新型數(shù)字化語音實時監(jiān)控平調(diào)系統(tǒng)的組成及技術(shù)應(yīng)用

薛陽陽，吳宇航，廖席沆

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2.中國鐵路成都局集團有限公司興隆場車站，重慶 400020）

1 概述

作為現(xiàn)代鐵路調(diào)車作業(yè)的基礎(chǔ)通信信號設(shè)備，平面調(diào)車設(shè)備的發(fā)展與升級對整個鐵路運輸行業(yè)的效率提升具有直接影響。從目前國內(nèi)市場現(xiàn)有的平面調(diào)車設(shè)備來看，鐵路無線調(diào)車燈顯設(shè)備由調(diào)車機車控制器（以下簡稱機控器）、調(diào)車區(qū)長臺（以下簡稱區(qū)長臺）、調(diào)車手持臺（以下簡稱手持臺）和附屬設(shè)備組成[1]。用于輔助調(diào)車人員完成大型編組站、區(qū)段站的貨（客）運車站進行列車的解體、編組、取送、摘掛等一系列調(diào)車作業(yè)任務(wù)。無線調(diào)車燈顯設(shè)備是一整套功能完備的調(diào)車電臺集群設(shè)備，主要用于車站平面調(diào)車作業(yè)時的信令發(fā)送和語音通信對講。一般來講一個基本的調(diào)車組構(gòu)成主要有以下人員角色：運轉(zhuǎn)室值班員、調(diào)車機主/副司機、調(diào)車長、制動員一號、二號，分別對應(yīng)操控的調(diào)車燈顯設(shè)備為：區(qū)長臺、固定（便攜）式機控器、調(diào)車長手持臺、制動員手持臺。

運轉(zhuǎn)室值班員通過觀察聯(lián)鎖系統(tǒng)實時線路信號燈狀態(tài)，確保調(diào)車作業(yè)轉(zhuǎn)場等過程的行進安全，有序指揮現(xiàn)場執(zhí)行調(diào)車任務(wù)。

調(diào)車機司機通過連接在機車LKJ運監(jiān)接口的機控器和室內(nèi)值班員及地面調(diào)車長、制動員保持語音溝通，并根據(jù)機控器接收到調(diào)車長的操控指令和設(shè)備色燈的變化狀態(tài)，從而控制行駛車速和狀態(tài)。

調(diào)車長在列車進行調(diào)車作業(yè)的過程中負責(zé)觀察列車、地面、調(diào)車組人員情況并保障現(xiàn)場作業(yè)安全，通過手持臺來進行語音溝通，并通過按鍵打調(diào)車指令的方式執(zhí)行調(diào)車計劃單任務(wù)。

制動員手持調(diào)車作業(yè)電臺，根據(jù)調(diào)車長的操控指令和語音通話所傳達的信息，在列車進行推進、鉤掛、連接、拆解等作業(yè)時進行排風(fēng)管的拆解或連接等操作，并隨時觀察列車行進過程中的車速和末端距離、前方路況狀態(tài)來確保調(diào)車作業(yè)環(huán)境及現(xiàn)場人員安全。具體的調(diào)車作業(yè)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 鐵路平面調(diào)車作業(yè)組成示意Fig.1 Schematic diagram of railway flat shunting operation composition

2005年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了一種用于指揮調(diào)度的移動通信標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字移動無線電（Digital Mobile Radio， DMR）標(biāo)準(zhǔn)。DMR傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號，采用TDMA多址方式，同時具有許多模擬系統(tǒng)不可能達到的優(yōu)勢。其中包含信道利用率高，服務(wù)質(zhì)量好、通話私密性有保障、智能網(wǎng)絡(luò)等[2]。

從目前國內(nèi)的鐵路貨運類調(diào)車作業(yè)信息化的情況來看，北方大部分車站既有平調(diào)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能過于單一，主要是利用老式的模擬調(diào)制類型電臺或DMR標(biāo)準(zhǔn)制式的數(shù)字電臺進行調(diào)車作業(yè)，車站管理者只能將當(dāng)天的調(diào)車設(shè)備存儲數(shù)據(jù)從硬件導(dǎo)出后才可了解具體作業(yè)情況，因此，管理者并不能及時便捷地獲取實時作業(yè)情況和信息。對于中歐班列始發(fā)站場的興隆場車站而言，平面調(diào)車業(yè)務(wù)需要一套新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)車管理系統(tǒng)，以滿足團結(jié)村車站等其他車站日益繁忙的貨運節(jié)奏和整個區(qū)段更為集中化綜合調(diào)度的運營管理模式。

實行集中化調(diào)車作業(yè)是以自動化指揮和作業(yè)優(yōu)化為前提的，而且要考慮外部作業(yè)條件的約束。例如調(diào)機牽引力“線路容車數(shù)”作業(yè)時間限制以及相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)在進度上的配合等，其中作業(yè)時間限制及相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)的進度配合源于列車運行圖和車站作業(yè)計劃對運輸生產(chǎn)的總體安排，調(diào)車作業(yè)只是其中的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需服從這種安排。否則運輸生產(chǎn)將失去其必需的協(xié)同性[3]。因此，從整體上提升編組站對于區(qū)段站的作業(yè)協(xié)同性，車站站調(diào)大廳動態(tài)了解和掌握車站作業(yè)情況，采用集中化的方式對調(diào)機、線路進行管理，將非常有利于管理者調(diào)整調(diào)車策略，提高指揮水平，緩解局部區(qū)段的貨運壓力，也有助于提前發(fā)現(xiàn)問題，排除部分生產(chǎn)安全隱患。

2 數(shù)字化語音實時監(jiān)控

語音實時監(jiān)控的主要目的是將車站現(xiàn)場的調(diào)車作業(yè)信息通過調(diào)車燈顯電臺設(shè)備終端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實時地上傳至后臺數(shù)據(jù)庫，并由Web服務(wù)將數(shù)據(jù)實時地加載在網(wǎng)頁端，以便于車站管理者實時地獲取調(diào)車作業(yè)記錄及現(xiàn)場作業(yè)情況。

通過將傳統(tǒng)的區(qū)長臺進行改造升級，加裝嵌入式操作系統(tǒng)，使之成為一款具備以太網(wǎng)絡(luò)端口的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終端電臺，鐵路局內(nèi)網(wǎng)可將記錄在區(qū)長臺中的所有調(diào)車作業(yè)的語音及指令信息實時上傳至中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。這里主要運用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)以預(yù)先統(tǒng)一的通信協(xié)議按照報文格式進行傳輸，并在中心服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的解析和存儲。

在Web服務(wù)中主要采用Spring框架的MVC（模型-視圖-控制器）模式為Web后臺提供服務(wù)，Spring的MVC框架在域模型代碼和Web表單之間提供了清晰的分離，并與Spring框架的所有其他功能集成。輕量級Spring框架提供了對MVC模式的實現(xiàn)機制，它主要圍繞分發(fā)器進行設(shè)計，包括可配置的處理器映射、視圖解析、本地化、主題解析、支持文件上傳等[4]，同時該Web服務(wù)運用了WebSocket技術(shù)為用戶提供了調(diào)車記錄實時監(jiān)聽的功能，用戶可以查閱調(diào)車記錄、調(diào)單執(zhí)行情況。系統(tǒng)還提供了記錄導(dǎo)出、系統(tǒng)權(quán)限管理、車站管理、人員管理、權(quán)限設(shè)置等功能模塊。

在權(quán)限管理方面，運用SpringSecurity技術(shù)將不同權(quán)限的終端IP用戶根據(jù)其不同管理角色的設(shè)定，通過返回不同的車站管理頁面實現(xiàn)整個平面調(diào)車管理系統(tǒng)的分層化設(shè)定，方便了不同角色者的使用和操作。相應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成如圖2所示。

圖2 平調(diào)管理系統(tǒng)應(yīng)用模塊Fig.2 Application module of flat shunting management system

3 遠程“站”“調(diào)”直通解決方案

興隆場車站調(diào)度大廳值班員為了第一時間掌握并指導(dǎo)團結(jié)村車站的調(diào)車作業(yè)，需要遠程與車站運轉(zhuǎn)值班員進行語音溝通對講和作業(yè)監(jiān)聽。

2001年數(shù)字光端機問世，其基本工作原理是將要傳輸?shù)哪M信號（語音、圖像）數(shù)字化，通過復(fù)用的技術(shù)將多路低速信號合成一路高速信號，最后進行電-光轉(zhuǎn)換，經(jīng)發(fā)送端發(fā)射出去。在接收端，首先進行光-電轉(zhuǎn)換，將一路高速數(shù)據(jù)流分解成多路低速信號，再把這些數(shù)據(jù)還原為語音和圖像[5]。因此，通過數(shù)字光端機將調(diào)車語音信號以光信號的方式進行超遠距離無損壞傳輸將是一種有效的解決方案。

主要傳輸方案是，通過在區(qū)長臺外接能夠?qū)崟r語音模擬信號采集并同步放大為增強電平信號的轉(zhuǎn)換模塊，該信號由光端機A調(diào)制成光信號傳輸至調(diào)度大廳的光端機B，此時由調(diào)度大廳的光端機B將該光信號解調(diào)，并以數(shù)字電平信號的方式輸出至值班員面前的光端機遠端盒，光端機遠端盒將其再一次恢復(fù)為話音模擬信號并由揚聲器播出；反之亦然，調(diào)度大廳的值班員可拿起手中的對講機，通過車站一端的區(qū)長臺，將自己的話音傳送至現(xiàn)場調(diào)車組所有同頻率作業(yè)電臺，達到一對一或一對多的指揮性管理效果，通過這樣的方式突破了值班員工作崗位的空間局限性，達到“站”“調(diào)”直通的管理效果。該方案主要考慮到光纖通信的以下3個特點。

1）損耗極低，中繼距離很長。商品石英光纖現(xiàn)已達到的損耗水平是在1.3 μm波長處損耗為0.35 dB/km，在1.55 μm波長處損耗為0.20 dB/km，這比最好的同軸電纜損耗的百分之一還要低。

2）頻帶極寬，傳輸容量很大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，理論上一對單模光纖可傳2.5億個話路，是同軸電纜的幾百倍。

3）抗電磁干擾性能好。光纖柵電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。

既保留了區(qū)長臺數(shù)字化集群通信的優(yōu)勢，實現(xiàn)了遠程一對多的對講效果，又可以將通話內(nèi)容以語音文件的形式記錄下來，并上傳至系統(tǒng)中心服務(wù)器。

4 新型平調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成架構(gòu)

新型平調(diào)系統(tǒng)的組成主要包括3部分：平面調(diào)車燈顯設(shè)備、調(diào)車數(shù)據(jù)服務(wù)管理系統(tǒng)、遠程光端機語音直通模塊。

利用成都鐵路局信息所的辦公內(nèi)網(wǎng)及車站既有的光纜條件搭建了一套以中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web應(yīng)用服務(wù)器為中心點的平面調(diào)車管理系統(tǒng)，形成了以B/S架構(gòu)模式為服務(wù)基礎(chǔ)的IP網(wǎng)絡(luò)和DMR標(biāo)準(zhǔn)制式的數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合型組網(wǎng)系統(tǒng)。

在B/S體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，用戶通過瀏覽器向分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器發(fā)出請求并獲取所需信息。實際上B/S體系結(jié)構(gòu)是把二層C/S結(jié)構(gòu)的事務(wù)處理邏輯模塊從客戶機的任務(wù)中分離出來，由Web服務(wù)器單獨組成一層來負擔(dān)其任務(wù)，這樣客戶機的壓力減輕，把負荷分配給了Web服務(wù)器[6]。

在鐵路交通運輸中，數(shù)字集群的通信方式極為廣泛，屬于專用集群通信網(wǎng)組網(wǎng)的范疇，數(shù)字集群的基本功能包括組呼、全呼、廣播呼、私密呼以及電話互連呼叫等。補充功能包括調(diào)度區(qū)域選擇、多優(yōu)先級、緊急呼叫、遲后進入、動態(tài)重組、調(diào)度臺強拆強插、故障弱化、直通模式和功能等，對于特殊用戶還需提供雙向鑒權(quán)、空中加密、端到端加密等功能[7]。

新型的平面調(diào)車系統(tǒng)中的平面調(diào)車電臺均為數(shù)字DMR制式無線電臺，具備數(shù)字集群的上述技術(shù)特點及優(yōu)勢，是整個平面調(diào)車系統(tǒng)生成車站現(xiàn)場作業(yè)原始數(shù)據(jù)的信息源頭，其中區(qū)長臺是整個調(diào)車作業(yè)組的調(diào)車語音、指令信息、調(diào)單執(zhí)行情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、處理及打包發(fā)送上傳的業(yè)務(wù)終端。

作為B/S架構(gòu)不可或缺的一部分，系統(tǒng)包含中心服務(wù)器兩臺，分別支持來自區(qū)長臺的調(diào)車數(shù)據(jù)包的實時處理服務(wù)和數(shù)據(jù)庫存儲業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于為Web服務(wù)和調(diào)單接口服務(wù)器提供數(shù)據(jù)實時處理和存儲的業(yè)務(wù)支持。

調(diào)單接口服務(wù)器則主要用于從路局綜調(diào)系統(tǒng)獲取實時的調(diào)單計劃狀態(tài)并發(fā)送至中心服務(wù)器進行進一步存儲并實時下達至各車站，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of system composition structure

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將DMR標(biāo)準(zhǔn)制式數(shù)字調(diào)車電臺和B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用平臺進行創(chuàng)新性的有效結(jié)合，通過對現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的實時上傳和處理，達到了車站作業(yè)可視化、集中化、規(guī)范化的管理效果，提高了車站調(diào)車信息動態(tài)處理水平，并利用光端機遠程語音信息處理技術(shù)，實現(xiàn)了“站、調(diào)”語音直通的調(diào)車指揮效果。

通過技術(shù)的結(jié)合、提升和應(yīng)用，從生產(chǎn)成本、系統(tǒng)維護成本等諸多方面為車站提供了較好的解決方案，提供了降本增效的社會價值。