一種適用于鐵路專用線的數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)

田 川

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

我國現(xiàn)有鐵路專用線無線通信主要采用450 MHz無線列調(diào)和400 MHz模擬對講系統(tǒng)。其中無線列調(diào)通信系統(tǒng)是重要的鐵路行車通信組成部分，號稱列車行車“三大件”之一。它在保證列車正點運行、降低機車能耗、提高線路通過能力、通告險情、防止事故、救援搶險等各方面發(fā)揮著重要作用。

由于現(xiàn)有450 MHz頻段的無線列調(diào)通信系統(tǒng)為模擬制式，存在制式落后、帶寬窄、頻譜利用率低的不足，2013年工信部已發(fā)文明確指出將不再指配450～470 MHz頻段的頻率，該頻段預(yù)留給IMT業(yè)務(wù)未來使用。并停止審批450～470 MHz頻段無線電發(fā)射設(shè)備的型號核準(zhǔn)和型號核準(zhǔn)證書的延期手續(xù)，對于該頻段內(nèi)相關(guān)鐵路用戶引導(dǎo)使用其他頻段。因此，鐵路建設(shè)方將面臨無法采購到具有型號核準(zhǔn)證的450 MHz無線列調(diào)通信設(shè)備和使用450 HMz無線列調(diào)系統(tǒng)的局面。

其次，自2011年1月1號起國家已停止對400 MHz頻段內(nèi)模擬對講機設(shè)備型號的核準(zhǔn)，原鐵道部在2010年也曾發(fā)文要求鐵路各相關(guān)設(shè)臺單位逐步淘汰模擬制式對講機設(shè)備，全面推廣數(shù)字對講機。因此，對于鐵路專用線來說，現(xiàn)有450 MHz無線列調(diào)以及模擬對講系統(tǒng)亟待更新改造，有必要研究采用符合國家和鐵路行業(yè)頻率規(guī)定的數(shù)字無線通信系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 需求分析

對于鐵路專用線無線調(diào)度通信需求而言，并無明確的相關(guān)規(guī)范。不同的專用線,其需求也會有一定的差異，通常是依據(jù)國家鐵路無線列調(diào)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[1]中規(guī)定的列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)的主要功能，或是由專用線運營維護單位提出的其他需求。

鐵路專用線無線調(diào)度通信系統(tǒng)用戶主要包括行車調(diào)度員（調(diào)度臺）、車站值班員（車站臺）、車站助理值班員、機車司機（機車臺）、運轉(zhuǎn)車站（乘務(wù)長）以及沿線維護移動用戶（移動臺）等。系統(tǒng)用戶需完成主要功能如下。

1）語音業(yè)務(wù)（功能）

調(diào)度員按車次號個別呼叫司機并通話，也可對調(diào)度區(qū)段內(nèi)的所有機車全呼、通話并發(fā)布通告；

調(diào)度員采用選站后群呼方式呼叫司機并通話，車站臺占用時，向調(diào)度臺示忙，在緊急情況下，調(diào)度員可優(yōu)先與司機通話；在緊急情況下，機車司機可向調(diào)度員發(fā)出緊急呼叫并通話；

系統(tǒng)應(yīng)滿足調(diào)度員、司機間及車站值班員、司機、助理值班員之間的通話；相鄰車站值班員之間可進行通話；

調(diào)度員、車站值班員、與司機間及與移動用戶的通話,分別由調(diào)度所、車站及機車上的錄音設(shè)備自動錄音。

2）數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（功能）

調(diào)度員向司機發(fā)送調(diào)度指令并顯示，司機向調(diào)度員發(fā)送報告并顯示，非話信息由調(diào)度所設(shè)備和機車設(shè)備分別記錄；

司機呼叫調(diào)度員時，調(diào)度所設(shè)備應(yīng)具有顯示、存儲機車呼入的功能（本地存）；

機車臺、車站臺、調(diào)度所設(shè)備之間應(yīng)具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，具有實時數(shù)據(jù)、短數(shù)據(jù)和報文分包傳送的功能；

系統(tǒng)具有遠程集中監(jiān)測車站臺、調(diào)度所設(shè)備及區(qū)間盲區(qū)覆蓋中繼設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)設(shè)置功能；

系統(tǒng)具有機車出入庫自動檢測和配合場強測試啟動車站臺發(fā)射的功能；機車電臺預(yù)留列尾裝置、DMIS無線車次號校核系統(tǒng)、調(diào)度命令無線傳輸系統(tǒng)等數(shù)據(jù)接口。

1.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

近年來，數(shù)字移動無線通信(Digital Mobile Radio， DMR)技術(shù)是歐洲數(shù)字對講機使用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，多用于專用數(shù)字對講機，現(xiàn)已成為國際數(shù)字對講機的主流標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛的運用，且國際、國內(nèi)眾多產(chǎn)品廠商支持，產(chǎn)品成熟。本文提出一種基于DMR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字無線通信系統(tǒng)，能夠滿足鐵路專用線無線通信需求。

該系統(tǒng)采用DMR數(shù)字體制，基于MOTO的主要DMR硬件平臺，通過軟硬件結(jié)合的方式，主要實現(xiàn)列車調(diào)度的大三角通信（調(diào)度總機、車站值班員、機車司機之間）、小三角通信（車站值班員、機車司機、車長之間），并兼顧其他移動用戶通信業(yè)務(wù)（如工務(wù)、電務(wù)、后勤組通信）。系統(tǒng)采用最新的DMR同頻中繼組網(wǎng)，使呼叫建立更快，并能兼容異頻中繼模式和同頻直通模式，既保證大范圍的無線無縫覆蓋，也能在中繼故障情況下自動同頻直通，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)在調(diào)度中心設(shè)置調(diào)度臺、中心服務(wù)器、JSON服務(wù)器（業(yè)務(wù)服務(wù)器）、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、錄音服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，通過IP網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)。在各車站設(shè)置車站臺、無線終端和基站，每個基站設(shè)置2套數(shù)字中繼臺（無線信道機）為車站以及鐵路沿線提供無線覆蓋，一個信道機用于行車調(diào)度通信，另外一個信道機用于其他移動用戶組通信（如工務(wù)、電務(wù)、后勤等）。中心服務(wù)器作為整個系統(tǒng)的核心控制器并監(jiān)測整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，調(diào)度臺、車站臺、基站中繼臺和錄音服務(wù)器通過IP網(wǎng)絡(luò)在中心服務(wù)器上注冊后，接入系統(tǒng)進行工作。

系統(tǒng)組網(wǎng)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖

沿線基站采用最新技術(shù)的DFR中繼（收發(fā)異頻同步），所有基站接收頻率配置為F4，為了避免同頻干擾按類似模擬無線列調(diào)方式間隔配置F1/F2/F3；所有終端配置為發(fā)射頻率F4，接收頻率配置為F1/F2/F3/F4自動掃頻；當(dāng)終端掃到某個頻率有信號就停留在該頻率接收，否則不斷掃頻。這樣即使系統(tǒng)故障，站端的助理值班員、司機、車長間也可以在直通頻率上應(yīng)急通訊調(diào)度，系統(tǒng)的可靠性得到提高。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)由行車調(diào)度臺、中心服務(wù)器、JSON服務(wù)器、錄音服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、車站臺、模擬單元以及基站組成。各終端通過基站中繼臺向系統(tǒng)進行注冊接入系統(tǒng)。鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1）行車調(diào)度臺

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的行車調(diào)度臺為行車調(diào)度員提供一個圖形化操作界面。在行車調(diào)度臺操作界面上顯示系統(tǒng)中所有設(shè)備的鏈接狀態(tài)和運行狀態(tài)，實時查看終端設(shè)備的狀態(tài)；顯示系統(tǒng)中所有車站信息，以及在每個站下的所有車次信息，并在行車調(diào)度臺地圖界面上實時顯示機車的位置信息；在行車調(diào)度臺操作界面上，行車調(diào)度員可以選擇目標(biāo)進行實時監(jiān)聽，也可以選擇目標(biāo)進行單呼、組呼和大小三角通訊；行車調(diào)度員通過行車調(diào)度臺操作界面，可以查詢系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)信息和錄音文件信息，并進行錄音回放；在操作界面上行車調(diào)度員可以進行調(diào)單編輯和短信息編輯并進行下發(fā)。

2）中心服務(wù)器

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的中心服務(wù)器管理和控制整個系統(tǒng)的運行。維護調(diào)度臺、錄音服務(wù)器、車站臺和基站中繼臺與系統(tǒng)的鏈接，并對注冊入系統(tǒng)的終端進行合法性鑒權(quán)；實時監(jiān)測接入系統(tǒng)的設(shè)備和終端鏈接狀態(tài)和運行狀態(tài)；對系統(tǒng)用戶發(fā)起的呼叫進行仲裁處理（包括調(diào)度臺發(fā)起的呼叫以及終端用戶發(fā)起的呼叫），并將語音數(shù)據(jù)包實時轉(zhuǎn)發(fā)給被呼叫方進行談話放音；將系統(tǒng)中的各用戶發(fā)送的語音數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)信息、短信息、GPS信息和調(diào)單進行存儲。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3）JSON服務(wù)器

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中JSON服務(wù)器主要職責(zé)：調(diào)度臺通過JSON服務(wù)器訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，讀取系統(tǒng)信息。

4）錄音服務(wù)器

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的錄音服務(wù)器主要職責(zé)是：對系統(tǒng)內(nèi)所有用戶的語音通話進行錄音，以便事后檢索和回溯。

5）數(shù)據(jù)庫

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫主要職責(zé)是，存儲系統(tǒng)信息，包括接入系統(tǒng)所有設(shè)備和終端的用戶信息、錄音文件信息、數(shù)據(jù)信息(調(diào)單、短消息)以及終端GPS位置信息等。

6）車站臺

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的車站臺主要職責(zé)是：為車站值班員提供一個操作和管理本站終端的圖形化操作界面。

7）DMR數(shù)字基站

鐵路專用線數(shù)字無線列調(diào)系統(tǒng)中的基站由行車調(diào)度中繼臺、沿線作業(yè)中繼臺以及天饋系統(tǒng)組成，為整個系統(tǒng)提供信號覆蓋；這些數(shù)字基站嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)的DMR協(xié)議，兼容性擴展性好。支持系統(tǒng)移動終端進行連接注冊、語音通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和越區(qū)切換。

3 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

3.1 越區(qū)切換

本系統(tǒng)對于機車越區(qū)切換分兩種工作模式。

1）工作模式一

為了實現(xiàn)機車越區(qū)切換時不掉話，將機車運行所在當(dāng)前站與下一站基站綁定，兩站下行發(fā)送內(nèi)容相同，這樣就能保證機車越區(qū)時不掉話。該模式的優(yōu)點是保證越區(qū)切換時，調(diào)度臺和機車臺之間的通訊不中斷；缺點是在當(dāng)前站發(fā)起大三角通話時，下一站的基站同時被占用，覆蓋區(qū)內(nèi)其他終端通訊呼叫將無法完成。

改進措施是系統(tǒng)不斷檢測機車所處位置，只有當(dāng)機車接近切換區(qū)時發(fā)生大三角通信才將相鄰兩基站綁定，否則不綁定，這樣可提高系統(tǒng)容量。若機車臺呼叫調(diào)度臺過程中發(fā)生越區(qū)切換，重疊區(qū)兩個基站都是能收到上行的信號，系統(tǒng)基于保證通話不斷原則判斷越區(qū)切換；若調(diào)度臺呼叫機車臺過程中發(fā)生越區(qū)切換，由于相鄰兩個基站綁定，下發(fā)的信號相同，越區(qū)切換不掉話；若機車臺靜默狀態(tài)越區(qū)切換，系統(tǒng)基于機車臺不斷發(fā)起的心跳信息及GPS信息判斷越區(qū)切換。

而對于機車臺與車站臺之間的通話不存在越區(qū)切換問題，通話過程中不切換，直到機車駛出當(dāng)前覆蓋區(qū)后再與下一站發(fā)起呼叫；機車臺在靜默狀態(tài)越區(qū)切換，系統(tǒng)根據(jù)心跳和GPS信息判斷越區(qū)切換。

2）工作模式二

該模式不考慮機車臺與調(diào)度臺之間通話的無縫切換問題。當(dāng)前站發(fā)起大三角通話不影響相鄰站，這樣通話容量相對工作模式一更大，缺點是越區(qū)切換時會有短暫掉話，約1 s時間。

調(diào)度臺呼叫機車臺過程中發(fā)生越區(qū)切換，系統(tǒng)基于盡量保證當(dāng)前通話鏈路原則判斷越區(qū)切換，切換中必然會通話中斷，直到下一個基站收到心跳注冊信息或機車臺主動發(fā)起呼叫建立新的鏈路；機車臺呼叫調(diào)度臺過程中，機車臺越區(qū)切換存在短暫的中斷約1 s，不需要機車臺重新發(fā)起呼叫，通話能自動在下一站建立連接；車站臺和機車臺間的通話不存在越區(qū)切換問題，機車駛出當(dāng)前站覆蓋范圍，即斷開與當(dāng)前站的連接自動建立與下一個站的車站臺的連接；機車臺在靜默狀態(tài)越區(qū)切換，系統(tǒng)根據(jù)心跳和GPS信息判斷越區(qū)切換。

3.2 DFR收發(fā)同步基站技術(shù)

本系統(tǒng)基站中繼臺采用DFR收發(fā)同步技術(shù)，相對于普通DMR中繼臺都遵循DMR協(xié)議，不同點是DFR中繼臺收到電臺信號后，在同一頻點（或不同頻點）另一時隙轉(zhuǎn)發(fā)。對于移動終端（機車臺、車長臺、助理值班員臺）工作在自動掃頻模式，掃頻范圍包括附近中繼的下發(fā)頻率和終端間的直通頻率。終端既可以接收其他終端的直通信號，也可以接收中繼臺轉(zhuǎn)發(fā)的信號，自動選擇使用最好的信號。這樣既可以實現(xiàn)通過中繼組網(wǎng)擴大覆蓋范圍和系統(tǒng)管理功能，也能在中繼或系統(tǒng)故障情況下進入應(yīng)急直通模式，大大提高系統(tǒng)工作的可靠性。其示意如圖3所示。

圖3 收發(fā)同步基站技術(shù)

3.3 系統(tǒng)圖形化顯示技術(shù)

調(diào)度臺和車站臺自帶大屏觸摸顯示屏，提高用戶感知親和度，系統(tǒng)采用圖形化顯示，將列車行駛動態(tài)、系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)等信息圖形化顯示在操作大屏上。當(dāng)需要呼叫某機車時，可通過圖形顯示直接點擊呼叫，方便快捷。系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)也可實時顯示在圖形化界面上，當(dāng)某設(shè)備故障時能自動報警并圖形提示。

4 結(jié)語

本文提出的鐵路專用線數(shù)字無線通信系統(tǒng)，能夠較好的滿足鐵路專用線無線調(diào)度通信的需求，可為相關(guān)工程設(shè)計提供參考，系統(tǒng)后續(xù)還將從其他方面進行改進，例如。

1)改進系統(tǒng)越區(qū)切換性能。借助GPS、心跳信息、信號強度等信息，通過運算推斷移動終端當(dāng)前位置，動態(tài)調(diào)整心跳、GPS上報頻率，系統(tǒng)通過專家系統(tǒng)精準(zhǔn)判斷越區(qū)切換最佳點，提高越區(qū)時的用戶感知和可靠性。

2)引入集群處理。對于線路復(fù)雜區(qū)段，行車調(diào)度通信采用基站集群技術(shù)將多信道共享，能夠較大提高信道利用率，使同樣信道數(shù)量下用戶感知的系統(tǒng)容量更大。同時根據(jù)系統(tǒng)信道規(guī)模可以采用駐留信道模式，最大化使用可用信道；也可以采用固定控制信道的集群模式，保證用戶接入時間的一致性。

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