基于GSM-R的无线调车机车信号和监控系统研究

宋 钢

无线调车机车信号和监控系统 (Shunting Train Protection，简称STP)采用无线通信技术实现了机车和地面间站场信号开放状态、调车机运行状态、调车作业计划等信息的双向数据传输，并通过列车运行监控记录装置 (LKJ)有效解决了调车机冒进信号、超速运行等安全防护问题。其中无线通信传输子系统是STP系统的重要组成部分，其传输质量直接影响着系统运用的安全性和稳定性。

1 STP无线传输方式现状分析

目前国有铁路应用的STP系统普遍采用数传电台作为车载设备和地面设备之间数据传输的无线通信子系统。数传电台具有网络延时小、实时性高等优点，但同时也存在着许多不足之处。

1.实际传输距离受站场地形、环境等影响较大，往往不能完整覆盖调车机作业范围，站场内存在多个通信盲区。如调车机进入太原站无柱雨棚下，因信号减弱经常会自动退出调车监控模式。

2.工作频段易受不明非法信号干扰，影响调车机正常作业。如临汾站因信号干扰已更换2次无线频点，但在不确定的时间段，仍有干扰信号影响。

3.数传电台仅支持半双工通信，如果站场内同时有多台调车机车作业，电台轮询一遍所有机车车载台周期较长。

4.为了减少建筑物、树木等对无线信号的影响，以及受站场和信号楼位置影响，往往需要架设无线铁塔、敷设信号馈线，工程实施及维护难度大、成本高。

5.室外天线的架设，加大了设备遭受雷害的概率，对设备防雷设施又提出了更高要求。

2 基于GSM-R无线传输的优势

GSM-R网络是专门为铁路通信设计的综合数字移动通信系统，是我国铁路移动通信的发展方向。GSM-R系统克服了传统无线列调系统信道资源紧张、枢纽地区同频干扰严重等缺陷，在提高调度指挥等语音通信质量的同时，能够为铁路运输提供高度可靠、高度安全、快速接入的数据传输通道。目前，全路范围内已经陆续开通了多条线路的GSM-R系统，尤其是太原局管内大秦、北同蒲、太中银线以及大同、太原、榆次枢纽已实现了GSM-R网络覆盖，石太、侯西等线也将于2014年实现GSM-R网络覆盖。同时，GSM-R网络在大秦线2万吨重载组合列车机车同步操控系统及CTCS-3级列控系统的成功应用，也为基于GSM-R无线传输的STP系统奠定了基础。

1.GSM-R网络具有覆盖范围广、抗干扰能力强、通信质量可靠等特点，可有效解决既有数传电台传输距离短、易受外界环境干扰等方面的不足，可为STP提供高质量、远距离的车-地数据传输，提高整个STP的稳定性、安全性和可靠性。

2.GSM-R网络可实现STP系统车-地设备间点对点全双工通信模式，解决数传电台只能采用轮询方式效率较低、实时性差的问题。

3.基于GSM-R无线传输的STP系统可突破《无线调车机车信号和监控系统技术条件 (暂行)》中关于“该系统最多适应5台机车在同一车站同时调车作业”的限制。

3 基于GSM-R的STP无线传输系统组成

基于GSM-R的STP无线传输子系统由无线传输单元 (RTM)、GSM-R网络、数据交换中心(DSC)共同组成，如图1所示。

图1 基于GSM-R的STP无线传输子系统

1.无线传输单元 (RTM)通过标准的以太网接口与STP系统的车载主机连接，是实现STP系统车载设备接入GSM-R网络的终端接入设备，负责注册并接入到GSM-R网络，完成电路交换数据链路 (CSD)的建立。

STP车载设备上电完成初始化后建立与RTM的TCP/IP连接，并每2 s向RTM发送一帧握手请求数据，RTM收到该数据后发送握手确认数据。如果STP车载设备超过7 s未接收到握手确认数据，则重新建立与RTM的TCP/IP连接。

2.地面数据交换中心 (DSC)通过铁路专用传输网络与各车站STP系统地面设备连接，采用PRI接口与GSM-R网络移动交换中心 (MSC)连接，负责接收无线传输单元 (RTM)的电路数据呼叫，并把RTM发来的数据通过铁路专用传输网络转发给相应车站的STP地面设备，同时把STP地面设备发来的数据转发给相应机车的RTM。地面数据交换中心 (DSC)主要由PRI接口单元、转发单元、车站接口单元、监测记录单元和管理单元5部分组成。

STP地面设备上电完成初始化后建立与DSC的TCP/IP连接，然后每2 s向DSC发送一帧握手请求数据，DSC收到该数据后发送握手确认数据。如果STP地面设备超过7 s未接收到握手确认数据，则重新建立与DSC的TCP/IP连接。

3.GSM-R网络为STP系统提供从车载设备到地面设备之间的双向透明数据传输通道，实现地面设备和多台车载设备间的数据传输。GSM-R系统通信方式采用点对点电路连接，当有多台调车机车同时作业时，根据STP需求为地面设备与每台机车设备分别建立CSD连接，通信速率为9 600 b/s。

4 无线通信建立与断开流程

根据STP系统的业务流程，车载设备只有在接收到地面设备发送来的站场广播信息后，才能申请入网，因此在申请入网前要建立车载与地面设备的无线通道。同时为了节省GSM-R的信道资源，车载设备在停止工作时，要断开车载与地面设备的无线通道。基于GSM-R的STP无线传输子系统由STP车载设备负责控制RTM与DSC设备间电路交换数据链路 (CSD)的建立和断开。

4.1 通信建立

1)如图2所示，各个车站的地面设备周期性地通过铁路专用传输网络向DSC发送站场广播数据。

2)车载设备上电完成初始化后，向RTM发送与DSC建立CSD链接的请求，RTM接收到该请求，与DSC建立安全链接，并在非主动断开的情况下，保持该链接。

3)车载设备在乘务员输入站号或机车压过列车应答器的情况下，通过RTM向DSC发送包含标识站号的逻辑通道建立请求;DSC接收到通道建立请求，为该车载设备建立逻辑通道，并把相应车站的站场广播信息转发给车载设备。

图2 STP系统车-地通信建立流程

4.2 通信断开

1)如图3所示，车载设备在乘务员进行人工注销或机车压过列车注销应答器时向车站地面设备发送机车退网请求。

2)车载设备在接收到地面设备发送的退网成功回执后，向RTM发送断开CSD链接请求。

3)RTM接收到断开请求后，中断与DSC的安全通信链接，同时DSC删除车载设备与车站的逻辑通道。

图3 STP系统车-地通信断开流程

5 STP系统发展展望

基于GSM-R的无线调车机车信号和监控系统已通过现场试验验证，车-地间无线通信的时延和稳定性满足了《无线调车机车信号和监控系统技术条件》的要求，并进一步提升了STP系统的实时性、可靠性。GSM-R网络在STP系统的应用也为调度集中 (CTC)区段实施STP系统提供了新的思路:在CTC中心安装一套或多套大容量STP地面处理系统，并与CTC中心系统、GSM-R网络移动交换中心 (MSC)连接，取消CTC区段内每个车站的STP地面设备，可实现一台或多台调车机在CTC区段任一车站的无线调车机车信号和监控，可实现列车调度员对调车机作业过程中的全程监控。

［1］ 运基信号［2004］73号.无线调车机车信号和监控系统技术条件(暂行)［S］.铁道部运输局，2004.

［2］ 科技运［2008］168号.CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范(V1.0)［S］.铁道部科技司，2008.

［3］ 科技运［2009］19号.CTCS-3级列控系统GSM-R网络接口规范(V1.0)［S］.铁道部科技司，2009.

［4］ 科技运［2007］139号.GSM-R数字移动通信应用技术条件第六分册:机车同步操控信息传送系统(V1.0).铁道部科技司，2007.