风、雨、雪等自然灾害、异物侵限及周界入侵对列车运行安全影响巨大，是列车运行事故的主要致因之一。如何最大限度地减少各类自然灾害及侵限对铁路列车运行安全的影响，是我国铁路安全管理长期面临的挑战。尽管我国铁路了采取人防、物防、技防相结合的综合防护手段来保障列车运行安全，尤其是高速铁路线路全封闭，并设置了基于有线传输网络的高速铁路自然灾害与侵限监测系统^[1]，再辅以定期巡查等措施来保障列车运行安全，但由于监测点覆盖面有限、大容量监测信息传输受网络通信条件限制，造成对自然灾害及异物侵限等突发事件的监测能力不足，由自然灾害及异物侵限导致的行车事故仍时有发生。

随着5G通信网络建设日益推进，5G技术应用正在成为各行业技术创新热点^[2-4]，轨道交通领域研究人员对5G技术行业应用进行了许多有益的探索。柴金川^[5]提出5G无线通信技术在轨道交通车地无线传输业务中的应用方案，能够实现车载乘客信息系统多媒体在线分发，车载视频录像及日志自动下载功能，有效提升车载运营服务的自动化、智能化水平。李毅^[6] 从终端、边缘网络、边缘节点和边缘应用4个方面分析铁路5G边缘计算面临的安全威胁，提出适用于铁路MEC安全研究方法和评价指标。祝咏升^[7]结合铁路业务对5G非公共网络组网的需求，基于公网集成非公共网络模式（PNI-NPN），探讨适用于铁路行业的5G公网专用部署方案，提出相应的安全需求。

5G通信具有大带宽、泛连接、高可靠和低时延的技术特点，支持大容量数据和高清视频的实时、高速传输。5G网络是我国新型基础设施建设重点之一，也是铁路下一代移动通信技术的核心，5G网络的建设将极大地提升既有信息系统的信息传输技术条件。为此，加快推进5G通信技术在铁路自然灾害与侵限监测中的应用研究，解决大容量数据采集和报警实时上车传输的难题，为铁路安全防护监测技术水平提升赋能。

1   既有高速铁路自然灾害与侵限监测系统存在的问题

高速铁路自然灾害与侵限监测系统对危及列车运行安全的风、雨、雪及上跨铁路道路桥梁异物侵限进行实时监测，为调度指挥及维护管理提供灾害监测、报警信息，当发生异物侵限报警时，可通过信号系统的联动控制进行紧急处置，有效防止或减少自然灾害、异物侵限及周界入侵对铁路列车运行安全的影响。

目前，既有高速铁路自然灾害与侵限监测系统在朝着灾害环境监测与管控一体化、全面保障铁路运输安全发展的过程中面临着以下主要问题。

1.1   灾害监测功能不完善

受网络传输条件限制，在高速铁路运营期间，难以增加风、雨、雪监测点或对监控点设置位置进行优化，周界入侵、外部环境监测等技术无法开展应用，导致高速铁路沿线自然灾害监测功能不完善^[8]，存在一定的漏检安全隐患。

1.2   灾害信息融合创新面临数据通信瓶颈

为实现高速铁路运营安全监测数字化、信息化、透明化的要求，目前亟需接入高速铁路灾害监测的信息包括有视频、线路周边气象预警、周界入侵报警、外部环境监测等多种信息，由于既有网络存在传输带宽、时延、速率等方面的限制，在灾害信息融合创新面临数据通信瓶颈^[9]，新技术与灾害监测业务融合推进受阻，延缓了高速铁路运营安全监测数字化发展步伐。

1.3   现有车地通信技术不能适应高速铁路安全监测的发展要求

为了在灾害发生时保障列车运行安全，要求能够随时随地将高速铁路沿线的自然灾害与异物侵限报警信息实时上传至运行列车上的监测终端。随着高速铁路运营速度的提升，特别是400 km/h等级高速铁路投入运营后，传统的基于4G的车地移动通信技术已经无法满足高速铁路运行列车对自然灾与异物侵害事件泛在感知的智能化发展要求。

2   基于5G的高速铁路自然灾害与异物侵限监测系统设计

2.1   设计目标

充分利用 5G 通信技术的优势，进一步完善高速铁路自然灾害与异物侵限监测系统，增强高速铁路安全运营保障能力。

2.1.1   实现对高速铁路自然灾害与侵限隐患的全面感知

风、雨、雪等气象灾害具有区域性的特征，同时受地形地貌的影响。另外，铁路列车运行环境监测通常地域分布广，交通不便，人工采样难度大。目前高速铁路自然灾害、异物侵限及周界入侵监测点部署的覆盖面还不够完善。通过 5G 通信技术的应用，针对不同需求在不同的地理位置设置自然灾害、周界入侵、外部环境监测等不同类型监测点，作为既有灾害监测系统的补充，通过固定监测点的传感器采集定点环境信息，结合现有监测手段和技术，实现现场环境灾害信息的大范围感知。

2.1.2   实现基于视频的自然灾害远程核查与风险识别

目前，视频监控技术已成为自然灾害核查、异物侵限与周界入侵的主要技术手段，利用 5G 通信技术，将高速铁路沿线设置的视频监控点采集现场视频图像实时传输至数据中心进行分析处理，使基于视频的自然灾害远程核查与风险识别成为可能。

2.1.3   实现报警信息随时随地实时上车

利用5G通信技术泛连接和低延时特性，可随时随地将自然灾害或异物侵限与周界入侵等突发事件报警信息实时传输至高速铁路运行列车上的监测终端，提醒司机及时采取有效措施。

2.2   系统构成

基于5G的高速铁路自然灾害与异物侵限监测系统（简称：5G高速铁路灾害监测系统）由现场采集设备、现场汇聚及边缘计算设备、监测中心设备、及各类应用终端等构成，并通过数据接口从铁路时间同步系统、综合视频监控系统、综合调度管理系统、气象部门系统等系统通过网络交换获取相关信息，系统构成如图1所示。

图  1  5G高速铁路灾害监测系统构成示意

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2.2.1   现场采集设备

在高速铁路沿线部署风速风向计、雨量计、雪深计、异物侵限监测电网、摄像机、激光雷达等现场采集设备，采集风雨雪及异物侵限、周界入侵监测信息。

2.2.2   现场汇聚及边缘计算设备

在高速铁路沿线5G基站附近部署现场汇聚及边缘计算设备，完成监测数据汇集并生产报警/预警信息，并通过5G网络将报警/预警信息发送至监测中心。

2.2.3   监测中心设备

监测中心设备部署于铁路局集团公司数据中心机房，包括信息处理平台、网络及安全设备、时间同步设备及监测维护终端，接收现场监测数据和报警/预警信息，完成数据集中存储和综合分析，面向各类用户提供报警/预警及监测信息查询服务，并与铁路时间同步系统、综合视频监控系统、综合调度管理系统、气象部门系统互联和进行信息交互。

2.2.4   监测终端

在列车上安装超视距监测终端，在铁路通信、信息、工务、调度部门部署业务监测终端，接收监测中心发出的报警/预警信息，提醒司机和相关业务人员快速反应进行处置。

2.3   架构设计

5G高速铁路灾害监测系统采用多层架构设计，分为应用层、业务服务层、数据层、接口层、接口抽象层5层，逻辑架构如图2所示。

图  2  5G高速铁路灾害监测系统架构示意

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（1）设备接口抽象层：包括对风速风向、雨量、雪深、雷达、视频等数字化现场监测设备接口，继电器监测设备监测接口，服务器设备接口，网络设备监测接口，终端设备监测接口。

（2）接口层：包括现场监测设备接口、综合调度管理系统接口、综合视频监控系统接口、铁路时间同步系统接口、气象部门系统接口等。

（3）数据层：提供对监测数据、报警数据、解除报警数据、控制命令数据、设备数据、基础数据和系统管理数据的集中存储和查询检索。

（4）业务服务层：包括规则引擎服务、客户端框架、数据访问服务、数据协议和格式转换服务、数据订阅/发布服务、数据传输服务、数据缓存服务、数据有效性及报警判定服务、事件订阅/注销服务，功能订阅/注销服务。

（5）应用层功能：提供面向不同用户的应用功能，包括大风监测报警、雨量监测报警、雪深监测报警、异物侵限监测报警、周界入侵及周边环境监测、设备状态监测、系统管理等。

2.4   功能设计

5G高速铁路灾害监测系统实时监测铁路沿线风雨雪等自然灾害和入侵（异物或人员非法入侵）信息，具备灾害自动监测、边缘计算、报警管理、查询统计、系统管理，系统功能层次结构如图3所示。

图  3  系统功能层次结构

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2.4.1   自动监测

（1）风速雨量雪深监测：通过在高速铁路沿线设置风速计、雨量计、雪深计，实时采集现场环境风速、雨量和雪深并发送至监测中心，在监测终端实时显示铁路沿线风速、雨量、雪深。

（2）异物侵限监测：通过在高速铁路沿线公路跨交铁路等处所设置异物侵限监测电网，实时采集现场异物侵限状态并发送至监测中心，在监测终端实时显示铁路沿线异物侵限状态。

（3）周界入侵监测：通过在高速铁路沿线布设激光雷达、摄像机，实时采集现场周界入侵状态和视频图像，在汇集及边缘计算节点进行入侵报警识别，将报警信息发送至监测中心，在监测终端实时显示铁路沿线周界入侵状态和报警信息。

2.4.2   边缘计算

（1）监测信息处理：对采集的风雨雪及侵限监测信息进行数据预处理，包括监测数据质量控制、报警信息生成。

（2）报警研判：利用视频智能识别算法对铁路沿线重点区段、隧道口等处所异物侵限报警评判，将报警信息上传至监测中心。

2.4.3   报警管理

（1）自动报警：对现场监测数据实时智能分析和综合评判，当周界入侵、异物侵限或风雨雪监测数据超过报警阈值时自动报警，在终端以图形、声音的方式提醒值班人员对报警事件予以关注。

（2）报警设置：系统管理员在维护终端设置现场监测点的报警阀值、限速/停车区间等报警参数。

（3）报警解除：当现场恢复正常后能够解除报警状态。

2.4.4   查询统计

（1）监测信息查询：实时统计各监测点报警的数量，生成各监测点报警统计表，以图表、曲线方式，提供各监测点的日报、周报、月报、年报；提供对历史监测信息的统计查询功能，以图表、曲线方式显示历史数据查询结果，并提供查询结果文件的输出和打印功能。

（2）报警信息查询：提供设备故障报警信息的统计查询功能。

（3）操作日志查询：提供用户操作日志的历史查询功能。

2.4.5   系统管理

（1）设备状态监测：实时监测现场采集设备、监控单元、服务器、网络的工作状态，以文字、图形、图标形式显示监控单元机柜各层单板状态；设备故障时实时生成设备故障报警信息。

（2）人员权限管理：进行系统功能模块和账号权限配置，并记录系统登录、修改等操作日志。

3   关键技术

3.1   基于5G的现场灾害监测数据安全接入技术

灾害监测系统数据接入列车控制等多个铁路内部系统，要求达到三级网络安全等级保护要求。公网5G接入安全由5G核心网关（UPF，User Plane Function）与铁路外网接入边界的安全防护和铁路外网与铁路生产内网的安全数据交换平台2部分组成。其中，铁路外网接入边界又划分为网络传输接入边界与业务接入边界。

网络传输接入边界是对网络层的隔离与防护，在网络边界部署新一代边界安全栈，提供第二代防火墙（NGFW，Next Generation Firewall）的安全防护能力，并可跟据业务需要开启虚拟化Web应用防火墙、安全套接字层虚拟专用网络（SSL VPN，Secure Socket Layer Virtual Private Network）等安全防护能力。为公网5G业务提供入侵防护、Web应用防护、漏洞扫描和虚拟专用网络（VPN，Virtual Private Network）数据加密的功能。

业务接入边界是对业务层5G终端与用户的认证与安全防护，确保通过5G公网接入铁路内网的5G设备的操作人员身份可信和行为可信。

依托铁路局集团有限公司内外网数据交换平台提供的数据交换、访问控制、安全检测、安全审计等能力，为部署在铁路内网的业务系统提供与公网5G终端应用之间进行安全数据交换。

3.2   基于5G的车地数据传输技术

车载终端通过有线方式连接车载Wi-Fi系统列车服务器，或通过车载综合无线传输系统的车载传输设备，利用其网络通道连接车载天线，进而接入5G公网。车载终端采用5G模块（车内天线）接入5G公网，通过部署在武清主数据中心的铁路网络安全平台实现内外网交互。在武清主数据中心内服网、外服网分别部署相应的接口服务器，部署在武清外服网的车地接口服务器通过防火墙策略接入互联网，车载终端通过车载Wi-Fi系统或车载传输设备连接车顶天线接入5G公网，实现车地通信，如图4所示。

图  4  基于5G的车地数据传输技术

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4   结束语

针对铁路沿线气象、周界入侵、异物侵限及周边环境监测存在问题和大容量视频数据实时传输需求，提出了基于5G的高速铁路自然灾害与侵限监测系统方案，对异物侵限和周界入侵监测数据的处理采用边缘计算技术，实现限界入侵的快速判识；采用5G地—车传输技术，能够将自然灾害、异物侵限及周界入侵监测信息实时传输至车载监测终端，有效提升高速铁路列车运行安全防护水平。