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中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司焦建鋒，龐勇，謝谷陽

1　引言

隨著數(shù)字化浪潮席卷各行業(yè)，重載鐵路的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為提升綜合競(jìng)爭(zhēng)力、滿足日益增長(zhǎng)運(yùn)輸需求的核心路徑。在這一轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，云計(jì)算與邊緣計(jì)算的協(xié)同應(yīng)用嶄露頭角，成為推動(dòng)重載鐵路技術(shù)革新的關(guān)鍵力量。

重載鐵路的運(yùn)營(yíng)環(huán)境極為復(fù)雜，涵蓋長(zhǎng)距離線路、多樣地形地貌以及大量分散的設(shè)備設(shè)施。車地通信、機(jī)車通信和地面通信等各類業(yè)務(wù)不僅數(shù)據(jù)量龐大，而且對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求近乎苛刻。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與計(jì)算模式在處理這些復(fù)雜業(yè)務(wù)時(shí)，逐漸暴露出響應(yīng)遲緩、數(shù)據(jù)傳輸壓力大等弊端，難以滿足重載鐵路高效、安全運(yùn)營(yíng)的需求[1]。

云計(jì)算憑借強(qiáng)大的計(jì)算能力、海量存儲(chǔ)和靈活的資源調(diào)配優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)χ剌d鐵路產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和處理，為運(yùn)輸調(diào)度、設(shè)備維護(hù)等提供精準(zhǔn)決策支持。邊緣計(jì)算則靠近數(shù)據(jù)源和用戶終端[2]，具備低時(shí)延、高帶寬的特性，可在本地快速處理設(shè)備數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)，保障實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的高效運(yùn)行。將二者協(xié)同應(yīng)用于重載鐵路領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建更為智能、高效的鐵路運(yùn)輸體系[3]。

以朔黃鐵路為代表，其率先開展的相關(guān)實(shí)踐已取得顯著成效。深入剖析朔黃鐵路中云計(jì)算與邊緣計(jì)算的協(xié)同應(yīng)用案例，不僅能為朔黃鐵路自身的持續(xù)優(yōu)化升級(jí)提供有力依據(jù)，還能為其他重載鐵路的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)，助力整個(gè)重載鐵路行業(yè)在智能化發(fā)展道路上邁出堅(jiān)實(shí)步伐。

2　重載鐵路的5G場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求

常見的重載鐵路沿線的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信的需求可見表1。

表1 常見重載鐵路典型業(yè)務(wù)需求表

未來的鐵路通信應(yīng)提供更可靠的無線覆蓋，包括沿鐵路線的連續(xù)廣域覆蓋、鐵路場(chǎng)站和熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋、鐵路地面基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控，以及為智能列車提供的寬帶智能應(yīng)用。重載鐵路沿線存在橋梁、山區(qū)、隧道等復(fù)雜場(chǎng)景，不同場(chǎng)景導(dǎo)致無線通信的信道特性差異很大，這給5G通信的性能帶來了新的挑戰(zhàn)。

從業(yè)務(wù)需求角度出發(fā)，信號(hào)覆蓋、熱點(diǎn)增強(qiáng)及帶寬滿足是重載鐵路5G通信建設(shè)的關(guān)鍵步驟，而這背后都離不開高效的數(shù)據(jù)處理與傳輸技術(shù)支持。5G通信與云計(jì)算、移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）的結(jié)合正是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的重要技術(shù)手段。

3　重載鐵路MEC邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景

如圖1所示，重載鐵路場(chǎng)景的MEC自下而上地從承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、運(yùn)維平臺(tái)、生產(chǎn)場(chǎng)景應(yīng)用等四個(gè)層次來構(gòu)建完整的邊緣計(jì)算服務(wù)。

圖1 重載鐵路MEC邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

3.1　MEC助力承載網(wǎng)高效傳輸

基于電信“骨干+省內(nèi)”兩級(jí)承載網(wǎng)，合理利用4G傳輸資源，構(gòu)建“總部+各省”的星形網(wǎng)絡(luò)，通過MPLS-VPN、IPRAN專線，實(shí)現(xiàn)用戶信令及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)高安全、高隔離、高可靠的傳輸，同步實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的差異化調(diào)度。

圖2 以朔黃鐵路為例的跨省5G專網(wǎng)承載網(wǎng)建設(shè)示意圖

圖2以朔黃鐵路為例，其充分利用朔黃自有承載網(wǎng)，在四省與電信STN分別對(duì)接，各省市地區(qū)的自有5GC遵照就近原則接入大網(wǎng)5GC和基站，從而提高傳輸效率緩解承載網(wǎng)輸送負(fù)荷[4]，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)低時(shí)延傳輸，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)靈活本地分流。承載網(wǎng)中通過RAN和EPC兩個(gè)VPN對(duì)業(yè)務(wù)流量和信令進(jìn)行邏輯隔離，保證客戶數(shù)據(jù)安全性。同時(shí)流量和信令均匯聚在總部全量5GC上，由總部進(jìn)行統(tǒng)一管理和簽約。

3.2　MEC賦能核心網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)跨省市的組網(wǎng)問題，我們提出“總部集約管理、分省就近接入、高度自主運(yùn)營(yíng)、多級(jí)可靠保障”的一張統(tǒng)一5G專網(wǎng)核心網(wǎng)。該核心網(wǎng)采用5GC全下沉式的高隔離專享網(wǎng)絡(luò)，而并非僅僅將UPF網(wǎng)元下沉，在保證了業(yè)務(wù)高可靠、高穩(wěn)定性的同時(shí)，支持向未來5G-R網(wǎng)絡(luò)私有頻率運(yùn)營(yíng)平滑演進(jìn)。

5GC全下沉模式的業(yè)務(wù)控制面部署在專網(wǎng)而非大網(wǎng)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求在專網(wǎng)進(jìn)行定制化功能研發(fā)，高效支持創(chuàng)新業(yè)務(wù)研發(fā)。從安全的角度上考慮，它與5G公網(wǎng)完全物理隔離，自帶專網(wǎng)安全產(chǎn)品，不需要邊界安全設(shè)備，同時(shí)具備異地容災(zāi)能力，業(yè)務(wù)可靠性極高。

圖3 以朔黃鐵路為例的跨省5G專網(wǎng)核心網(wǎng)建設(shè)示意圖

如圖3所示，以朔黃鐵路為例，其采取“總部+分省”的分布式架構(gòu)。該架構(gòu)在河北總部下沉全量5GC網(wǎng)元（包含UDM、PCF、AUSF）[5]，實(shí)現(xiàn)用戶開卡、用戶鑒權(quán)、策略控制的總部集約式管理；在天津、山東、山西各省下沉輕量化5GC，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)就近接入，在本地靈活分流，以此來保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延。省與省之間實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)跨省無縫漫游，確保了業(yè)務(wù)的連續(xù)性，在保障核心功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化、低成本以及本地簡(jiǎn)化運(yùn)維。

核心網(wǎng)側(cè)能夠提供較快的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，但如果依賴核心網(wǎng)側(cè)處理大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，會(huì)直接影響到時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)的傳輸質(zhì)量。僅僅下沉計(jì)算資源的方式，在一定程度上解放了通信網(wǎng)絡(luò)資源，但依然存在迂回路由，無法有效降低時(shí)延，浪費(fèi)回傳帶寬。將部分業(yè)務(wù)功能部署在本地MEC上，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域化的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析，保障時(shí)延敏感性業(yè)務(wù)就近接入[6]。

3.3　MEC協(xié)同云計(jì)算的全云化定制網(wǎng)

更進(jìn)一步地，通過如圖4所示的統(tǒng)一云網(wǎng)底座的全云化定制網(wǎng)，將計(jì)算資源與網(wǎng)絡(luò)能力協(xié)同下沉，使得邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)分析處理，時(shí)延敏感應(yīng)用數(shù)據(jù)直接在本地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)處理。

圖4 基于統(tǒng)一云網(wǎng)底座的全云化定制網(wǎng)架構(gòu)示意圖

基于輕量級(jí)云網(wǎng)底座，將MEC邊緣計(jì)算與云化網(wǎng)元協(xié)同部署，同時(shí)開放本地化運(yùn)維與管理功能。通過服務(wù)門戶，鐵路運(yùn)維人員能夠便捷地對(duì)服務(wù)器、交換機(jī)和防火墻等設(shè)備進(jìn)行管理，對(duì)虛擬機(jī)的生命周期進(jìn)行操作，對(duì)各類資源進(jìn)行合理編排。性能監(jiān)控中心則實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線物理設(shè)備的全面納管，包括對(duì)軌道監(jiān)測(cè)設(shè)備、供電設(shè)備等的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，向運(yùn)維人員提供鐵路終端設(shè)備納管、鐵路系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)通告警及智能巡檢等功能，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)異常等問題，保障重載鐵路的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4　MEC統(tǒng)籌智能管控?cái)?shù)字化平臺(tái)

為支持重載鐵路沿線各省市的5G專網(wǎng)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)“可管、可視、可運(yùn)維”，本方案提供一套網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)深度融合、業(yè)務(wù)智能決策的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化平臺(tái)。

融合MEC的數(shù)字化平臺(tái)具備網(wǎng)絡(luò)智能管理、業(yè)務(wù)智能分析、終端統(tǒng)一納管等功能，同時(shí)兼顧了邊緣算力的靈活拓展。網(wǎng)絡(luò)管理模塊不僅支持5G網(wǎng)絡(luò)，還支持PON（無源光網(wǎng)絡(luò)）以及Wi-Fi等多種不同類型的網(wǎng)絡(luò)的接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些多樣化網(wǎng)絡(luò)的集中調(diào)控、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及配置優(yōu)化。

圖5 以朔黃鐵路為例的跨省5G專網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)字化平臺(tái)基于主流架構(gòu)方案，采用分層架構(gòu)、微服務(wù)架構(gòu)、事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，將系統(tǒng)劃分為不同的層次，以實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)分離并降低模塊之間的耦合度。該平臺(tái)基于自研智能采控引擎，支持多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議接口，兼容多廠商網(wǎng)管平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及智能終端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，提供跨廠商資源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、多層級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理；其基于實(shí)時(shí)、離線數(shù)據(jù)處理方式，通過指標(biāo)構(gòu)建、多維分析的方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理，配套智慧大屏進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控展示；其采用任務(wù)調(diào)度、實(shí)時(shí)指令下發(fā)的方式，對(duì)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定期維護(hù)、實(shí)時(shí)調(diào)控。同時(shí)，該平臺(tái)以邊緣探針、CPESDK、性能指標(biāo)測(cè)量、告警故障分析等輔助手段，關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)報(bào)文解析、隧道報(bào)文解析和用戶面信令面的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連接級(jí)的路徑還原，并輔助業(yè)務(wù)流識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)鐵路故障定位定界，便于鐵路管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)排查相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

3.5　MEC集成通用接口能力

MEC平臺(tái)除了提供輕量的能力承載基礎(chǔ)設(shè)施和穩(wěn)定靈活的網(wǎng)絡(luò)接入能力之外，如圖6所示，還提供統(tǒng)一的北向服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)，助力朔黃輕松引入新應(yīng)用、新服務(wù)，無需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模修改，可以支持更靈活的業(yè)務(wù)加載和更復(fù)雜的生產(chǎn)場(chǎng)景覆蓋[17]，為重載鐵路提供了全面的數(shù)字化轉(zhuǎn)型解決方案。

圖6 MEC集成通用接口能力示意圖

例如，充分統(tǒng)籌物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，該平臺(tái)構(gòu)建了可實(shí)現(xiàn)智能化推演、小型化組裝、模塊化增減、集成化管理及應(yīng)用的機(jī)車車輛關(guān)鍵部件健康狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。車載檢測(cè)系統(tǒng)和部件應(yīng)用北斗、5G、星閃等現(xiàn)代先進(jìn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層數(shù)據(jù)高效無線通信。該系統(tǒng)應(yīng)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，嵌入底層算法，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件及系統(tǒng)故障檢測(cè)和壽命預(yù)警，精準(zhǔn)指導(dǎo)機(jī)車車輛檢修運(yùn)維。該系統(tǒng)面向影響重載貨車運(yùn)營(yíng)的痛點(diǎn)、難點(diǎn)問題，挖潛影響安全及運(yùn)輸效率的關(guān)鍵因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握機(jī)車車輛健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)影響安全故障實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)研判、實(shí)時(shí)處理，保障了重載運(yùn)輸安全，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件壽命預(yù)測(cè)、檢修研判、計(jì)劃處理，提高了重載運(yùn)輸效率。

4　結(jié)語

在重載鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中，云計(jì)算與邊緣計(jì)算的協(xié)同應(yīng)用成為提升鐵路運(yùn)輸效率、保障運(yùn)輸安全的核心驅(qū)動(dòng)力。本文以朔黃鐵路為切入點(diǎn)，深度剖析二者協(xié)同在重載鐵路場(chǎng)景下的創(chuàng)新實(shí)踐。

面對(duì)重載鐵路復(fù)雜多樣的業(yè)務(wù)需求，如車地通信、機(jī)車通信及地面通信等，云計(jì)算與邊緣計(jì)算緊密協(xié)作。

在核心網(wǎng)架構(gòu)方面，采用“總部集約管理、分省就近接入”的5GC全下沉式架構(gòu)，邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)區(qū)域化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，減少業(yè)務(wù)時(shí)延；云計(jì)算則負(fù)責(zé)集中式管理與資源調(diào)配，保障核心網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，支持業(yè)務(wù)創(chuàng)新研發(fā)。統(tǒng)一云網(wǎng)底座實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同計(jì)算，基于輕量級(jí)云網(wǎng)底座，邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)采集處理鐵路沿線設(shè)備數(shù)據(jù)，如軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)等，云計(jì)算提供大規(guī)模存儲(chǔ)與深度數(shù)據(jù)分析能力，二者協(xié)同完成對(duì)海量數(shù)據(jù)的高效處理，保障鐵路系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

在承載網(wǎng)建設(shè)上，通過構(gòu)建“總部+各省”的星形網(wǎng)絡(luò)，利用電信兩級(jí)承載網(wǎng)和朔黃自有承載網(wǎng)，邊緣計(jì)算負(fù)責(zé)本地?cái)?shù)據(jù)分流與傳輸優(yōu)化，云計(jì)算則保障數(shù)據(jù)在廣域網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸與統(tǒng)一管理。融合MEC的智能管控?cái)?shù)字化平臺(tái)，借助云計(jì)算的強(qiáng)大存儲(chǔ)和計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的深度分析與挖掘，通過邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和終端的實(shí)時(shí)管理與控制，達(dá)成網(wǎng)絡(luò)“可管、可視、可運(yùn)維”。

未來，隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，云計(jì)算與邊緣計(jì)算在重載鐵路領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用將不斷深化。一方面，二者的協(xié)同將助力打造更多“5G+產(chǎn)業(yè)深度融合”的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)重載鐵路智能化發(fā)展；另一方面，針對(duì)車地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵業(yè)務(wù)，二者將進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸性能，研究提高數(shù)據(jù)傳輸完整性、穩(wěn)定性和可靠性的技術(shù)，滿足重載鐵路日益增長(zhǎng)的數(shù)字化需求，為鐵路運(yùn)輸行業(yè)的變革注入持久動(dòng)力。

作者簡(jiǎn)介：

焦建鋒（1981-），男，北京人，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，研究方向?yàn)檫吘売?jì)算，包含工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等。

龐　勇（1984-），男，江蘇南京人，系統(tǒng)分析師，現(xiàn)就職于中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，研發(fā)方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)、云網(wǎng)融合。

謝谷陽（1998-），男，江蘇南京人，研發(fā)工程師，現(xiàn)就職于中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，研發(fā)方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)、DPI技術(shù)。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2025年2月刊