程度的加深，PIS系統(tǒng)中主要傳輸?shù)耐且郧д鬃止?jié)為單位的視頻數(shù)據(jù)文件，通過傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻文件要耗費(fèi)許多時(shí)間，無法及時(shí)傳遞信息。5G移動(dòng)通信可與智能建造、智慧車站等八種城軌業(yè)務(wù)相結(jié)合?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)的PIS系統(tǒng)中利用5G傳輸通道進(jìn)行文件傳輸，以提高文件傳輸?shù)乃俣?，?shí)現(xiàn)文件的車地傳輸。本方案能有效解決視頻等大數(shù)據(jù)文件傳輸速度慢的問題。

1 總體方案

現(xiàn)有PIS系統(tǒng)可以分為總控制系統(tǒng)、站點(diǎn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和車廂內(nèi)系統(tǒng)四個(gè)部分，具有視頻監(jiān)控、列車廣播、OCC廣播、自動(dòng)報(bào)站、視頻顯示等功能。文件數(shù)據(jù)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)（遵循IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，理論上可以得到1 Gb/s的傳輸速率，但對硬件要求較高）和LTE承載網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

基于5G的PIS文件傳輸方案包括車載和地面兩個(gè)部分。車載部分由OCS智能運(yùn)維主機(jī)（以下簡稱OCS）、車載PIS系統(tǒng)（帶顯示屏）、地面PIS系統(tǒng)車載設(shè)備（以下簡稱地面PIS設(shè)備）和車載5G天線構(gòu)成，地面部分由高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器、地面PIS中心和地面天線組成。其中，通過OCS、高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器和天線共同完成PIS視頻文件和其他車載數(shù)據(jù)文件的傳輸任務(wù)。由于各個(gè)PIS廠商提供的PIS設(shè)備不同，為提高方案的普適性，將高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹皹蛄骸保瑪?shù)據(jù)經(jīng)高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器后再發(fā)往OCS或地面核心交換機(jī)；地面PIS設(shè)備緩存由OCS轉(zhuǎn)發(fā)的地面PIS中心發(fā)布的視頻文件；車載PIS系統(tǒng)獲取地面PIS設(shè)備的視頻文件并通過顯示屏進(jìn)行播放，通過OCS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻落地。本方案可實(shí)現(xiàn)車載PIS視頻傳輸、視頻點(diǎn)播、監(jiān)控視頻自動(dòng)落地等功能。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻由車載PIS主機(jī)推送給OCS，通過5G通道傳輸?shù)降孛?。文件上傳時(shí)，車載PIS系統(tǒng)每隔10 min向OCS推送視頻文件，一個(gè)文件約200 MB，暫時(shí)存入OCS主機(jī)自帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤中；OCS在具備傳輸條件時(shí)，自動(dòng)向高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器傳輸文件，轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器通過以太網(wǎng)線與PIS中心相連，從而將文件傳輸至PIS中心。文件下載時(shí)，PIS中心先將播表、視頻文件等發(fā)送至轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器，再由轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器發(fā)送至OCS主機(jī)暫存；同時(shí)，OCS主機(jī)將收到的視頻文件數(shù)據(jù)發(fā)送至地面PIS設(shè)備，地面PIS設(shè)備通過AUDIO/VGA/485將視頻數(shù)據(jù)發(fā)至車載PIS系統(tǒng)，最后通過顯示屏播放。

2 文件傳輸方案具體設(shè)計(jì)

OCS相當(dāng)于“數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站”，采用多線程技術(shù)，可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，開啟多條數(shù)據(jù)傳輸線程，提高傳輸速度。傳輸過程中，OCS向地面服務(wù)器發(fā)送心跳報(bào)文，通過接收地面服務(wù)器的廣播報(bào)文判斷傳輸鏈路是否中斷。

2.1 傳輸準(zhǔn)備

車載數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示，OCS主機(jī)處理來自地面和車載兩端的數(shù)據(jù)。在具備傳輸條件時(shí)（即OCS主機(jī)成功登錄地面服務(wù)器，心跳報(bào)文正常，5G鏈路通暢），自動(dòng)將列車運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，并且根據(jù)地面服務(wù)器發(fā)來的不同指令完成相應(yīng)操作。

圖2 車載數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

OCS主機(jī)開機(jī)啟動(dòng)后會(huì)遍歷一次主機(jī)上的文件，按時(shí)間刪除舊文件，加載新產(chǎn)生的文件，監(jiān)聽數(shù)據(jù)收發(fā)端口，隨時(shí)處理接收到的數(shù)據(jù)。接收到車載PIS的視頻數(shù)據(jù)和TCMS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等需要落地的數(shù)據(jù)后，將其加入到上傳隊(duì)列，再由上傳線程傳輸?shù)降孛?。?dāng)接收到轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，首先判斷指令類型，若是播表發(fā)布指令，則解析報(bào)文中的文件路徑、文件名、用戶名、密碼等信息，從指定目錄下載視頻文件；若是反饋指令，則向地面反饋數(shù)據(jù)傳輸情況。OCS主機(jī)同時(shí)還接收地面PIS設(shè)備的反饋報(bào)文，當(dāng)文件下載失敗時(shí)，反饋給PIS中心。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 OCS數(shù)據(jù)處理流程

2.2 車-地文件傳輸

車地通信接口采用基于RJ 45連接的TCP/IP接口，指令數(shù)據(jù)通信協(xié)議為UDP方式，視頻、播表文件采用FTP方式進(jìn)行傳輸。文件下載時(shí)（從地面服務(wù)器到車載PIS系統(tǒng)），OCS主機(jī)通過UDP報(bào)文包與車載PIS設(shè)備、地面服務(wù)器、地面PIS設(shè)備進(jìn)行命令交互、點(diǎn)播文件；通過FTP文件傳輸方式將地面文件下載至車上。首先獲取所需文件的文件路徑和文件名，判斷文件是否存在并下載，下載成功后向地面發(fā)送成功報(bào)文，將文件傳輸至地面PIS設(shè)備并記錄到數(shù)據(jù)文件中；若下載失敗，則向地面發(fā)送失敗報(bào)文，等待10 s后重新下載，如果失敗次數(shù)超過3次，則等待下一次下載線程。文件上傳時(shí)（從車載網(wǎng)絡(luò)到地面服務(wù)器），車載PIS系統(tǒng)以FTP方式將文件傳送給OCS主機(jī)，列車到站或入庫后將自動(dòng)連接地面網(wǎng)絡(luò)，建立5G傳輸鏈路，OCS主機(jī)通過FTP文件傳輸和冗余方式將文件發(fā)送至地面系統(tǒng)。先傳輸新文件，再傳輸舊文件。文件上傳成功后記錄到數(shù)據(jù)文件中，并發(fā)送到轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)器；上傳失敗則向地面返回失敗報(bào)文，等待10 s后重新下載，如果超過3次，則返回，等待下一次上傳線程。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建測試平臺(tái)，進(jìn)行車載OCS系統(tǒng)、地面PIS系統(tǒng)、車載PIS系統(tǒng)、地面服務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測試了車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群臀募鬏數(shù)臏?zhǔn)確性以及斷點(diǎn)續(xù)傳功能。實(shí)驗(yàn)證明，本方案在PIS系統(tǒng)大文件傳輸問題上具有可行性和較好的效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

測試時(shí)，按照圖4正確連接各測試設(shè)備并上電。其中車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括OCS主機(jī)、車載PIS、地面PIS設(shè)備和其他車載設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)。配置發(fā)送端測試PC，在發(fā)送端測試的PC上創(chuàng)建并發(fā)送數(shù)據(jù)流量。設(shè)置地面服務(wù)器IP地址為192.168.100.200，設(shè)置OCS主機(jī)IP地址為192.168.100.10。

圖4 測試配置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

OCS主機(jī)上的緩存文件如圖5所示?？梢钥闯?，OCS主機(jī)收到了來自車載PIS系統(tǒng)的視頻文件，表明OCS自動(dòng)采集數(shù)據(jù)功能正常實(shí)現(xiàn)。

圖5 OCS收到的車載PIS發(fā)來的視頻

文件開始傳輸之前先利用PC機(jī)在車地兩端的服務(wù)器互相ping對方的網(wǎng)絡(luò)，檢查網(wǎng)絡(luò)是否通暢。在OCS主機(jī)上創(chuàng)建測試文件cicu_1.7和cicu_1.8。圖6表示地面服務(wù)器正確收到了OCS主機(jī)上的文件，表明自動(dòng)傳輸功能正常實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車地通信正常，文件傳輸準(zhǔn)確無誤，本方案的基礎(chǔ)功能可以實(shí)現(xiàn)。

圖6 地面服務(wù)器收到來自O(shè)CS的文件

采用5G天線的速度查看工具可以觀察到如圖7所示結(jié)果，傳輸速度能達(dá)到1.5 Gb/s以上。

圖7 傳輸速度

4 結(jié) 語

本文提出了一種新的PIS系統(tǒng)傳輸方案，利用5G大帶寬、高速度、低時(shí)延等特點(diǎn)，將PIS中的視頻等大文件通過5G通道傳輸，實(shí)現(xiàn)了PIS大文件的高效快速傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，地面系統(tǒng)和車載網(wǎng)絡(luò)可以正常通信，車載數(shù)據(jù)可以自動(dòng)、準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛娣?wù)器；當(dāng)服務(wù)器中斷重連后，仍可以繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。經(jīng)過測試，使用5G通道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以達(dá)到1.5 Gb/s的傳輸速度，讓視頻傳輸更清晰流暢，能夠給乘客帶來更好的乘車體驗(yàn)。由于歷史發(fā)展原因和傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，PIS系統(tǒng)正在朝著車地一體化、云化的方向發(fā)展。將5G應(yīng)用于軌道交通是目前研究的熱點(diǎn)之一，不止是監(jiān)控視頻的傳輸，列車運(yùn)行的其他數(shù)據(jù)的傳輸、視頻轉(zhuǎn)播、直播以及為旅客提供更好的上網(wǎng)體驗(yàn)等，都是值得探索的方向。