基于IP网络的铁路应急通信传输系统的研究与设计_刘景.docx

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1、 国内图书分类号： U285.44 密级：公开 国际图书分类号： 基于 IP网络的铁路应急通信传输系统 的研究与设计 年 级： 二六级 姓 名： 刘景 申请学位级别： 工学硕士 专 业： 交通运输规划与管理 指导 教师： 倪少权 教授 二零一 -年九月十八 Classified Index: U285.44 U.D.C: Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis RESEARCH AND DESIGN OF RAILWAY EMERGENCY COMMUNICATION SYSTEM BASED ON IP NETWORK Grade

2、: 2006 Candidate: Academic Degree Applied for: Speciality: Supervisor: Liu Jing Master Degree Transportation Planning and Management Professor ShaoQuan Ni September 18, 2011 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索

3、，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1. 保密 ，在 年解密后适用本授权书 ; 2. 不保密 S/， 使用本授权书。 (请在以上方框内打 “ V” ） 学位论文作者签名 : 指导老师签名 : U期 : U期 : 西南交通大学硕士学位论文主要工作（贡献 ） 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 本学位论文的

4、主要创新点如下： 1) 按照对现场环境的分析确定了设计目标，完成了系统的模型架构，提出 了按照分层分区规划的建设框架，并且针对不同的应用范围给出了部署方案； 2) 考虑到事发地与邻近车站的距离问题，即 “ 最后 1公里 ” 的问题，对此 进行了深入的研究，提出综合的多种通信链路接入的设计思路； 3) 根据 IP网络的特点，提出了基于 IP网络环境的视频、图像编码方案， 方案的核心是 H. 264编码，通过编码使得大容量的现场信息在质量损失最小的 情况下，数据量可以被线路带宽承受，同时，运用 RTP/RTCP协议对这些数据 进行远距离的传输，提出了数据打包计算和动态适应 N络变化的思路； 4)

5、对数据存储方案进行了详细规划，提出了基于 IP-SAN结构的存储阵列 模型，并且对存储容量和存储的部署提出了方案。 学位论文作者签名： 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第丨页 摘 要 铁路是我国经济的大动脉，是国家交通运输体系的骨干，是不可或缺的一 部分，它具有管理高度集中、各个工作环节紧密相扣的特点。铁路运输包含一 系列的工作节点，若是某一个点出现了问题，发生了故障，就会影响到整个线 路的运输安全和畅通，不及时排除险情、控制事态的发展将会引起更大范围的 堵塞和瘫痪，可谓千钧一发，因此保畅通是铁路运输最基本之要求，安全的生 产乃是铁路运输的永恒主题。 铁路应急通信传输系统就是为了满足这

6、样的需求而产生的，在事发地点如 何利用现场环境快速恢复和建立应急通信信道，确保现场影音数据第一时间传 回指挥中心为救援决策提供支持，现场人员及时收取救援指令为排除事故降低 损失尽快恢复线路通车争取时间，这就要求研究和设计一套在任何情况下拉得 出、开得通、联的上的多手段、多途径、多业务相融合的应急通信传输方案。 论文首先对目前铁路应急通信网络、应急通信系统、业务现状和发展历程 进行了描述，在此基础上针对其存在的问题和需求进行了分析，提出了以分层 分 片构建铁路应急通信系统的架构模型，对构架中的链路层、 IP交换层、编 码传输层、业务控制层进行了详细描述；其次，针对有线、无线、卫星三种不 同的物理

7、链路接入技术进行了比对，完成了救援现场、区间车站和局端指挥中 心设备的接入设计；然后，对 IP网络环境下的视频编码技术进行了深入探讨， 对流行的 H. 264算法进行了分析并以此给出了在 Linux环境下的实现，同时对 编码后的传输方案提出了使用应用层 RTP/RTCP协议进行流传输的设计思路和 实现，并对其中涉及到的 N络自适应、码流自动控制、网络状态反馈等问题给 出了解 决方法；最后文章对接收端完成接收后的数据存储问题进行了分析，对 不同的存储模式进行了比对，并给出了适合本设计的存储方案。 本文的研究工作主要为铁路应急通信的研发提供一定的思路，在实际的应 用中具有一定的价值。此外，其能够为

8、铁路应急抢险工作提供准确及时的信息， 对决策支持、抢险方案制定都有重要的作用。 关键词 ： 应急通信；铁道运输； RTP/RTCP;存储 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II页 Abstract Railway is the main artery of our economy, the backbone of the national transportation system, and also an integral part in China. It is characterized by a highly centralized management, linking every

9、 step of process together closely. Rail transport contains a series of work nodes. And if there is a problem in a certain point in which a failure occurs, it will affect the safety and smooth in the entire line of transportation. Also, not eliminating dangerous case and controlling the situation in

10、time will cause wider jam and paralysis as critical moment. Therefore, keeping smooth flow of rail transport is the most basic demand, and the safety of producing is the eternal theme of rail transport. Railway Emergency Communication System generated in order to meet this demand, which is how to us

11、e the site environment to recovery fast and establish the emergency communication channel as soon as possible to make sure the return of live audio and video data back to the rescue command center for decision support in first time, On-site rescue personnel receive timely instructions for the remova

12、l of the accident as soon as possible to reduce the loss of recovery time for the opening line. Under this circumstance, research and design emergency communications transmission scheme is needed in any circumstances it can be used immediately, implemented at once and communicated smoothly, which co

13、mpromises multi-tools, multi-channel, multi-service integration. First, the paper is described on the current rail network of emergency communications, emergency communications systems, business status, and development process. On this basis, it is also analyzed the problem which already existed and

14、 needs proposed to build the architecture model of layered slice railway emergency communication system. Also, it described the architecture of the link layer, IP switching layer, coding transport layer, and the service control layer in detail; second, this paper is made a comparison for wired, wire

15、less, satellite links in three different physical access technologies. And it is also finished the access design of rescue scene, range stations and central office equipment of the command center. Then, there is an in-depth discussion of coding technology under the IP video network environment. Afte

16、r the popular 11.264 algorithm analyzed, 西南交通大学硕士研究生学位论文 第丨 II页 protocols in the encoded transmission scheme proposed. Besides, it is provided solutions to problems which are network involving adaptive, automatic control stream, and state feedback of the network, etc.Finally, the article is analyzed

17、 the data storage problems of receiver after receiving data completely. After different storage patterns were compared, it is given an appropriate storage solution for the design. This research provides a theoretical and technological basis of practical value in the railway emergency communications

18、and technology research. It can provide real-time railway emergency rescue and accurate site information. Besides, it has a great significance to ensure rapid and effective emergency rescue organizations to reduce economic losses and negative social impact. Key words: Emergency communication system;

19、 Railway transport services; RTP/RTCP; Data storage services 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV页 目 录 第一章绪论 . 1 1.1研究背景和意义 . 1 1.2铁路应急通信的发展与现状 . 2 1.2.1铁路应急通信的发展过程 . 2 1.2.2铁路应急通信的现状 . 3 1.3主要研究工作与论文结构 . 4 1.3.1主要研究工作 . 4 1.3.2论文结构 . 5 第二章相关技术与理论 . 6 2.1接入技术研究 . 6 2.1_1有线接入方式 . 6 2.1.2无线接入方式 . 7 2.1.3卫星接入方式 . 9 2.

20、2数据传输协议与编码技术 . 9 2_2.1传输方式与传输协议 . 9 2.2.2视频数据编码 . 12 2.3本章小结 . 13 第三章总体方案设计 . 14 3.1我国铁路应急通信的特点 . 14 3.2我国铁路应急通信存在的问题 . 15 3.3解决问题的思路 . 16 3.4系统结构 . 21 3.4.1接入节点 . 21 3.4.2中继节点 . 21 3.4_3核心节点 . 22 3.4.4业务层次结构 . 22 3.4.5系统拓扑结构 . 25 3.5设备配置 . 27 3.5.现场采集设备 . 29 _ 西南交通大学硕士研究生学位论文 _ 第 V 页 3.5.2现场通信设备 .

21、29 3.5.3中继设备 . 30 3.5.4局端指挥中心设备 . 30 3.6本章小结 . 31 第四章视频数据传输的设计与实现 . 32 4.1视频数据压缩编码的设计 . 32 4.2视频数据压缩编码的实现 . 33 4.3视频数据传输的设计 . 35 4.3.1数据打包设计 . 37 4.3.2自动适应网络变化的策略 . 40 4.4视频数据传输的实现 . 41 4.4.1数据初始化 . 41 4.4.2数据发送 . 41 4.4.3数据接收 . 42 4.5本章小结 . 42 第五章数据存储方案设计 . 43 5.1存储技术研究 . 43 5.1.1存储部署模式 . 43 5.1.2存

22、储部署设计 . 46 5.1.3 RAID类型选择 . 47 5.2存储阵列规划 . 49 5.2.1阵列磁盘选择 . 49 5_2_2阵歹 I己置 . 50 5.3本章小结 . 52 第六章结语与展望 . 53 6.1论文完成的主耍工作 . 53 6.2需要进一步研究的问题 . 53 雜 . 55 参考文献 . 56 攻读硕士期间发表的论文及科研成果 . 60 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1页 第一章绪论 1.1研究背景和意义 铁路应急通信系统是指铁路现场发生自然灾害、行车事故、抑或是其他紧 急状态时，管理部门的各级领导需要了解现场情况，救援指挥人员需要知道 事发地的状况，因此需要临

23、时建立一条通信信道，以承载语音、数据和各种 图像视频的传递，保证现场与指挥中心之间畅通的联络，以供方案制定、决 策支持、现场救援之需要 1。 铁路是我国经济的大动脉，是国家交通运输体系的骨干，是不可或缺的一 部分，它具有管理高度集中、各个工作环节紧密相扣的特点。铁路运输包含 一系列的工作节点，若是某一个点出现了问题，发生了故障，就会影响到整 个线路的运输安全和畅通，不及时排除险情、控制事态的发展将会引起更大 范围的堵塞和瘫痪，可谓千钧一发，因此保畅通是铁路运输最基本之要求， 安全的生产乃是铁路运输的永恒主题。 有数据表明， 1990年到 2000年这十年间，我国铁路事故共计 28533件， 死

24、亡人数多达 89104人，可以看到事故所引发的人力、财力、物力的损失是 巨大的。自从 2003年 “ 非典 ” 以来，我国各行各业已经建立起一套适应自身 特点的应急机制，在事故发生时可以做出快速反应，拿出预案。如此在事故 发生后能够尽快的与调度取得联系、尽快的将现场情况准确汇报给指挥中心， 有序的展开救援，对于抢救伤者、减少事故损失、快速恢 复线路正常运营至 关重要。 ： 就我国铁路的建设而言，路 N是比较严密的。在线路沿线，每一段时间都 设置有工务、电务工区，由专门的铁路人员驻守，按照规定，铁路公安部门、 线路巡视人员 24小时对线路进行巡查。另外，根据设计要求，在线路上发生 事故后，线路所

25、在区间两端的车站可以立即得到轨道中断的报警信号。因此 邻近车站的值班人员应该是最早知道区间出现问题的人。对于区间出现的具 体问题需要现场勘查，而采用语音描述或者拍照后传回上一级部门都将出现 偏差或者延迟，由此对事故的处置不利。利用先进的通信技术实现现场情况 的 及时汇报，尤其是实现现场视频、双向语音交互、指令传递等功能将有力 的提高救援的实效性。 因此，如何利用现场环境快速恢复和建立应急通信信道，确保现场数据第 一时间传回指挥中心为救援决策提供支持，现场人员及时收取救援指令为排 除事故降低损失尽快恢复线路通车争取时间，这就要求研究和设计一套在任 何情况下拉得出、开得通、联的上的多手段、多途径、

26、多业务相融合的应急 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2页 通信传输方案。 1.2铁路应急通信的发展与现状 1.2. 1铁路应急通信的发展过程 铁路应急通信的发展较早，上世纪 80年代主要的通信手段是依靠区间线 路的接线柱来完成，每隔 1.5公里左右就存在一个接线柱，这样当有需要进 行联络的时候只要接通接线柱，即可与邻近车站的通信线路接通，进而满足 救援时的通话要求。 进入 90年代，依靠普通架空线路进行现场通信的方式显然已经与需求不 符合，所以铁道部在全路开通了 “117” 特别服务电话号码，该号码实际上是 紧急状态联络电话，以供行车现场出现危机时使用。该事故救援台是基于铁 路自动电话交换

27、网和人工电话交换网组建，主要用于发生紧急 事故时，事故 现场与应急中心进行通话联系，组织调动相关部门进行抢险 1。除此之外，一 些路局、站段也在此方面进行了积极的探索，与路外企业联合研制适应当时 环境下的救援通信设备，例如 90年代初的用于铁路抢险的 2路载波机，该设 备在经过一系列的测试和试用以后逐步分配到覆盖铁路四大干线的电务段投 入使用 2。 ”2 路载波机 ” 用于在对称电缆区段、架空线路区段的通信线路上 使用，最大的特点在于利用载波频带内的一路话路幵通 2路话路，这样就可 以满足现场数据业务传输的需要。 1993年全路开通了图像传输系统，该系统是根 据现场抢险的实际需要以 及适应了当

28、时多媒体技术发展而研制出的基于 DOS操作系统环境的静止图像 传输系统，根据操作员给定的质量因子系统会自动对现场采集的图像进行压 缩，质量因子的值越大，压缩率越高，图像的质量越低，占用的带宽越低， 反正，压缩率低，质量好， ： 占用的带宽也越高。 1该系统后来实现了铁道部、 铁路局、分局之间的联网。现场配置的采集设备，例如数码相机，将图像通 过传输终端，经由电话柱连接到铁路电话网或者 117救援台，图像被上传到 指挥中心 。但是随着技术的发展和需求的增加，该系统的问题也日益突出： 1) 受限于现场通信线路和对信道的利用，图像与语音不能同时传输； 2) 高质量的图像在传输时由于带宽限制上传速度非

29、常慢且容易断线，而 又不具备断线后续传的能力； 3) 受限于技术环境，现场图像的采集、编码、传输、接收、解码过程消 耗时间大； 4) 现场采集图像的能力有限，不能立刻勘察清楚指挥中心希望知道的情 况。 二十世纪末，多媒体技术和计算机技术飞速发展为铁路应急救援系统带来 了新的可能，北京中铁全路无线技术中心开发了基于视窗操作系统的铁路图 像传输系统。该系统采用软件方式对图片进行解压缩，分辨率可以支持到 576 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 3页 线，经过测试在普通电话线上使用 28.8k、 3. 6k的调制解调器传输速率可以 达到 2 20幅 /秒。 进入二 i一世纪，市场上很多公司也研制出

30、了相应的产品，扩大了产品选 择面。 1.2. 2铁路应急通信的现状 铁路应急通信是随着技术的发展和运输生产的需求在不断发展，本节从铁 路应急通信网本身的建设、通信网所承载的业务以及设备几个方面分析目前 铁路应急通信存在的现状及问题。 1.2. 2.1铁路应急通信网的现状 我国铁路网建设时间久，规模大，是行业专有通信网络。经过多年的建设， 铁路干线网络已经基本实现了光纤化，沿线的车站具备 2M接入能力。然而与 此对应的是支线的通信网建设较慢，偏远一些的现场只能提供 2/4线音频通 道，区间铁路的通信方式依靠的是接线通话柱 4。而根据一项统计资料显示， 往往行车事故多发于区间，因此从事发地到最近车

31、站点还存在所谓的 “ 最后 IKM”的问题： (1) 区间发生事故后，车站值班人员会通知相应的工区值班员建立临时的 救援链路，负责通信的人员会赶到距离事发地最近的可用通话柱，用皮带通 信线连接通话柱 后放置到现场，一般这个临时接驳的通信线路长 2000米。通 信线距离上已经是可用通信线路的最长长度，但是这样的线路存在许多弊端， 例如临时线路会受到接触不良、现场自然环境的影响而杂音大，质量差，信 号衰减严重等问题； (2) 用于紧急接驳的区间通话柱不能提供足够的通信接口，这样现场视频、 图像、语音不能同时发送，造成救援时 :间的延误和报告不及时决策不准确的 问题； (3) 统计显示事故多发于区间

32、，而区间两侧的车站往往又不是高等级车站， 这样建设的不完备，使得车站不具备传输动态影像的条件。 1.2. 2.2铁路应急通信接入设备的现状 目前国内的接入设备种类很多，产品线分布详细，但是众多设备面向的是 一般环境的公共网络。公共网络的建设环境要好于铁路现场，能源供应可以 得到保证，而铁路现场的通信条件恶劣，多数接入设备无法适应。 国外与国内情况类似，如：朗讯、阿尔卡特等公司的接入设备比较成熟， 应用较好。但其主要针对公 N设计，与铁路专 N要求相差甚远。要使其设备 适用于铁路应急通信，尚需一个较长的二次开发过程 4。 1.2. 2. 3铁路应急通信业务的现状 一般的铁路应急通信包括有图像传输

33、和 117救援屯话，视频会议等业务。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4页 (1) 图像传输系统 应急环境下的图像传输系统是在铁道部、铁路局以及局以下部门之间建立 一个专用的局域网，网内的数据可以快速传输，专享专用，与外界不相联系， 是按照三级管理的模式实施的。具体的，在铁道部、铁路局和下级部门分别 设置服务器，在各通信段，也可以是各地的铁路通信公司配置用于现场信息 采集的终端设备和数据传送设备，例如数码相机、调制解调器等。分级的服 务器接入整个局域网，现场的照片可以通过调制解调器将数据上载到服务器， 服务器接收后会自动归档，即存储到安全的位置。 现有的传输系统主要存在以下几个方面问题：

34、a. 事发地的自动电话接驳端口配置不足，图像与语音不能同时传送； b. 117电台用于图像传输之作用时，速度慢，易短线，且断线后不支持续 传； c. 釆用手机方式传送，即多媒体发送方式，由于地形地势的干扰容易造成 信号中断、盲区不通的情况； d. 由于通信条件限制，图像传输一般经过多个步骤方能汇集到指挥中心， 因此消耗时间长，另外图片显示的现场角度是由拍摄者决定的，而非全景图 像，难于判断现场情况。 e. 现有图像系统无法与语音数据、视频数据相统一，工作效率不高，反应 的现场的信息不足，内容不完整。 (2) 事故救援电话系统 用于发生紧急情况下进行救援联络的 117事故电话系统，可以将现场与上

35、 级领导之间联系起来，建立直通信道，这样救援人员就能够及时的将现场情 况汇报给上级领导。经过多年应用 117事故救援电话存在的弊端也显现出来， 例如采用人工接线的方式，通话效果得不到保证，接续的速度慢，内容无法 保密，另外一个就是它不具备自动录音记录通话的功能，影响管理层的准确 判断，而且不能进行科学的记录 4。 (3) 视频会议系统 目前路内的视频会议系统基于 H.32x协议组建，按照三级部署模式，分布 与铁道部、各铁路局和局以下部门中，主要用于全路召开可视化会议之用。 总之，目前的铁路应急通信传输系统，接入方式缺乏灵活性，功能的提供 无法完全满足现场的需要，信息量少不利于决策分析等 W题，

36、己不适应当前 铁路运输发展的需要。 1.3主要研究工作与论文结构 1.3. 1主要研究工作 本文针对目前应急通信系统业务单一，传输限制多的问题，提出了基于 IP网络的通信传输方案，对铁路现场应急通信综合系统进行了研究和设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5页 论文首先对目前铁路应急通信网络、应急通信系统、业务现状和发展历程 进行了描述，在此基础上针对其存在的问题和需求进行了分析；其次，针对 不同的物理链路接入技术、数据编码与传输技术进行了介绍，并对各种不同 的技术方案进行了比对 ，然后提出了以分层分片构建铁路应急通信系统的架 构模型，并对该架构的各个组成部分进行了介绍；最后文章重点介绍

37、了基于 IP网络的编码、传输、存储方案。 一般的数据传输方式有三种，即有线方式、无线方式、卫星 传输方式，根 据不同的传输方式论文完成了救援现场、区间车站和指挥中心三者之间设备 连接、传输的设计。对与以往救援现场内部联系不畅、外部联系通道不足、 现场视频传输缓慢的问题提出了解决方案，满足了铁路应急通信对话音、数 据、静图、动图及视频等各类业务需求。 特别的针对在 IP网络环境下的视频数据传输技术进行了深入探讨，对运 用 H. 264编码技术进行现场视频图像的压缩进行了可行性分析，并以此给出 了在 Linux环境下的实现。同时对传输方案提出了使用应用层 RTP/RTCP协议 进行流传输的设计思路

38、和实现，并对其中 涉及到的 N络自适应、码流自动控 制、M络状态反馈等问题给出了解决方法。 文章最后对接收端完成接收后的数据存储问题进行了分析，对不同的存储 模式进行了比对，并给出了适合本设计的存储方案。 本文的研究工作主要为铁路应急通信的研发提供一定的思路，在实际的应 用中具有一定的价值。此外，其能够为铁路应急抢险工作提供准确及时的信 息，对决策支持、抢险方案制定都有重要的作用。 1. 3. 2论文结构 论文共分为六章，其中第一章介绍了铁路应急通信的发展过程及技术现 状；第二章介绍了铁路应急通信系统涉及到的技术，重点对物理链路的接入 技术进行了分析，对有线、无线、卫星二种接入方案进行了比较，

39、另外对视 频编码、数据传输也进行了相应的介绍；第二章为系统总体设计，首先分析 了系统需求，然后在分析的基础上，提出系统总体实现的功能目标，并完成 了分层分区的架构模型设计，给出了现场、车站及局端接入设备的配置 ;第四 章详细介绍了现场视频图像编码设计、数据传输设计，并进行了 Linux环境 下的实现；第五章针对接收端完成接 收后的数据存储问题进行了分析，对不 冋的存储模式进行了比对，并给出了适合本设计的存储方案；第六聿是结论 及展望部分，阐述了研究结果，并对系统今后发展进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 6页 第二章相关技术与理论 2.1接入技术研究 要同时实现应急抢险现场与指挥

40、中心的语音、数据、视频等多种综合业务， 必须有较高的传输带宽。应急现场的环境与指挥中心以及可能出现的分中心 的环境各不相同，条件也是千差万别，因此需要选用先进的传输手段，保证 通信的畅通。 目前可靠可用的传输方式有有线接入方式、无线接入方式以及卫星接入方式，本节 将对这三种接入方式进行描述和比较。 2. 1.1有线接入方式 在传统的既有铁路沿线部署有通话柱，通过与通话柱的相联可以实现有线 的接入方案。现实环境中可以采用 xDSL技术来完成业务的承载。 xDSL是一种成熟的传输技术，可以在现有的铜质电话线路上采用较高的 频率和相应的调制技术，即利用在模拟线路中加入或者获取更多的数字数据 的 信 号 处 理 技 术 来 获 取 高 速 率 的 传 输 。 xDSL技 术 包 括 了 ADSL, RADSL, VDSL, SD