一种适用于铁路专用线的数字无线列调系统

2018-03-07田川

铁路通信信号工程技术 2018年2期

田川

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

我国现有铁路专用线无线通信主要采用450 MHz无线列调和400 MHz模拟对讲系统。其中无线列调通信系统是重要的铁路行车通信组成部分，号称列车行车“三大件”之一。它在保证列车正点运行、降低机车能耗、提高线路通过能力、通告险情、防止事故、救援抢险等各方面发挥着重要作用。

由于现有450 MHz频段的无线列调通信系统为模拟制式，存在制式落后、带宽窄、频谱利用率低的不足，2013年工信部已发文明确指出将不再指配450～470 MHz频段的频率，该频段预留给IMT业务未来使用。并停止审批450～470 MHz频段无线电发射设备的型号核准和型号核准证书的延期手续，对于该频段内相关铁路用户引导使用其他频段。因此，铁路建设方将面临无法采购到具有型号核准证的450 MHz无线列调通信设备和使用450 HMz无线列调系统的局面。

其次，自2011年1月1号起国家已停止对400 MHz频段内模拟对讲机设备型号的核准，原铁道部在2010年也曾发文要求铁路各相关设台单位逐步淘汰模拟制式对讲机设备，全面推广数字对讲机。因此，对于铁路专用线来说，现有450 MHz无线列调以及模拟对讲系统亟待更新改造，有必要研究采用符合国家和铁路行业频率规定的数字无线通信系统。

1 系统概述

1.1 需求分析

对于铁路专用线无线调度通信需求而言，并无明确的相关规范。不同的专用线,其需求也会有一定的差异，通常是依据国家铁路无线列调通信系统标准[1]中规定的列车无线调度通信系统的主要功能，或是由专用线运营维护单位提出的其他需求。

铁路专用线无线调度通信系统用户主要包括行车调度员（调度台）、车站值班员（车站台）、车站助理值班员、机车司机（机车台）、运转车站（乘务长）以及沿线维护移动用户（移动台）等。系统用户需完成主要功能如下。

1）语音业务（功能）

调度员按车次号个别呼叫司机并通话，也可对调度区段内的所有机车全呼、通话并发布通告；

调度员采用选站后群呼方式呼叫司机并通话，车站台占用时，向调度台示忙，在紧急情况下，调度员可优先与司机通话；在紧急情况下，机车司机可向调度员发出紧急呼叫并通话；

系统应满足调度员、司机间及车站值班员、司机、助理值班员之间的通话；相邻车站值班员之间可进行通话；

调度员、车站值班员、与司机间及与移动用户的通话,分别由调度所、车站及机车上的录音设备自动录音。

2）数据业务（功能）

调度员向司机发送调度指令并显示，司机向调度员发送报告并显示，非话信息由调度所设备和机车设备分别记录；

司机呼叫调度员时，调度所设备应具有显示、存储机车呼入的功能（本地存）；

机车台、车站台、调度所设备之间应具有双向数据传输功能，具有实时数据、短数据和报文分包传送的功能；

系统具有远程集中监测车站台、调度所设备及区间盲区覆盖中继设备的工作状态和参数设置功能；

系统具有机车出入库自动检测和配合场强测试启动车站台发射的功能；机车电台预留列尾装置、DMIS无线车次号校核系统、调度命令无线传输系统等数据接口。

1.2 系统组网

近年来，数字移动无线通信(Digital Mobile Radio， DMR)技术是欧洲数字对讲机使用的协议标准，多用于专用数字对讲机，现已成为国际数字对讲机的主流标准，并得到了广泛的运用，且国际、国内众多产品厂商支持，产品成熟。本文提出一种基于DMR标准的数字无线通信系统，能够满足铁路专用线无线通信需求。

该系统采用DMR数字体制，基于MOTO的主要DMR硬件平台，通过软硬件结合的方式，主要实现列车调度的大三角通信（调度总机、车站值班员、机车司机之间）、小三角通信（车站值班员、机车司机、车长之间），并兼顾其他移动用户通信业务（如工务、电务、后勤组通信）。系统采用最新的DMR同频中继组网，使呼叫建立更快，并能兼容异频中继模式和同频直通模式，既保证大范围的无线无缝覆盖，也能在中继故障情况下自动同频直通，大大提高了系统可靠性。

铁路专用线数字无线列调系统在调度中心设置调度台、中心服务器、JSON服务器（业务服务器）、数据网关、录音服务器和数据库，通过IP网络进行互联。在各车站设置车站台、无线终端和基站，每个基站设置2套数字中继台（无线信道机）为车站以及铁路沿线提供无线覆盖，一个信道机用于行车调度通信，另外一个信道机用于其他移动用户组通信（如工务、电务、后勤等）。中心服务器作为整个系统的核心控制器并监测整个系统的运行状态，调度台、车站台、基站中继台和录音服务器通过IP网络在中心服务器上注册后，接入系统进行工作。

系统组网示意如图1所示。

图1 系统组网示意图

沿线基站采用最新技术的DFR中继（收发异频同步），所有基站接收频率配置为F4，为了避免同频干扰按类似模拟无线列调方式间隔配置F1/F2/F3；所有终端配置为发射频率F4，接收频率配置为F1/F2/F3/F4自动扫频；当终端扫到某个频率有信号就停留在该频率接收，否则不断扫频。这样即使系统故障，站端的助理值班员、司机、车长间也可以在直通频率上应急通讯调度，系统的可靠性得到提高。

2 系统架构

铁路专用线数字无线列调系统由行车调度台、中心服务器、JSON服务器、录音服务器、数据库、数据网关、车站台、模拟单元以及基站组成。各终端通过基站中继台向系统进行注册接入系统。铁路专用线数字无线列调系统架构如图2所示。

1）行车调度台

铁路专用线数字无线列调系统中的行车调度台为行车调度员提供一个图形化操作界面。在行车调度台操作界面上显示系统中所有设备的链接状态和运行状态，实时查看终端设备的状态；显示系统中所有车站信息，以及在每个站下的所有车次信息，并在行车调度台地图界面上实时显示机车的位置信息；在行车调度台操作界面上，行车调度员可以选择目标进行实时监听，也可以选择目标进行单呼、组呼和大小三角通讯；行车调度员通过行车调度台操作界面，可以查询系统存储的数据信息和录音文件信息，并进行录音回放；在操作界面上行车调度员可以进行调单编辑和短信息编辑并进行下发。

2）中心服务器

铁路专用线数字无线列调系统中的中心服务器管理和控制整个系统的运行。维护调度台、录音服务器、车站台和基站中继台与系统的链接，并对注册入系统的终端进行合法性鉴权；实时监测接入系统的设备和终端链接状态和运行状态；对系统用户发起的呼叫进行仲裁处理（包括调度台发起的呼叫以及终端用户发起的呼叫），并将语音数据包实时转发给被呼叫方进行谈话放音；将系统中的各用户发送的语音数据、数据信息、短信息、GPS信息和调单进行存储。

图2 系统架构图

3）JSON服务器

铁路专用线数字无线列调系统中JSON服务器主要职责：调度台通过JSON服务器访问系统数据库，读取系统信息。

4）录音服务器

铁路专用线数字无线列调系统中的录音服务器主要职责是：对系统内所有用户的语音通话进行录音，以便事后检索和回溯。

5）数据库

铁路专用线数字无线列调系统中的数据库主要职责是，存储系统信息，包括接入系统所有设备和终端的用户信息、录音文件信息、数据信息(调单、短消息)以及终端GPS位置信息等。

6）车站台

铁路专用线数字无线列调系统中的车站台主要职责是：为车站值班员提供一个操作和管理本站终端的图形化操作界面。

7）DMR数字基站

铁路专用线数字无线列调系统中的基站由行车调度中继台、沿线作业中继台以及天馈系统组成，为整个系统提供信号覆盖；这些数字基站严格遵循标准的DMR协议，兼容性扩展性好。支持系统移动终端进行连接注册、语音通讯、数据转发和越区切换。

3 系统相关技术

3.1 越区切换

本系统对于机车越区切换分两种工作模式。

1）工作模式一

为了实现机车越区切换时不掉话，将机车运行所在当前站与下一站基站绑定，两站下行发送内容相同，这样就能保证机车越区时不掉话。该模式的优点是保证越区切换时，调度台和机车台之间的通讯不中断；缺点是在当前站发起大三角通话时，下一站的基站同时被占用，覆盖区内其他终端通讯呼叫将无法完成。

改进措施是系统不断检测机车所处位置，只有当机车接近切换区时发生大三角通信才将相邻两基站绑定，否则不绑定，这样可提高系统容量。若机车台呼叫调度台过程中发生越区切换，重叠区两个基站都是能收到上行的信号，系统基于保证通话不断原则判断越区切换；若调度台呼叫机车台过程中发生越区切换，由于相邻两个基站绑定，下发的信号相同，越区切换不掉话；若机车台静默状态越区切换，系统基于机车台不断发起的心跳信息及GPS信息判断越区切换。

而对于机车台与车站台之间的通话不存在越区切换问题，通话过程中不切换，直到机车驶出当前覆盖区后再与下一站发起呼叫；机车台在静默状态越区切换，系统根据心跳和GPS信息判断越区切换。

2）工作模式二

该模式不考虑机车台与调度台之间通话的无缝切换问题。当前站发起大三角通话不影响相邻站，这样通话容量相对工作模式一更大，缺点是越区切换时会有短暂掉话，约1 s时间。

调度台呼叫机车台过程中发生越区切换，系统基于尽量保证当前通话链路原则判断越区切换，切换中必然会通话中断，直到下一个基站收到心跳注册信息或机车台主动发起呼叫建立新的链路；机车台呼叫调度台过程中，机车台越区切换存在短暂的中断约1 s，不需要机车台重新发起呼叫，通话能自动在下一站建立连接；车站台和机车台间的通话不存在越区切换问题，机车驶出当前站覆盖范围，即断开与当前站的连接自动建立与下一个站的车站台的连接；机车台在静默状态越区切换，系统根据心跳和GPS信息判断越区切换。

3.2 DFR收发同步基站技术

本系统基站中继台采用DFR收发同步技术，相对于普通DMR中继台都遵循DMR协议，不同点是DFR中继台收到电台信号后，在同一频点（或不同频点）另一时隙转发。对于移动终端（机车台、车长台、助理值班员台）工作在自动扫频模式，扫频范围包括附近中继的下发频率和终端间的直通频率。终端既可以接收其他终端的直通信号，也可以接收中继台转发的信号，自动选择使用最好的信号。这样既可以实现通过中继组网扩大覆盖范围和系统管理功能，也能在中继或系统故障情况下进入应急直通模式，大大提高系统工作的可靠性。其示意如图3所示。