一種適用于鐵路專用線的數字無線列調系統

田 川

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

我國現有鐵路專用線無線通信主要采用450 MHz無線列調和400 MHz模擬對講系統。其中無線列調通信系統是重要的鐵路行車通信組成部分，號稱列車行車“三大件”之一。它在保證列車正點運行、降低機車能耗、提高線路通過能力、通告險情、防止事故、救援搶險等各方面發揮著重要作用。

由于現有450 MHz頻段的無線列調通信系統為模擬制式，存在制式落后、帶寬窄、頻譜利用率低的不足，2013年工信部已發文明確指出將不再指配450～470 MHz頻段的頻率，該頻段預留給IMT業務未來使用。并停止審批450～470 MHz頻段無線電發射設備的型號核準和型號核準證書的延期手續，對于該頻段內相關鐵路用戶引導使用其他頻段。因此，鐵路建設方將面臨無法采購到具有型號核準證的450 MHz無線列調通信設備和使用450 HMz無線列調系統的局面。

其次，自2011年1月1號起國家已停止對400 MHz頻段內模擬對講機設備型號的核準，原鐵道部在2010年也曾發文要求鐵路各相關設臺單位逐步淘汰模擬制式對講機設備，全面推廣數字對講機。因此，對于鐵路專用線來說，現有450 MHz無線列調以及模擬對講系統亟待更新改造，有必要研究采用符合國家和鐵路行業頻率規定的數字無線通信系統。

1 系統概述

1.1 需求分析

對于鐵路專用線無線調度通信需求而言，并無明確的相關規范。不同的專用線,其需求也會有一定的差異，通常是依據國家鐵路無線列調通信系統標準[1]中規定的列車無線調度通信系統的主要功能，或是由專用線運營維護單位提出的其他需求。

鐵路專用線無線調度通信系統用戶主要包括行車調度員（調度臺）、車站值班員（車站臺）、車站助理值班員、機車司機（機車臺）、運轉車站（乘務長）以及沿線維護移動用戶（移動臺）等。系統用戶需完成主要功能如下。

1）語音業務（功能）

調度員按車次號個別呼叫司機并通話，也可對調度區段內的所有機車全呼、通話并發布通告；

調度員采用選站后群呼方式呼叫司機并通話，車站臺占用時，向調度臺示忙，在緊急情況下，調度員可優先與司機通話；在緊急情況下，機車司機可向調度員發出緊急呼叫并通話；

系統應滿足調度員、司機間及車站值班員、司機、助理值班員之間的通話；相鄰車站值班員之間可進行通話；

調度員、車站值班員、與司機間及與移動用戶的通話,分別由調度所、車站及機車上的錄音設備自動錄音。

2）數據業務（功能）

調度員向司機發送調度指令并顯示，司機向調度員發送報告并顯示，非話信息由調度所設備和機車設備分別記錄；

司機呼叫調度員時，調度所設備應具有顯示、存儲機車呼入的功能（本地存）；

機車臺、車站臺、調度所設備之間應具有雙向數據傳輸功能，具有實時數據、短數據和報文分包傳送的功能；

系統具有遠程集中監測車站臺、調度所設備及區間盲區覆蓋中繼設備的工作狀態和參數設置功能；

系統具有機車出入庫自動檢測和配合場強測試啟動車站臺發射的功能；機車電臺預留列尾裝置、DMIS無線車次號校核系統、調度命令無線傳輸系統等數據接口。

1.2 系統組網

近年來，數字移動無線通信(Digital Mobile Radio， DMR)技術是歐洲數字對講機使用的協議標準，多用于專用數字對講機，現已成為國際數字對講機的主流標準，并得到了廣泛的運用，且國際、國內眾多產品廠商支持，產品成熟。本文提出一種基于DMR標準的數字無線通信系統，能夠滿足鐵路專用線無線通信需求。

該系統采用DMR數字體制，基于MOTO的主要DMR硬件平臺，通過軟硬件結合的方式，主要實現列車調度的大三角通信（調度總機、車站值班員、機車司機之間）、小三角通信（車站值班員、機車司機、車長之間），并兼顧其他移動用戶通信業務（如工務、電務、后勤組通信）。系統采用最新的DMR同頻中繼組網，使呼叫建立更快，并能兼容異頻中繼模式和同頻直通模式，既保證大范圍的無線無縫覆蓋，也能在中繼故障情況下自動同頻直通，大大提高了系統可靠性。

鐵路專用線數字無線列調系統在調度中心設置調度臺、中心服務器、JSON服務器（業務服務器）、數據網關、錄音服務器和數據庫，通過IP網絡進行互聯。在各車站設置車站臺、無線終端和基站，每個基站設置2套數字中繼臺（無線信道機）為車站以及鐵路沿線提供無線覆蓋，一個信道機用于行車調度通信，另外一個信道機用于其他移動用戶組通信（如工務、電務、后勤等）。中心服務器作為整個系統的核心控制器并監測整個系統的運行狀態，調度臺、車站臺、基站中繼臺和錄音服務器通過IP網絡在中心服務器上注冊后，接入系統進行工作。

系統組網示意如圖1所示。

圖1 系統組網示意圖

沿線基站采用最新技術的DFR中繼（收發異頻同步），所有基站接收頻率配置為F4，為了避免同頻干擾按類似模擬無線列調方式間隔配置F1/F2/F3；所有終端配置為發射頻率F4，接收頻率配置為F1/F2/F3/F4自動掃頻；當終端掃到某個頻率有信號就停留在該頻率接收，否則不斷掃頻。這樣即使系統故障，站端的助理值班員、司機、車長間也可以在直通頻率上應急通訊調度，系統的可靠性得到提高。

2 系統架構

鐵路專用線數字無線列調系統由行車調度臺、中心服務器、JSON服務器、錄音服務器、數據庫、數據網關、車站臺、模擬單元以及基站組成。各終端通過基站中繼臺向系統進行注冊接入系統。鐵路專用線數字無線列調系統架構如圖2所示。

1）行車調度臺

鐵路專用線數字無線列調系統中的行車調度臺為行車調度員提供一個圖形化操作界面。在行車調度臺操作界面上顯示系統中所有設備的鏈接狀態和運行狀態，實時查看終端設備的狀態；顯示系統中所有車站信息，以及在每個站下的所有車次信息，并在行車調度臺地圖界面上實時顯示機車的位置信息；在行車調度臺操作界面上，行車調度員可以選擇目標進行實時監聽，也可以選擇目標進行單呼、組呼和大小三角通訊；行車調度員通過行車調度臺操作界面，可以查詢系統存儲的數據信息和錄音文件信息，并進行錄音回放；在操作界面上行車調度員可以進行調單編輯和短信息編輯并進行下發。

2）中心服務器

鐵路專用線數字無線列調系統中的中心服務器管理和控制整個系統的運行。維護調度臺、錄音服務器、車站臺和基站中繼臺與系統的鏈接，并對注冊入系統的終端進行合法性鑒權；實時監測接入系統的設備和終端鏈接狀態和運行狀態；對系統用戶發起的呼叫進行仲裁處理（包括調度臺發起的呼叫以及終端用戶發起的呼叫），并將語音數據包實時轉發給被呼叫方進行談話放音；將系統中的各用戶發送的語音數據、數據信息、短信息、GPS信息和調單進行存儲。

圖2 系統架構圖

3）JSON服務器

鐵路專用線數字無線列調系統中JSON服務器主要職責：調度臺通過JSON服務器訪問系統數據庫，讀取系統信息。

4）錄音服務器

鐵路專用線數字無線列調系統中的錄音服務器主要職責是：對系統內所有用戶的語音通話進行錄音，以便事后檢索和回溯。

5）數據庫

鐵路專用線數字無線列調系統中的數據庫主要職責是，存儲系統信息，包括接入系統所有設備和終端的用戶信息、錄音文件信息、數據信息(調單、短消息)以及終端GPS位置信息等。

6）車站臺

鐵路專用線數字無線列調系統中的車站臺主要職責是：為車站值班員提供一個操作和管理本站終端的圖形化操作界面。

7）DMR數字基站

鐵路專用線數字無線列調系統中的基站由行車調度中繼臺、沿線作業中繼臺以及天饋系統組成，為整個系統提供信號覆蓋；這些數字基站嚴格遵循標準的DMR協議，兼容性擴展性好。支持系統移動終端進行連接注冊、語音通訊、數據轉發和越區切換。

3 系統相關技術

3.1 越區切換

本系統對于機車越區切換分兩種工作模式。

1）工作模式一

為了實現機車越區切換時不掉話，將機車運行所在當前站與下一站基站綁定，兩站下行發送內容相同，這樣就能保證機車越區時不掉話。該模式的優點是保證越區切換時，調度臺和機車臺之間的通訊不中斷；缺點是在當前站發起大三角通話時，下一站的基站同時被占用，覆蓋區內其他終端通訊呼叫將無法完成。

改進措施是系統不斷檢測機車所處位置，只有當機車接近切換區時發生大三角通信才將相鄰兩基站綁定，否則不綁定，這樣可提高系統容量。若機車臺呼叫調度臺過程中發生越區切換，重疊區兩個基站都是能收到上行的信號，系統基于保證通話不斷原則判斷越區切換；若調度臺呼叫機車臺過程中發生越區切換，由于相鄰兩個基站綁定，下發的信號相同，越區切換不掉話；若機車臺靜默狀態越區切換，系統基于機車臺不斷發起的心跳信息及GPS信息判斷越區切換。

而對于機車臺與車站臺之間的通話不存在越區切換問題，通話過程中不切換，直到機車駛出當前覆蓋區后再與下一站發起呼叫；機車臺在靜默狀態越區切換，系統根據心跳和GPS信息判斷越區切換。

2）工作模式二

該模式不考慮機車臺與調度臺之間通話的無縫切換問題。當前站發起大三角通話不影響相鄰站，這樣通話容量相對工作模式一更大，缺點是越區切換時會有短暫掉話，約1 s時間。

調度臺呼叫機車臺過程中發生越區切換，系統基于盡量保證當前通話鏈路原則判斷越區切換，切換中必然會通話中斷，直到下一個基站收到心跳注冊信息或機車臺主動發起呼叫建立新的鏈路；機車臺呼叫調度臺過程中，機車臺越區切換存在短暫的中斷約1 s，不需要機車臺重新發起呼叫，通話能自動在下一站建立連接；車站臺和機車臺間的通話不存在越區切換問題，機車駛出當前站覆蓋范圍，即斷開與當前站的連接自動建立與下一個站的車站臺的連接；機車臺在靜默狀態越區切換，系統根據心跳和GPS信息判斷越區切換。

3.2 DFR收發同步基站技術

本系統基站中繼臺采用DFR收發同步技術，相對于普通DMR中繼臺都遵循DMR協議，不同點是DFR中繼臺收到電臺信號后，在同一頻點（或不同頻點）另一時隙轉發。對于移動終端（機車臺、車長臺、助理值班員臺）工作在自動掃頻模式，掃頻范圍包括附近中繼的下發頻率和終端間的直通頻率。終端既可以接收其他終端的直通信號，也可以接收中繼臺轉發的信號，自動選擇使用最好的信號。這樣既可以實現通過中繼組網擴大覆蓋范圍和系統管理功能，也能在中繼或系統故障情況下進入應急直通模式，大大提高系統工作的可靠性。其示意如圖3所示。

圖3 收發同步基站技術

3.3 系統圖形化顯示技術

調度臺和車站臺自帶大屏觸摸顯示屏，提高用戶感知親和度，系統采用圖形化顯示，將列車行駛動態、系統設備運行狀態等信息圖形化顯示在操作大屏上。當需要呼叫某機車時，可通過圖形顯示直接點擊呼叫，方便快捷。系統設備運行狀態也可實時顯示在圖形化界面上，當某設備故障時能自動報警并圖形提示。

4 結語

本文提出的鐵路專用線數字無線通信系統，能夠較好的滿足鐵路專用線無線調度通信的需求，可為相關工程設計提供參考，系統后續還將從其他方面進行改進，例如。

1)改進系統越區切換性能。借助GPS、心跳信息、信號強度等信息，通過運算推斷移動終端當前位置，動態調整心跳、GPS上報頻率，系統通過專家系統精準判斷越區切換最佳點，提高越區時的用戶感知和可靠性。

2)引入集群處理。對于線路復雜區段，行車調度通信采用基站集群技術將多信道共享，能夠較大提高信道利用率，使同樣信道數量下用戶感知的系統容量更大。同時根據系統信道規模可以采用駐留信道模式，最大化使用可用信道；也可以采用固定控制信道的集群模式，保證用戶接入時間的一致性。

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