基于软交换的铁路应急指挥通信系统研究

杨东明

*中国铁路通信信号北京工程分公司 工程师，100070 北京

铁路应急指挥通信系统是从原有的调度通信系统发展而来，是基于语音的电路交换系统，在配置和使用上不够灵活，并且与其他系统交互操作难以实现和扩展。如果采用纯IP结构的软交换系统，可以发挥软交换的全业务、易互联、可扩展的优势，将原有的语音通信系统、调度系统、视频图像系统统一到一个平台，实现事发现场、指挥分中心、铁道部指挥中心、社会应急指挥中心及铁路自动网 (PSTN)、数字调度网、GSM-R网、117人工台之间实时的语音双向通信，调度指挥更加方便快捷。另外，使用软交换技术，还可以将系统模块化分组，配置更加灵活，满足不同用户的需求。由于软交换系统的接口可以自由扩展，考虑目前铁路系统的各种接入条件，可以按照实际需求接入现有的各种通信设备。在系统功能设计方面，除了完成基本的语音业务互联互通，还可以满足多种增值业务功能，而且可以根据需求变化进行修改和添加。

1 结构和功能

铁路应急指挥通信系统采用软交换技术，整个系统的设计基于全IP构架，对视频、语音、图像、数据业务进行统一管理和存储，保证了产品技术上的先进性，实现了应急抢险视频、图像、语音、数据各种业务需求;整个系统业务配置灵活，有良好的扩展性，也保证了整个系统的完整性，使应急抢险的视频、图像、语音、数据几种业务有机的融合。

系统结构分为应急指挥中心、二级应急指挥分中心和事发现场设备3层，如图1所示。应急指挥通信中心位于系统的顶层，要完成对各个分中心的业务控制和管理，负责各分中心之间的地址解析，同时具备各分中心通信服务器功能。

应急指挥中心主要由通信服务器和调度指挥台2个功能模块组成。

图1 应急系统结构图

通信服务器由软交换平台和媒体网关组成。软交换平台主要完成呼叫控制和处理、协议、业务提供、业务交换、操作维护、话单记录 (CDR)及与其他网络互通等功能。媒体网关完成与PSTN、数字调度网、GSM-R、117人工网的信令呼转和具体语音业务的执行，具有用户或网络接入、接入核心媒体网络、媒体流的映射、受控操作和管理等功能，并承担各个方向上语音互联互通的基本业务及各种附加的增值业务。

调度指挥台提供2路以上的电话语音业务，具有直观、简单便捷的人机交互界面，可完成调度指挥所需的各种特殊功能。

2 设计和技术

2.1 异构网络下号码动态匹配

按照铁路应急技术体制的要求，一个中心(分中心)系统，可能配置数十个甚至上百个应急现场接入设备，按照每200 km设置1～3套的原则配备在铁路沿线。当有应急事件发生时，就近的应急设备被快速运送至事发现场，架设开通后提供应急救援所必须的语音、视频、数据业务。由于现场接入设备何时、何地开通是不定的，如果现场接入设备的8个语音终端电话号码 (用户名称)直接作为应急现场的应急电话号码，是无法实现与应急中心、数字调度网、自动网、GSM-R网、117人工台之间的双向直接呼入、呼出功能，因此系统对每个分中心预先配置，并对外公布2～3组应急号码，无论哪套设备开通，均使用应急号码进行直接的呼入呼出通信。

同时，铁路既有的通信网络中数字调度网、自动网是物理隔离的2个专用网络，2个网络之间要互通必须遵循严格的互通规则。而铁路应急系统的要求是与2个网络都能直接呼入、呼出，同时又要求不能破坏2个网络现有的互通规则。

为此，建立了一个基于机器学习理念的智能匹配模型，采用了自动侦测设备状态、号码动态映射分配、路由规则分段智能匹配等技术。经验证结果表明，系统完全能够满足应急指挥通信系统设备开通的号码、时间、地点的随机性，以及一机多号、一号多机等各种特殊需求，且路由规则可以按需灵活配置，完全满足了铁路应急语音调度指挥的业务需求。

2.2 多路混音质量

基于VoIP的语音应用中，目前常用的多种混音算法都有缺陷，比如音量忽大忽小，语音效果不甚理想，弱信号难以识别等问题，很难满足大规模会议调度的需求。为此，设计基于非均匀波形收缩的混音算法。

混音路数及各路语音信号强度都是时间t的函数。混音权重与时间无关，意味着它必须与混音路数和语音强度无关。G.711规范中采用分段量化规则，是基于在语音信号中低强度信号比高强度信号出现几率更高的事实。非均匀波形收缩算法可同样基于这一事实，采用分段收缩规则，对线性叠加后的采样数值进行收缩，以保证不出现溢出。低强度信号采用较大的权重以确保信号的可识别性，同时获得一定的收缩比例;而高强度信号采用较小的权重，以确保得到相应的收缩比例，也保证一定的可识别性。

系统设计提出与时间t无关、基于优先权和信号强度的多维权重向量的多方混音算法。在混音权重向量中引入用户优先权，提升高优先权用户的语音信号强度。测试运行表明，本项目使用的混音算法，复杂度为O(n)，具有较强的可行性，对于会议参与人数不敏感，混音后的语音质量清晰。

应急系统中对于混音算法有着特殊的要求，如重要与会者和紧急事件，应该优先考虑其传输播放的清晰度和辨别度，给予一定优先权，保证重要信息不要流失或被掩盖。

2.3 视频实时性保障

为实现现场视频能够在应急指挥中心 (分中心)清晰流畅地实时显示，必须保证视频服务器的分发实时性。为此，在视频分发设计中，采用了多级动态缓冲技术，在视频流接收、转码和发送3个环节分别定义了一个数据缓冲池，系统能侦测3个数据缓冲池的工作状态，并自动进行智能处理，在接收和转发之间形成一个动态平衡，保证数据快速而又正常地接收和转发。该方法的应用大大增加了程序对数据流的负载能力，同时增强了视频分发各模块的处理稳定性。

2.4 异常情况处理

在服务器和客户端以及服务器之间异常情况发生时，需要使用某种机制保障异常状态可以被双方感知。系统设计中，在服务器和客户端之间单独设计一个心跳保活模块，用于监听双方的状态。客户端因为有多个线程，每个线程要做到不互相干扰，采用了每个模块一个心跳线程的方式。对于服务器端，采取了集中管理心跳包的方法，用同一个端口来监听发自客户端或者服务器的心跳包，一旦一方出现异常情况，另一方可以在很短时间内知道，从而释放资源，退出当前的中断线程。运用该方法能有效地处理客户端或者服务器发生异常的情况，保障了整个系统工作的稳定性。

3 现场应用

根据上述设计制作出来的原型系统，从2009年2月起，在西安铁路局调度中心和管内宁西线的丹凤站上、下行区间进行了多次应急指挥实验，包括语音应急指挥、视频图像浏览、数据实时传输等业务，实验环境分别选择了桥梁、隧道、长区间通信等，在各种环境下系统都能够做到语音、图像清晰，传输稳定，业务功能自由切换，达到了设计目标。