GRE 隧道在地鐵無(wú)線通信傳輸中應(yīng)用

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摘要：為實(shí)現(xiàn)地鐵工程車(chē)智能安全監(jiān)控（ISM）系統(tǒng)對(duì)工程車(chē)冒進(jìn)信號(hào)、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車(chē)擋、列車(chē)沖突等情況的智能化防護(hù)，系統(tǒng)信息、軌旁聯(lián)鎖信息、施工作業(yè)單信息和人員等信息的車(chē)地?zé)o線通信傳輸至關(guān)重要。文章通過(guò)介紹ISM系統(tǒng)對(duì)車(chē)地?zé)o線通信傳輸?shù)男枨?，?duì)比分析多種車(chē)地?zé)o線通信傳輸方式，進(jìn)而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配通用路由封裝（GRE）隧道方案，實(shí)現(xiàn)ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車(chē)地?zé)o線通信傳輸，以滿(mǎn)足安全防護(hù)和監(jiān)控要求。該方案不僅適用于ISM系統(tǒng)，也適用于任意對(duì)數(shù)據(jù)安全有要求的車(chē)輛和設(shè)備。

關(guān)鍵詞：地鐵；ISM系統(tǒng)；車(chē)地?zé)o線通信傳輸；GRE隧道

1引言

隨著地鐵新技術(shù)的發(fā)展以及智能化水平的提高，各地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)地鐵列車(chē)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍诓粩嗵嵘?，如智能運(yùn)維系統(tǒng)、專(zhuān)家系統(tǒng)、車(chē)廂視頻監(jiān)控、司機(jī)行為分析等都對(duì)數(shù)據(jù)的延遲、質(zhì)量、帶寬、安全性和部署成本提出了越來(lái)越高的要求。在這些新技術(shù)試點(diǎn)過(guò)程中，安全、快捷并對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生較小影響的車(chē)地?zé)o線通信方案，逐漸受到各地鐵運(yùn)營(yíng)公司的重視。本文通過(guò)介紹工程車(chē)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)（ISM）對(duì)車(chē)地?zé)o線通信傳輸?shù)男阅苄枨?，?duì)比分析多種車(chē)地?zé)o線通信傳輸方式，進(jìn)而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配通用路由封裝（GRE）隧道的方案，實(shí)現(xiàn)ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車(chē)地?zé)o線通信傳輸，以滿(mǎn)足安全防護(hù)和監(jiān)控要求。

2ISM系統(tǒng)

地鐵工程車(chē)（圖1）主要用于地鐵車(chē)輛段場(chǎng)調(diào)車(chē)作業(yè)、線路施工和養(yǎng)護(hù)、正線突發(fā)事故救援等。由于車(chē)輛段場(chǎng)內(nèi)股道和道岔較多、平行作業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜、調(diào)車(chē)作業(yè)內(nèi)容繁多，如果完全依靠人工控制，難免會(huì)發(fā)生場(chǎng)內(nèi)調(diào)車(chē)作業(yè)冒進(jìn)信號(hào)、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車(chē)擋、列車(chē)沖突等安全事故，而禁止段場(chǎng)內(nèi)并行作業(yè)則會(huì)大幅影響施工效率。ISM系統(tǒng)可對(duì)工程車(chē)冒進(jìn)信號(hào)、異物侵限、擠岔脫軌、沖撞車(chē)擋、列車(chē)沖突等情況進(jìn)行智能化防護(hù)，同時(shí)該系統(tǒng)集成了司機(jī)行為分析、登乘人員人臉識(shí)別和行程記錄儀的功能，從而實(shí)現(xiàn)地鐵工程車(chē)的安全高效運(yùn)作，有利于整體提升城市軌道交通系統(tǒng)的安全和管理水平。ISM系統(tǒng)對(duì)車(chē)地?zé)o線通信傳輸具有較高需求，如何在不影響其他系統(tǒng)的情況下，保證ISM系統(tǒng)可靠獲取軌旁設(shè)備數(shù)據(jù)、信號(hào)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)、吊車(chē)作業(yè)單數(shù)據(jù)和車(chē)輛位置信息等，也成為整個(gè)系統(tǒng)搭建過(guò)程中的難點(diǎn)。

3車(chē)地?zé)o線通信傳輸現(xiàn)狀

目前，地鐵車(chē)地?zé)o線通信傳輸存在多種方式，主要可分為信號(hào)專(zhuān)用的長(zhǎng)期演進(jìn)的通用移動(dòng)通信技術(shù)（LTE）、工務(wù)所使用的泛歐集群無(wú)線電（TETRA）系統(tǒng)、車(chē)地WIFI系統(tǒng)（地鐵移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（MMIS））和移動(dòng)通信4G/5G業(yè)務(wù)等。上述通信傳輸方式均在地鐵的車(chē)地無(wú)線通信傳輸中有所運(yùn)用，出于安全性考慮，除信號(hào)系統(tǒng)專(zhuān)用的LTE通信傳輸方式外其他方式均可適用于ISM系統(tǒng)。車(chē)地?zé)o線傳輸方式情況對(duì)比如表1所示。

4ISM系統(tǒng)無(wú)線通信傳輸帶寬需求分析

根據(jù)ISM系統(tǒng)的功能需求，分析該系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線通信傳輸?shù)捻?xiàng)目、傳輸周期及帶寬需求，如表2所示。由表2可得出ISM系統(tǒng)所需的固定周期帶寬為25kbps，條件觸發(fā)帶寬為8.02Mbps，合計(jì)峰值帶寬為8.04Mbps。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捄脱舆t都提出了較高要求，同時(shí)對(duì)車(chē)地網(wǎng)絡(luò)部署成本、難度及速度方面也有較高要求。通過(guò)對(duì)比表1及表2可以得出以下結(jié)論。（1）TETRA系統(tǒng)1個(gè)時(shí)隙最高帶寬為7.2kbps，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足1臺(tái)工程車(chē)固定周期交互的數(shù)據(jù)量（25kbps），如果按多時(shí)隙建立通道則需固定多個(gè)時(shí)隙給工程車(chē)使用，會(huì)對(duì)TETRA本身的業(yè)務(wù)有較大影響。因此，因TETRA網(wǎng)的傳輸帶寬不能滿(mǎn)足工程車(chē)車(chē)地傳輸帶寬的需求，該方案不能用于本次試點(diǎn)測(cè)試。（2）MMIS系統(tǒng)可根據(jù)需求部署相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，且?guī)捯罂梢詽M(mǎn)足需求，但由于全網(wǎng)包括基地全覆蓋施工成本大、施工周期長(zhǎng)，所以只可以在已部署MMIS系統(tǒng)的線路試點(diǎn)使用。（3）移動(dòng)通信的4G業(yè)務(wù)可以滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的帶寬需求，且只需車(chē)載設(shè)備配屬4G模塊即可實(shí)現(xiàn)通信，具備部署難度低、成本低且迅速的特點(diǎn)，也可滿(mǎn)足科研試點(diǎn)的要求。（4）移動(dòng)通信的5G業(yè)務(wù)與4G業(yè)務(wù)相比，在目前軌道交通車(chē)地?zé)o線通信傳輸中有更高的帶寬與更低的延遲，其余功能基本一致，在綜合考慮成本及使用工況的前提下優(yōu)先考慮4G方式。通過(guò)綜合考慮各種方案的車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)部署難度、成本及局限性，最終選用4G方式作為該系統(tǒng)的車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

5GRE隧道的應(yīng)用

5.1GRE隧道介紹

4G車(chē)地?zé)o線通信方案通過(guò)運(yùn)營(yíng)商既有的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車(chē)地?cái)?shù)據(jù)的傳輸。在考慮數(shù)據(jù)流的安全性、IP地址可控、實(shí)施難度、改造成本和調(diào)試時(shí)間等前提下，又分為網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）直連、常規(guī)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（VPN）和GRE隧道3種方案。GRE是一種常用隧道協(xié)議，是在網(wǎng)絡(luò)上建立直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的一種方法，目的是簡(jiǎn)化單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)之間的連接。其通過(guò)將一個(gè)路由協(xié)議的數(shù)據(jù)包封裝在另一協(xié)議的數(shù)據(jù)包中，通過(guò)私有的“封裝”實(shí)現(xiàn)2個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接的安全性，并可實(shí)現(xiàn)2個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)達(dá)到直連的效果，它適用于各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。針對(duì)3種方案進(jìn)行比選，其比選情況如表3所示。由表3可知，NAT直連方案因安全性最低，故不推薦采納。VPN方案則需在地面數(shù)據(jù)中心額外增設(shè)VPN服務(wù)器，在增加了系統(tǒng)建設(shè)成本的同時(shí)，也無(wú)法固定4G網(wǎng)卡IP地址，增加了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路的規(guī)劃和管理的難度。經(jīng)過(guò)比選，最終采用的GRE隧道方案通過(guò)配屬專(zhuān)用物聯(lián)網(wǎng)卡以替代傳統(tǒng)手機(jī)所使用的SIM卡，其特點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)建立GRE隧道的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)較高的安全性（如物聯(lián)網(wǎng)卡與使用設(shè)備進(jìn)行綁定，如需更換設(shè)備需管理員進(jìn)行授權(quán)），同時(shí)，可以將定制化的固定物聯(lián)網(wǎng)卡IP地址納入集團(tuán)信息網(wǎng)的管理范圍。此外，其只需在車(chē)載端和地面段的接口端進(jìn)行配置即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)通，避免后期ISM系統(tǒng)擴(kuò)容后需額外配置的問(wèn)題。

5.2GRE隧道實(shí)現(xiàn)方式

GRE隧道的具體實(shí)現(xiàn)方式包括以下2種：根據(jù)總體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，對(duì)工程車(chē)終端、地面服務(wù)器及鏈路中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP進(jìn)行規(guī)劃，確認(rèn)終端及物聯(lián)網(wǎng)卡的IP地址；由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在配置卡的時(shí)候，將IP信息存入歸屬位置寄存器（HLR）中，同時(shí)在網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）配置IP路由，分配專(zhuān)用通信傳輸隧道，工程車(chē)終端上線后從HLR中獲得固定IP，通過(guò)GGSN專(zhuān)用隧道與地面服務(wù)器通信。其流程如圖2所示。配置過(guò)程中需地面接口網(wǎng)關(guān)（實(shí)際為防火墻）與運(yùn)營(yíng)商服務(wù)器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行隧道相關(guān)參數(shù)的配置，實(shí)現(xiàn)隧道的搭建和聯(lián)通。而車(chē)載設(shè)備只需配置接入點(diǎn)名稱(chēng)（APN）即可自動(dòng)獲得相應(yīng)的IP和網(wǎng)關(guān)地址，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)入隧道。通過(guò)上述配置即可實(shí)現(xiàn)工程車(chē)終端與地面服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)服務(wù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了私有的“封裝”并通過(guò)專(zhuān)用的隧道到達(dá)地面接口網(wǎng)關(guān)再進(jìn)行解包，解包后的數(shù)據(jù)可以保證兩端的數(shù)據(jù)如同在同一網(wǎng)域直連的效果。數(shù)據(jù)在公網(wǎng)區(qū)域有私有“封裝”和專(zhuān)用通道，而外部的攻擊也因?yàn)闆](méi)有私有“封裝”無(wú)法進(jìn)入相關(guān)終端，所以保證了數(shù)據(jù)的安全性和私密性。同時(shí)，改造只涉及車(chē)載終端增加4G模塊和地面接口網(wǎng)關(guān)與聯(lián)通的隧道調(diào)試，而使用期間的費(fèi)用主要包括流量費(fèi)及物聯(lián)網(wǎng)卡費(fèi)用。

6結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比分析多種車(chē)地?zé)o線通信傳輸方式，進(jìn)而提出物聯(lián)網(wǎng)卡搭配GRE隧道的方案，實(shí)現(xiàn)了ISM系統(tǒng)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的車(chē)地傳輸，以滿(mǎn)足安全防護(hù)和監(jiān)控要求。該方案具有改造成本低、對(duì)設(shè)備需求性能小、設(shè)備部署簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)安全性高等特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)卡的IP固定，以便網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一化管理和部署、防火墻白名單的配置等。同時(shí)，方案不僅可適用于工程車(chē)ISM系統(tǒng)，也可適用于任意對(duì)數(shù)據(jù)安全有要求的老車(chē)和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，還可作為WIFI方案部署完成前的過(guò)渡方案，具有一定的推廣價(jià)值。

作者:張軼 單位:上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海申中軌道交通運(yùn)行安全工程技術(shù)研究有限公司