基于GSM-R的無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)研究

宋 鋼

無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng) (Shunting Train Protection，簡稱STP)采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)了機車和地面間站場信號開放狀態(tài)、調(diào)車機運行狀態(tài)、調(diào)車作業(yè)計劃等信息的雙向數(shù)據(jù)傳輸，并通過列車運行監(jiān)控記錄裝置 (LKJ)有效解決了調(diào)車機冒進信號、超速運行等安全防護問題。其中無線通信傳輸子系統(tǒng)是STP系統(tǒng)的重要組成部分，其傳輸質(zhì)量直接影響著系統(tǒng)運用的安全性和穩(wěn)定性。

1 STP無線傳輸方式現(xiàn)狀分析

目前國有鐵路應(yīng)用的STP系統(tǒng)普遍采用數(shù)傳電臺作為車載設(shè)備和地面設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信子系統(tǒng)。數(shù)傳電臺具有網(wǎng)絡(luò)延時小、實時性高等優(yōu)點，但同時也存在著許多不足之處。

1.實際傳輸距離受站場地形、環(huán)境等影響較大，往往不能完整覆蓋調(diào)車機作業(yè)范圍，站場內(nèi)存在多個通信盲區(qū)。如調(diào)車機進入太原站無柱雨棚下，因信號減弱經(jīng)常會自動退出調(diào)車監(jiān)控模式。

2.工作頻段易受不明非法信號干擾，影響調(diào)車機正常作業(yè)。如臨汾站因信號干擾已更換2次無線頻點，但在不確定的時間段，仍有干擾信號影響。

3.數(shù)傳電臺僅支持半雙工通信，如果站場內(nèi)同時有多臺調(diào)車機車作業(yè)，電臺輪詢一遍所有機車車載臺周期較長。

4.為了減少建筑物、樹木等對無線信號的影響，以及受站場和信號樓位置影響，往往需要架設(shè)無線鐵塔、敷設(shè)信號饋線，工程實施及維護難度大、成本高。

5.室外天線的架設(shè)，加大了設(shè)備遭受雷害的概率，對設(shè)備防雷設(shè)施又提出了更高要求。

2 基于GSM-R無線傳輸?shù)膬?yōu)勢

GSM-R網(wǎng)絡(luò)是專門為鐵路通信設(shè)計的綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)，是我國鐵路移動通信的發(fā)展方向。GSM-R系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)無線列調(diào)系統(tǒng)信道資源緊張、樞紐地區(qū)同頻干擾嚴(yán)重等缺陷，在提高調(diào)度指揮等語音通信質(zhì)量的同時，能夠為鐵路運輸提供高度可靠、高度安全、快速接入的數(shù)據(jù)傳輸通道。目前，全路范圍內(nèi)已經(jīng)陸續(xù)開通了多條線路的GSM-R系統(tǒng)，尤其是太原局管內(nèi)大秦、北同蒲、太中銀線以及大同、太原、榆次樞紐已實現(xiàn)了GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋，石太、侯西等線也將于2014年實現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋。同時，GSM-R網(wǎng)絡(luò)在大秦線2萬噸重載組合列車機車同步操控系統(tǒng)及CTCS-3級列控系統(tǒng)的成功應(yīng)用，也為基于GSM-R無線傳輸?shù)腟TP系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

1.GSM-R網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、通信質(zhì)量可靠等特點，可有效解決既有數(shù)傳電臺傳輸距離短、易受外界環(huán)境干擾等方面的不足，可為STP提供高質(zhì)量、遠距離的車-地數(shù)據(jù)傳輸，提高整個STP的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。

2.GSM-R網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)STP系統(tǒng)車-地設(shè)備間點對點全雙工通信模式，解決數(shù)傳電臺只能采用輪詢方式效率較低、實時性差的問題。

3.基于GSM-R無線傳輸?shù)腟TP系統(tǒng)可突破《無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件 (暫行)》中關(guān)于“該系統(tǒng)最多適應(yīng)5臺機車在同一車站同時調(diào)車作業(yè)”的限制。

3 基于GSM-R的STP無線傳輸系統(tǒng)組成

基于GSM-R的STP無線傳輸子系統(tǒng)由無線傳輸單元 (RTM)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)交換中心(DSC)共同組成，如圖1所示。

圖1 基于GSM-R的STP無線傳輸子系統(tǒng)

1.無線傳輸單元 (RTM)通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與STP系統(tǒng)的車載主機連接，是實現(xiàn)STP系統(tǒng)車載設(shè)備接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)的終端接入設(shè)備，負責(zé)注冊并接入到GSM-R網(wǎng)絡(luò)，完成電路交換數(shù)據(jù)鏈路 (CSD)的建立。

STP車載設(shè)備上電完成初始化后建立與RTM的TCP/IP連接，并每2 s向RTM發(fā)送一幀握手請求數(shù)據(jù)，RTM收到該數(shù)據(jù)后發(fā)送握手確認數(shù)據(jù)。如果STP車載設(shè)備超過7 s未接收到握手確認數(shù)據(jù)，則重新建立與RTM的TCP/IP連接。

2.地面數(shù)據(jù)交換中心 (DSC)通過鐵路專用傳輸網(wǎng)絡(luò)與各車站STP系統(tǒng)地面設(shè)備連接，采用PRI接口與GSM-R網(wǎng)絡(luò)移動交換中心 (MSC)連接，負責(zé)接收無線傳輸單元 (RTM)的電路數(shù)據(jù)呼叫，并把RTM發(fā)來的數(shù)據(jù)通過鐵路專用傳輸網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)車站的STP地面設(shè)備，同時把STP地面設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)機車的RTM。地面數(shù)據(jù)交換中心 (DSC)主要由PRI接口單元、轉(zhuǎn)發(fā)單元、車站接口單元、監(jiān)測記錄單元和管理單元5部分組成。

STP地面設(shè)備上電完成初始化后建立與DSC的TCP/IP連接，然后每2 s向DSC發(fā)送一幀握手請求數(shù)據(jù)，DSC收到該數(shù)據(jù)后發(fā)送握手確認數(shù)據(jù)。如果STP地面設(shè)備超過7 s未接收到握手確認數(shù)據(jù)，則重新建立與DSC的TCP/IP連接。

3.GSM-R網(wǎng)絡(luò)為STP系統(tǒng)提供從車載設(shè)備到地面設(shè)備之間的雙向透明數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)地面設(shè)備和多臺車載設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。GSM-R系統(tǒng)通信方式采用點對點電路連接，當(dāng)有多臺調(diào)車機車同時作業(yè)時，根據(jù)STP需求為地面設(shè)備與每臺機車設(shè)備分別建立CSD連接，通信速率為9 600 b/s。

4 無線通信建立與斷開流程

根據(jù)STP系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，車載設(shè)備只有在接收到地面設(shè)備發(fā)送來的站場廣播信息后，才能申請入網(wǎng)，因此在申請入網(wǎng)前要建立車載與地面設(shè)備的無線通道。同時為了節(jié)省GSM-R的信道資源，車載設(shè)備在停止工作時，要斷開車載與地面設(shè)備的無線通道。基于GSM-R的STP無線傳輸子系統(tǒng)由STP車載設(shè)備負責(zé)控制RTM與DSC設(shè)備間電路交換數(shù)據(jù)鏈路 (CSD)的建立和斷開。

4.1 通信建立

1)如圖2所示，各個車站的地面設(shè)備周期性地通過鐵路專用傳輸網(wǎng)絡(luò)向DSC發(fā)送站場廣播數(shù)據(jù)。

2)車載設(shè)備上電完成初始化后，向RTM發(fā)送與DSC建立CSD鏈接的請求，RTM接收到該請求，與DSC建立安全鏈接，并在非主動斷開的情況下，保持該鏈接。

3)車載設(shè)備在乘務(wù)員輸入站號或機車壓過列車應(yīng)答器的情況下，通過RTM向DSC發(fā)送包含標(biāo)識站號的邏輯通道建立請求;DSC接收到通道建立請求，為該車載設(shè)備建立邏輯通道，并把相應(yīng)車站的站場廣播信息轉(zhuǎn)發(fā)給車載設(shè)備。

圖2 STP系統(tǒng)車-地通信建立流程

4.2 通信斷開

1)如圖3所示，車載設(shè)備在乘務(wù)員進行人工注銷或機車壓過列車注銷應(yīng)答器時向車站地面設(shè)備發(fā)送機車退網(wǎng)請求。

2)車載設(shè)備在接收到地面設(shè)備發(fā)送的退網(wǎng)成功回執(zhí)后，向RTM發(fā)送斷開CSD鏈接請求。

3)RTM接收到斷開請求后，中斷與DSC的安全通信鏈接，同時DSC刪除車載設(shè)備與車站的邏輯通道。

圖3 STP系統(tǒng)車-地通信斷開流程

5 STP系統(tǒng)發(fā)展展望

基于GSM-R的無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)已通過現(xiàn)場試驗驗證，車-地間無線通信的時延和穩(wěn)定性滿足了《無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求，并進一步提升了STP系統(tǒng)的實時性、可靠性。GSM-R網(wǎng)絡(luò)在STP系統(tǒng)的應(yīng)用也為調(diào)度集中 (CTC)區(qū)段實施STP系統(tǒng)提供了新的思路:在CTC中心安裝一套或多套大容量STP地面處理系統(tǒng)，并與CTC中心系統(tǒng)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)移動交換中心 (MSC)連接，取消CTC區(qū)段內(nèi)每個車站的STP地面設(shè)備，可實現(xiàn)一臺或多臺調(diào)車機在CTC區(qū)段任一車站的無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控，可實現(xiàn)列車調(diào)度員對調(diào)車機作業(yè)過程中的全程監(jiān)控。

［1］ 運基信號［2004］73號.無線調(diào)車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)條件(暫行)［S］.鐵道部運輸局，2004.

［2］ 科技運［2008］168號.CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范(V1.0)［S］.鐵道部科技司，2008.

［3］ 科技運［2009］19號.CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口規(guī)范(V1.0)［S］.鐵道部科技司，2009.

［4］ 科技運［2007］139號.GSM-R數(shù)字移動通信應(yīng)用技術(shù)條件第六分冊:機車同步操控信息傳送系統(tǒng)(V1.0).鐵道部科技司，2007.