国产化数字集群系统在北京轨道交通的应用

戴克平，韩志永

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037；2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200）

国产化数字集群系统在北京轨道交通的应用

戴克平1，韩志永2

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037；2.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200）

针对国产陆地集群无线电（TETRA）数字集群系统在北京轨道交通中的应用，围绕TETRA数字集群系统已有功能，提出了3种适合于城市轨道交通使用需求的特殊功能：专用无线通信系统的全网录音功能、惯导组合GPS接收模块利用TETRA短数据业务实现车辆定位的功能和乘客紧急对讲功能。通过对这3种功能的深入分析，描述了实现这3种功能所需要解决的核心问题，并给出相应的解决方案。通过在示范线路的实际应用测试，验证了功能的可靠性和适用性。

TETRA；轨道交通；录音；车辆定位；紧急呼叫

0 引言

陆地集群无线电（TETRA）是由欧洲电信标准协会（ETSI）制定的空口开放的数字集群移动通信标准［1，2］。目前我国的城市轨道交通专用无线通信系统均采用TETRA标准的数字集群系统，为轨道交通提供安全、高效的无线语音和数据业务。为行车安全、提高运输效率和管理水平、改善服务质量提供了重要保证；同时，在轨道交通运营出现异常情况和有线通信出现故障时，亦能迅速提供防灾救援和事故处理等指挥所需要的通信手段。

目前我国轨道交通专用无线通信系统大多采用进口的TETRA数字集群设备［3，4］。一方面，进口设备使用成本高，而且二次开发应用受限；另一方面，专用通信系统对通信安全等机密性要求很高，国外设备存在潜在安全风险，所以使用国产化的数字集群系统才能更好地满足这些特殊行业需求，有效地保护国家信息安全，防止国家秘密和商业秘密的泄漏［5，6］。

本文描述了国产化数字集群系统为北京轨道交通开发的新功能，并对这3种功能的实现方式和关键问题进行了阐述。

1 总体设计

由于使用进口设备，系统的接口相对封闭，在针对轨道交通应用需求的二次开发中，存在诸多不便，一些重要的功能没有实现。而国产设备可以方便的根据用户的需求进行二次开发，满足用户在实际使用中的需要。目前国产化数字集群系统在轨道交通中的典型新功能应用有以下几种。

1.1 TETRA数字集群系统全网录音

目前进口的数字集群系统本身不具备完整的全网录音功能，它的录音功能是通过在调度台上进行二次开发实现的，将调度台的语音发给专用电话系统实现录音，该方式仅能录制调度台参与呼叫的语音，且无法根据号码和时间段进行查询，使用起来很不方便。

TETRA数字集群系统能够实现手台、调度台和有线电话等不同终端的互联互通。而TETRA数字集群系统全网录音的一大特点就是能够对这些不同终端进行录音［7］。

TETRA数字集群全网录音系统的构成如图1所示。功能分为录音配置和录音查询两方面［8］。通过录音配置能够指定被录音终端的类型，如手台、调度台和固定电话等，还能够通过指定个人号码或组号码进行针对性的录音；通过录音查询调取特定的用户或组的录音存档，也可以指定时间段进行录音回放。

图1 TETRA全网录音系统

1.2 TETRA短数据业务实现车辆定位

在轨道交通的运营过程中，需要实时监控在线列车的运行位置，方便调度中心的调控，以免发生追尾等事故。

通过对TETRA终端、TETRA交换中心分别进行二次开发。在TETRA二次开发车载台内集成惯导组合GPS接收模块［9］，车载台将接收到的位置信息通过TETRA短数据业务传送给TETRA交换中心，TETRA交换中心将位置信息传送给GPS信息处理和位置显示系统，将车辆的实时位置显示到显示器或大屏幕上。

为了降低系统的复杂度、减少车载设备种类及接口，TETRA二次开发车载台内置惯导组合GPS接收模块，如图2所示，采用一体化设计实现定位信息的上传。

图2 基于TETRA短数据业务的车辆定位系统

1.3 乘客紧急对讲功能

北京地铁燕房线是试验列车无人驾驶技术的一条试验线路，通过对列车无人驾驶模式的论证，发现乘客紧急对讲功能十分重要，当发生紧急情况时，车厢内的乘客可以通过车载PA设备呼叫中心的TIAS调度台，建立双向语音通话，使调度中心能够及时了解现场的情况，进行有针对性的处置。

乘客紧急对讲系统组成如图3所示。TETRA数字集群系统在这个功能中充当车载PA系统和TIAS系统的桥梁，建立两者之间的通话链路。与车载PA系统的接口位置在车载台上，与TIAS系统的接口位置位于TETRA交换中心。

图3 乘客紧急对讲功能系统

2 需要解决的问题

这3个功能是基于TETRA数字集群系统的语音和数据业务进行开发的，在开发过程中需要解决如下几个关键问题。

①TETRA数字集群系统需要实现手台、调度台、PSTN等不同类型终端的互通，各种类型终端适用的协议各不相同，语音编码方式也不相同，所以要实现TETRA数字集群系统全网录音功能，实现对多种协议的呼叫流程进行统一的录音处理，是该功能需要解决的关键问题。

②TETRA数字集群系统在传送话音和短数据业务时，都要占用业务信道。列车在高速行驶过程中，如果要实时显示列车位置，就要频繁的通过短数据发送位置信息。由于车载台要同时发送语音和短数据业务，如何使车载台语音和数据的业务能够高效进行而又不相互干扰，是需要解决的关键问题。

③乘客紧急对讲的实现过程涉及TETRA数字集群系统、车载PA系统和TIAS系统，系统间协商一致的接口是要解决的首要问题。同时乘客紧急对讲功能只有在列车出现紧急状况下才能使用，需要制定策略防止误操作。

3 关键技术

3.1 全网录音

为了满足TETRA全网录音功能，对该功能采用层次化和模块化的设计，其结构如图4所示。

图4 TETRA全网录音结构

TETRA全网录音结构包括消息适配模块、逻辑处理模块、状态管理模块、录音条件管理模块、录音服务器状态管理模块和语音处理模块。

①消息适配模块负责把从外部接收到的消息分发给逻辑处理模块、录音条件管理模块等进行处理；同时还从各个模块接收消息进行适配，将消息发送给其他外部模块。

②逻辑处理模块负责对外部模块发来的录音操作进行处理，包括录音开始、录音结束和录音暂停等操作，控制语音处理模块进行录音并生成录音文件

③状态管理模块负责对录音管理的状态进行管理。通过与系统管理交互，实现对录音管理的状态进行管理和控制，并保持与系统管理的消息交互，将录音管理的状态实时上报给系统管理。

④录音条件管理模块负责对录音条件进行管理。录音管理支持对录音条件的添加、删除、查询和修改等操作，并将设置好的录音条件保存到本地硬盘数据库中，保证系统重新启动后不需要对录音条件进行重新设置。

⑤录音服务器管理模块负责对录音服务器的状态进行管理。录音管理通过与录音服务器的定时握手消息，获取录音服务器的状态，并以此来判断是否向录音服务器发送录音信令消息。

⑥语音处理模块负责对不同终端的语音数据进行适配，转换成统一的格式进行存储。解决终端协议和语音编码方式不同的问题［10］。

3.2 车辆定位

在列车运行的过程中，列车的行驶速度很快，为了能够实施监控列车的位置，列车需要每隔1 s上报一次列车的位置信息，位置信息经过传输和处理后显示在调度中心的屏幕上。

为了解决车载台在发送语音业务和短数据业务相互影响的问题。利用TETRA时隙挪用的方式，在业务信道传送语音的时候，挪用半个时隙用来传送短数据业务。这样就能够实现语音和数据的同时传送。

系统在处理短数据业务挪用时隙的时候，会做如下判断，如果要传输的短数据业务能够通过2次挪用发送完毕，就会通过挪用的方式发送；如果数据长度过大，通过2次挪用不能将数据发完，就会通过特殊帧，第18帧发送；当一个第18帧仍然不能发送完成时，就会将数据分片，通过多个第18帧发送。

3.3 乘客紧急对讲

TETRA数字集群系统负责在TIAS系统和车载广播系统之间提供语音通道，支持TIAS调度台对车载PA进行列车乘客紧急对讲功能［11，12］。由于涉及到不同系统之间的通信，需要统一定义通信接口，系统间定义的接口格式如表1所示。

表1 系统接口定义表

乘客紧急对讲功能的工作流程如图5所示。

图5 紧急对讲工作流程

通过TIAS调度台进行列车乘客紧急对讲功能时，需要遵循一个调度台、一套车载PA仅支持一个列车乘客紧急对讲任务，即当某个调度台参与到乘客紧急对讲时，必须保证其他调度台没有对该列车执行上述操作。由TIAS调度台负责实现上述任务的闭锁，防止出现任务冲。TIAS可以拒绝后发起的呼叫，也可以先结束正在进行的呼叫然后继续处理后续的呼叫。特别的，乘客发起的紧急呼叫请求可能同时呈现到多个TIAS操作台，当一个TIAS操作用户处理该请求时应该通知其他TIAS操作台，以保持该呼叫任务状态同步，防止其他TIAS调度台重复操作。

当多个乘客操作车载PA发起紧急呼叫时，这些请求都将被TETRA转发给TIAS系统，由TIAS调度席位选择先应答处理那一个呼叫，其他呼叫继续排队等待。

乘客紧急对讲信息带有车组号、车厢号和话筒号标识信息，需要注意的是，同一列车车厢的同一个话筒只能有一个正在处理的呼叫。

4 应用结果分析

目前，TETRA数字集群系统全网录音功能已经在北京地铁7号线应用实施。如图6所示，可以在录音终端添加需要录音的设备。填写录音设备的号码，系统能在该设备发起呼叫的时候对其进行录音。如图7所示，按照设置的查询条件，可以查询满足相应条件的录音内容。

图6 录音终端设置

图7 录音查询条件设置

基于TETRA短数据业务的惯导组合GPS定位功能计划应用于北京地铁西郊线。按照地铁列车80 km／h的运行速度，系统接收到一条车载台的位置短消息的平均时间是150 ms，这样短消息发送的过程中，列车的移动距离不超过4m，即位置的显示误差小于4 m。

通过对乘客紧急对讲功能的测试，车载PA系统和TIAS系统之间的信令传输时延小于500 ms，能有效保证呼叫及时建立，满足在紧急情况下乘客报告现场情况的需求。该功能将应用于北京地铁燕房线。

5 结束语

本文描述了国产化数字集群系统在北京轨道交通中的应用。这些新的功能都是基于国产化数字集群系统的二次开发，为地铁的运营工作提供了很大的帮助，打破了国外设备在这个领域的垄断，取得了良好的效果。体现了国产设备在信息的安全性和功能的灵活性上的优势。对北京轨道交通数字集群系统的国产化起到了推动作用。

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［2］郑祖辉，陆锦华，郑 岚.数字集群移动通信系统（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2005：301－375.

［3］宋 力.数字集群技术及应用前景分析［J］.无线电工程，2006，36（9）：26－28.

［4］徐 涛.数字集群移动通信系统原理与应用［M］.北京：人民邮电出版社，2008：295－380.

［5］蒋国华，郭俊利.TETRA数字集群在公共安全领域的应用［J］.无线电工程，2011，41（8）：62－64.

［6］孙永全，凌喜华.地铁与城市应急网TETRA系统互联互通研究［J］.无线电工程，2013，43（8）：12－15.

［7］王云磊，刘碧波.软交换中IP录音的设计［J］.计算机与网络，2010（23）：46－48.

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［10］谢利敏，康志杰.公交车载GPS智能报站系统设计［J］.无线电工程，2011，41（2）：34－36.

［11］夏德春，吴 卉，张洪宇.地铁列车广播系统的设计与开发［J］.铁路计算机应用，2011（5）：40－42.

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Application of Domestic Digital Trunked System in Beijing Rail Transit

DAI Ke-ping1，HAN Zhi-yong2
（1．Beijing Urban Rail Transit Construction Management Co，Ltd，Beijing 100037，China；2．Hebei Far-east Communication System Engineering Co．Ltd，Shijiazhuang Hebei 050200，China）

In view of the application of domestic TETRA digital trunked system in Beijing rail transit，this paper puts forward three special functions suitable for urban rail transit based on existing functions of TETRA digital trunked system，such as whole recording function of private wireless communication system，vehicle positioning function implemented by INS and GPS receiving model based on TETRA short data service and emergency intercom function of passengers.Based on the in-depth analysis on these three functions，this paper describes the core problems to be resolved for these three functions，and presents the appropriate solution.The actual application test on the model lines verifies the reliability and applicability of these three functions.

TETRA；rail transit；record；vehicle positioning；emergency call

TN929.52

A

1003－3106（2015）10－0019－04

10.3969／j.issn.1003－3106.2015.10.05

戴克平，韩志永.国产化数字集群系统在北京轨道交通的应用［J］.无线电工程，2015，45（10）：19－22.

戴克平男，（1959—），高级工程师。主要研究方向：轨道交通无线通信技术。

2015-07-08

河北省重大科技成果转化专项基金资助项目（13040405Z）。

韩志永男，（1967—），工程师。主要研究方向：行业专网通信系统与装备。