新型数字化语音实时监控平调系统的组成及技术应用

2022-09-22薛阳阳吴宇航廖席沆

铁路通信信号工程技术 2022年9期

薛阳阳，吴宇航，廖席沆

（1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.中国铁路成都局集团有限公司兴隆场车站，重庆 400020）

1 概述

作为现代铁路调车作业的基础通信信号设备，平面调车设备的发展与升级对整个铁路运输行业的效率提升具有直接影响。从目前国内市场现有的平面调车设备来看，铁路无线调车灯显设备由调车机车控制器（以下简称机控器）、调车区长台（以下简称区长台）、调车手持台（以下简称手持台）和附属设备组成[1]。用于辅助调车人员完成大型编组站、区段站的货（客）运车站进行列车的解体、编组、取送、摘挂等一系列调车作业任务。无线调车灯显设备是一整套功能完备的调车电台集群设备，主要用于车站平面调车作业时的信令发送和语音通信对讲。一般来讲一个基本的调车组构成主要有以下人员角色：运转室值班员、调车机主/副司机、调车长、制动员一号、二号，分别对应操控的调车灯显设备为：区长台、固定（便携）式机控器、调车长手持台、制动员手持台。

运转室值班员通过观察联锁系统实时线路信号灯状态，确保调车作业转场等过程的行进安全，有序指挥现场执行调车任务。

调车机司机通过连接在机车LKJ运监接口的机控器和室内值班员及地面调车长、制动员保持语音沟通，并根据机控器接收到调车长的操控指令和设备色灯的变化状态，从而控制行驶车速和状态。

调车长在列车进行调车作业的过程中负责观察列车、地面、调车组人员情况并保障现场作业安全，通过手持台来进行语音沟通，并通过按键打调车指令的方式执行调车计划单任务。

制动员手持调车作业电台，根据调车长的操控指令和语音通话所传达的信息，在列车进行推进、钩挂、连接、拆解等作业时进行排风管的拆解或连接等操作，并随时观察列车行进过程中的车速和末端距离、前方路况状态来确保调车作业环境及现场人员安全。具体的调车作业结构组成如图1所示。

图1 铁路平面调车作业组成示意Fig.1 Schematic diagram of railway flat shunting operation composition

2005年，欧洲电信标准化组织提出了一种用于指挥调度的移动通信标准：数字移动无线电（Digital Mobile Radio， DMR）标准。DMR传输的信号是数字信号，采用TDMA多址方式，同时具有许多模拟系统不可能达到的优势。其中包含信道利用率高，服务质量好、通话私密性有保障、智能网络等[2]。

从目前国内的铁路货运类调车作业信息化的情况来看，北方大部分车站既有平调设备的网络架构和功能过于单一，主要是利用老式的模拟调制类型电台或DMR标准制式的数字电台进行调车作业，车站管理者只能将当天的调车设备存储数据从硬件导出后才可了解具体作业情况，因此，管理者并不能及时便捷地获取实时作业情况和信息。对于中欧班列始发站场的兴隆场车站而言，平面调车业务需要一套新型的网络架构调车管理系统，以满足团结村车站等其他车站日益繁忙的货运节奏和整个区段更为集中化综合调度的运营管理模式。

实行集中化调车作业是以自动化指挥和作业优化为前提的，而且要考虑外部作业条件的约束。例如调机牵引力“线路容车数”作业时间限制以及相关作业环节在进度上的配合等，其中作业时间限制及相关作业环节的进度配合源于列车运行图和车站作业计划对运输生产的总体安排，调车作业只是其中的一个生产环节，需服从这种安排。否则运输生产将失去其必需的协同性[3]。因此，从整体上提升编组站对于区段站的作业协同性，车站站调大厅动态了解和掌握车站作业情况，采用集中化的方式对调机、线路进行管理，将非常有利于管理者调整调车策略，提高指挥水平，缓解局部区段的货运压力，也有助于提前发现问题，排除部分生产安全隐患。

2 数字化语音实时监控

语音实时监控的主要目的是将车站现场的调车作业信息通过调车灯显电台设备终端的网络服务实时地上传至后台数据库，并由Web服务将数据实时地加载在网页端，以便于车站管理者实时地获取调车作业记录及现场作业情况。

通过将传统的区长台进行改造升级，加装嵌入式操作系统，使之成为一款具备以太网络端口的网络服务终端电台，铁路局内网可将记录在区长台中的所有调车作业的语音及指令信息实时上传至中心数据库服务器。这里主要运用TCP协议将数据以预先统一的通信协议按照报文格式进行传输，并在中心服务器完成数据的解析和存储。

在Web服务中主要采用Spring框架的MVC（模型-视图-控制器）模式为Web后台提供服务，Spring的MVC框架在域模型代码和Web表单之间提供了清晰的分离，并与Spring框架的所有其他功能集成。轻量级Spring框架提供了对MVC模式的实现机制，它主要围绕分发器进行设计，包括可配置的处理器映射、视图解析、本地化、主题解析、支持文件上传等[4]，同时该Web服务运用了WebSocket技术为用户提供了调车记录实时监听的功能，用户可以查阅调车记录、调单执行情况。系统还提供了记录导出、系统权限管理、车站管理、人员管理、权限设置等功能模块。

在权限管理方面，运用SpringSecurity技术将不同权限的终端IP用户根据其不同管理角色的设定，通过返回不同的车站管理页面实现整个平面调车管理系统的分层化设定，方便了不同角色者的使用和操作。相应的系统应用模块组成如图2所示。

图2 平调管理系统应用模块Fig.2 Application module of flat shunting management system

3 远程“站”“调”直通解决方案

兴隆场车站调度大厅值班员为了第一时间掌握并指导团结村车站的调车作业，需要远程与车站运转值班员进行语音沟通对讲和作业监听。

2001年数字光端机问世，其基本工作原理是将要传输的模拟信号（语音、图像）数字化，通过复用的技术将多路低速信号合成一路高速信号，最后进行电-光转换，经发送端发射出去。在接收端，首先进行光-电转换，将一路高速数据流分解成多路低速信号，再把这些数据还原为语音和图像[5]。因此，通过数字光端机将调车语音信号以光信号的方式进行超远距离无损坏传输将是一种有效的解决方案。

主要传输方案是，通过在区长台外接能够将实时语音模拟信号采集并同步放大为增强电平信号的转换模块，该信号由光端机A调制成光信号传输至调度大厅的光端机B，此时由调度大厅的光端机B将该光信号解调，并以数字电平信号的方式输出至值班员面前的光端机远端盒，光端机远端盒将其再一次恢复为话音模拟信号并由扬声器播出；反之亦然，调度大厅的值班员可拿起手中的对讲机，通过车站一端的区长台，将自己的话音传送至现场调车组所有同频率作业电台，达到一对一或一对多的指挥性管理效果，通过这样的方式突破了值班员工作岗位的空间局限性，达到“站”“调”直通的管理效果。该方案主要考虑到光纤通信的以下3个特点。

1）损耗极低，中继距离很长。商品石英光纤现已达到的损耗水平是在1.3 μm波长处损耗为0.35 dB/km，在1.55 μm波长处损耗为0.20 dB/km，这比最好的同轴电缆损耗的百分之一还要低。

2）频带极宽，传输容量很大。光纤比铜线或电缆有大得多的传输带宽，理论上一对单模光纤可传2.5亿个话路，是同轴电缆的几百倍。

3）抗电磁干扰性能好。光纤栅电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。

既保留了区长台数字化集群通信的优势，实现了远程一对多的对讲效果，又可以将通话内容以语音文件的形式记录下来，并上传至系统中心服务器。

4 新型平调系统网络组成架构

新型平调系统的组成主要包括3部分：平面调车灯显设备、调车数据服务管理系统、远程光端机语音直通模块。

利用成都铁路局信息所的办公内网及车站既有的光缆条件搭建了一套以中心数据库服务器和Web应用服务器为中心点的平面调车管理系统，形成了以B/S架构模式为服务基础的IP网络和DMR标准制式的数字集群通信网络相结合的混合型组网系统。

在B/S体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络上的许多服务器发出请求并获取所需信息。实际上B/S体系结构是把二层C/S结构的事务处理逻辑模块从客户机的任务中分离出来，由Web服务器单独组成一层来负担其任务，这样客户机的压力减轻，把负荷分配给了Web服务器[6]。

在铁路交通运输中，数字集群的通信方式极为广泛，属于专用集群通信网组网的范畴，数字集群的基本功能包括组呼、全呼、广播呼、私密呼以及电话互连呼叫等。补充功能包括调度区域选择、多优先级、紧急呼叫、迟后进入、动态重组、调度台强拆强插、故障弱化、直通模式和功能等，对于特殊用户还需提供双向鉴权、空中加密、端到端加密等功能[7]。

新型的平面调车系统中的平面调车电台均为数字DMR制式无线电台，具备数字集群的上述技术特点及优势，是整个平面调车系统生成车站现场作业原始数据的信息源头，其中区长台是整个调车作业组的调车语音、指令信息、调单执行情况等基础数据采集、处理及打包发送上传的业务终端。

作为B/S架构不可或缺的一部分，系统包含中心服务器两台，分别支持来自区长台的调车数据包的实时处理服务和数据库存储业务，数据库服务器主要用于为Web服务和调单接口服务器提供数据实时处理和存储的业务支持。

调单接口服务器则主要用于从路局综调系统获取实时的调单计划状态并发送至中心服务器进行进一步存储并实时下达至各车站，系统组成结构示意如图3所示。