新型數(shù)字化語音實時監(jiān)控平調(diào)系統(tǒng)的組成及技術(shù)應(yīng)用

薛陽陽，吳宇航，廖席沆

（1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司興隆場車站，重慶 400020）

1 概述

作為現(xiàn)代鐵路調(diào)車作業(yè)的基礎(chǔ)通信信號設(shè)備，平面調(diào)車設(shè)備的發(fā)展與升級對整個鐵路運(yùn)輸行業(yè)的效率提升具有直接影響。從目前國內(nèi)市場現(xiàn)有的平面調(diào)車設(shè)備來看，鐵路無線調(diào)車燈顯設(shè)備由調(diào)車機(jī)車控制器（以下簡稱機(jī)控器）、調(diào)車區(qū)長臺（以下簡稱區(qū)長臺）、調(diào)車手持臺（以下簡稱手持臺）和附屬設(shè)備組成[1]。用于輔助調(diào)車人員完成大型編組站、區(qū)段站的貨（客）運(yùn)車站進(jìn)行列車的解體、編組、取送、摘掛等一系列調(diào)車作業(yè)任務(wù)。無線調(diào)車燈顯設(shè)備是一整套功能完備的調(diào)車電臺集群設(shè)備，主要用于車站平面調(diào)車作業(yè)時的信令發(fā)送和語音通信對講。一般來講一個基本的調(diào)車組構(gòu)成主要有以下人員角色：運(yùn)轉(zhuǎn)室值班員、調(diào)車機(jī)主/副司機(jī)、調(diào)車長、制動員一號、二號，分別對應(yīng)操控的調(diào)車燈顯設(shè)備為：區(qū)長臺、固定（便攜）式機(jī)控器、調(diào)車長手持臺、制動員手持臺。

運(yùn)轉(zhuǎn)室值班員通過觀察聯(lián)鎖系統(tǒng)實時線路信號燈狀態(tài)，確保調(diào)車作業(yè)轉(zhuǎn)場等過程的行進(jìn)安全，有序指揮現(xiàn)場執(zhí)行調(diào)車任務(wù)。

調(diào)車機(jī)司機(jī)通過連接在機(jī)車LKJ運(yùn)監(jiān)接口的機(jī)控器和室內(nèi)值班員及地面調(diào)車長、制動員保持語音溝通，并根據(jù)機(jī)控器接收到調(diào)車長的操控指令和設(shè)備色燈的變化狀態(tài)，從而控制行駛車速和狀態(tài)。

調(diào)車長在列車進(jìn)行調(diào)車作業(yè)的過程中負(fù)責(zé)觀察列車、地面、調(diào)車組人員情況并保障現(xiàn)場作業(yè)安全，通過手持臺來進(jìn)行語音溝通，并通過按鍵打調(diào)車指令的方式執(zhí)行調(diào)車計劃單任務(wù)。

制動員手持調(diào)車作業(yè)電臺，根據(jù)調(diào)車長的操控指令和語音通話所傳達(dá)的信息，在列車進(jìn)行推進(jìn)、鉤掛、連接、拆解等作業(yè)時進(jìn)行排風(fēng)管的拆解或連接等操作，并隨時觀察列車行進(jìn)過程中的車速和末端距離、前方路況狀態(tài)來確保調(diào)車作業(yè)環(huán)境及現(xiàn)場人員安全。具體的調(diào)車作業(yè)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 鐵路平面調(diào)車作業(yè)組成示意Fig.1 Schematic diagram of railway flat shunting operation composition

2005年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了一種用于指揮調(diào)度的移動通信標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字移動無線電（Digital Mobile Radio， DMR）標(biāo)準(zhǔn)。DMR傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號，采用TDMA多址方式，同時具有許多模擬系統(tǒng)不可能達(dá)到的優(yōu)勢。其中包含信道利用率高，服務(wù)質(zhì)量好、通話私密性有保障、智能網(wǎng)絡(luò)等[2]。

從目前國內(nèi)的鐵路貨運(yùn)類調(diào)車作業(yè)信息化的情況來看，北方大部分車站既有平調(diào)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能過于單一，主要是利用老式的模擬調(diào)制類型電臺或DMR標(biāo)準(zhǔn)制式的數(shù)字電臺進(jìn)行調(diào)車作業(yè)，車站管理者只能將當(dāng)天的調(diào)車設(shè)備存儲數(shù)據(jù)從硬件導(dǎo)出后才可了解具體作業(yè)情況，因此，管理者并不能及時便捷地獲取實時作業(yè)情況和信息。對于中歐班列始發(fā)站場的興隆場車站而言，平面調(diào)車業(yè)務(wù)需要一套新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)調(diào)車管理系統(tǒng)，以滿足團(tuán)結(jié)村車站等其他車站日益繁忙的貨運(yùn)節(jié)奏和整個區(qū)段更為集中化綜合調(diào)度的運(yùn)營管理模式。

實行集中化調(diào)車作業(yè)是以自動化指揮和作業(yè)優(yōu)化為前提的，而且要考慮外部作業(yè)條件的約束。例如調(diào)機(jī)牽引力“線路容車數(shù)”作業(yè)時間限制以及相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)在進(jìn)度上的配合等，其中作業(yè)時間限制及相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)的進(jìn)度配合源于列車運(yùn)行圖和車站作業(yè)計劃對運(yùn)輸生產(chǎn)的總體安排，調(diào)車作業(yè)只是其中的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需服從這種安排。否則運(yùn)輸生產(chǎn)將失去其必需的協(xié)同性[3]。因此，從整體上提升編組站對于區(qū)段站的作業(yè)協(xié)同性，車站站調(diào)大廳動態(tài)了解和掌握車站作業(yè)情況，采用集中化的方式對調(diào)機(jī)、線路進(jìn)行管理，將非常有利于管理者調(diào)整調(diào)車策略，提高指揮水平，緩解局部區(qū)段的貨運(yùn)壓力，也有助于提前發(fā)現(xiàn)問題，排除部分生產(chǎn)安全隱患。

2 數(shù)字化語音實時監(jiān)控

語音實時監(jiān)控的主要目的是將車站現(xiàn)場的調(diào)車作業(yè)信息通過調(diào)車燈顯電臺設(shè)備終端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實時地上傳至后臺數(shù)據(jù)庫，并由Web服務(wù)將數(shù)據(jù)實時地加載在網(wǎng)頁端，以便于車站管理者實時地獲取調(diào)車作業(yè)記錄及現(xiàn)場作業(yè)情況。

通過將傳統(tǒng)的區(qū)長臺進(jìn)行改造升級，加裝嵌入式操作系統(tǒng)，使之成為一款具備以太網(wǎng)絡(luò)端口的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終端電臺，鐵路局內(nèi)網(wǎng)可將記錄在區(qū)長臺中的所有調(diào)車作業(yè)的語音及指令信息實時上傳至中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。這里主要運(yùn)用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)以預(yù)先統(tǒng)一的通信協(xié)議按照報文格式進(jìn)行傳輸，并在中心服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的解析和存儲。

在Web服務(wù)中主要采用Spring框架的MVC（模型-視圖-控制器）模式為Web后臺提供服務(wù)，Spring的MVC框架在域模型代碼和Web表單之間提供了清晰的分離，并與Spring框架的所有其他功能集成。輕量級Spring框架提供了對MVC模式的實現(xiàn)機(jī)制，它主要圍繞分發(fā)器進(jìn)行設(shè)計，包括可配置的處理器映射、視圖解析、本地化、主題解析、支持文件上傳等[4]，同時該Web服務(wù)運(yùn)用了WebSocket技術(shù)為用戶提供了調(diào)車記錄實時監(jiān)聽的功能，用戶可以查閱調(diào)車記錄、調(diào)單執(zhí)行情況。系統(tǒng)還提供了記錄導(dǎo)出、系統(tǒng)權(quán)限管理、車站管理、人員管理、權(quán)限設(shè)置等功能模塊。

在權(quán)限管理方面，運(yùn)用SpringSecurity技術(shù)將不同權(quán)限的終端IP用戶根據(jù)其不同管理角色的設(shè)定，通過返回不同的車站管理頁面實現(xiàn)整個平面調(diào)車管理系統(tǒng)的分層化設(shè)定，方便了不同角色者的使用和操作。相應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成如圖2所示。

圖2 平調(diào)管理系統(tǒng)應(yīng)用模塊Fig.2 Application module of flat shunting management system

3 遠(yuǎn)程“站”“調(diào)”直通解決方案

興隆場車站調(diào)度大廳值班員為了第一時間掌握并指導(dǎo)團(tuán)結(jié)村車站的調(diào)車作業(yè)，需要遠(yuǎn)程與車站運(yùn)轉(zhuǎn)值班員進(jìn)行語音溝通對講和作業(yè)監(jiān)聽。

2001年數(shù)字光端機(jī)問世，其基本工作原理是將要傳輸?shù)哪M信號（語音、圖像）數(shù)字化，通過復(fù)用的技術(shù)將多路低速信號合成一路高速信號，最后進(jìn)行電-光轉(zhuǎn)換，經(jīng)發(fā)送端發(fā)射出去。在接收端，首先進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，將一路高速數(shù)據(jù)流分解成多路低速信號，再把這些數(shù)據(jù)還原為語音和圖像[5]。因此，通過數(shù)字光端機(jī)將調(diào)車語音信號以光信號的方式進(jìn)行超遠(yuǎn)距離無損壞傳輸將是一種有效的解決方案。

主要傳輸方案是，通過在區(qū)長臺外接能夠?qū)崟r語音模擬信號采集并同步放大為增強(qiáng)電平信號的轉(zhuǎn)換模塊，該信號由光端機(jī)A調(diào)制成光信號傳輸至調(diào)度大廳的光端機(jī)B，此時由調(diào)度大廳的光端機(jī)B將該光信號解調(diào)，并以數(shù)字電平信號的方式輸出至值班員面前的光端機(jī)遠(yuǎn)端盒，光端機(jī)遠(yuǎn)端盒將其再一次恢復(fù)為話音模擬信號并由揚(yáng)聲器播出；反之亦然，調(diào)度大廳的值班員可拿起手中的對講機(jī)，通過車站一端的區(qū)長臺，將自己的話音傳送至現(xiàn)場調(diào)車組所有同頻率作業(yè)電臺，達(dá)到一對一或一對多的指揮性管理效果，通過這樣的方式突破了值班員工作崗位的空間局限性，達(dá)到“站”“調(diào)”直通的管理效果。該方案主要考慮到光纖通信的以下3個特點。

1）損耗極低，中繼距離很長。商品石英光纖現(xiàn)已達(dá)到的損耗水平是在1.3 μm波長處損耗為0.35 dB/km，在1.55 μm波長處損耗為0.20 dB/km，這比最好的同軸電纜損耗的百分之一還要低。

2）頻帶極寬，傳輸容量很大。光纖比銅線或電纜有大得多的傳輸帶寬，理論上一對單模光纖可傳2.5億個話路，是同軸電纜的幾百倍。

3）抗電磁干擾性能好。光纖柵電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。

既保留了區(qū)長臺數(shù)字化集群通信的優(yōu)勢，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程一對多的對講效果，又可以將通話內(nèi)容以語音文件的形式記錄下來，并上傳至系統(tǒng)中心服務(wù)器。

4 新型平調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成架構(gòu)

新型平調(diào)系統(tǒng)的組成主要包括3部分：平面調(diào)車燈顯設(shè)備、調(diào)車數(shù)據(jù)服務(wù)管理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程光端機(jī)語音直通模塊。

利用成都鐵路局信息所的辦公內(nèi)網(wǎng)及車站既有的光纜條件搭建了一套以中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和Web應(yīng)用服務(wù)器為中心點的平面調(diào)車管理系統(tǒng)，形成了以B/S架構(gòu)模式為服務(wù)基礎(chǔ)的IP網(wǎng)絡(luò)和DMR標(biāo)準(zhǔn)制式的數(shù)字集群通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合型組網(wǎng)系統(tǒng)。

在B/S體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，用戶通過瀏覽器向分布在網(wǎng)絡(luò)上的許多服務(wù)器發(fā)出請求并獲取所需信息。實際上B/S體系結(jié)構(gòu)是把二層C/S結(jié)構(gòu)的事務(wù)處理邏輯模塊從客戶機(jī)的任務(wù)中分離出來，由Web服務(wù)器單獨(dú)組成一層來負(fù)擔(dān)其任務(wù)，這樣客戶機(jī)的壓力減輕，把負(fù)荷分配給了Web服務(wù)器[6]。

在鐵路交通運(yùn)輸中，數(shù)字集群的通信方式極為廣泛，屬于專用集群通信網(wǎng)組網(wǎng)的范疇，數(shù)字集群的基本功能包括組呼、全呼、廣播呼、私密呼以及電話互連呼叫等。補(bǔ)充功能包括調(diào)度區(qū)域選擇、多優(yōu)先級、緊急呼叫、遲后進(jìn)入、動態(tài)重組、調(diào)度臺強(qiáng)拆強(qiáng)插、故障弱化、直通模式和功能等，對于特殊用戶還需提供雙向鑒權(quán)、空中加密、端到端加密等功能[7]。

新型的平面調(diào)車系統(tǒng)中的平面調(diào)車電臺均為數(shù)字DMR制式無線電臺，具備數(shù)字集群的上述技術(shù)特點及優(yōu)勢，是整個平面調(diào)車系統(tǒng)生成車站現(xiàn)場作業(yè)原始數(shù)據(jù)的信息源頭，其中區(qū)長臺是整個調(diào)車作業(yè)組的調(diào)車語音、指令信息、調(diào)單執(zhí)行情況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、處理及打包發(fā)送上傳的業(yè)務(wù)終端。

作為B/S架構(gòu)不可或缺的一部分，系統(tǒng)包含中心服務(wù)器兩臺，分別支持來自區(qū)長臺的調(diào)車數(shù)據(jù)包的實時處理服務(wù)和數(shù)據(jù)庫存儲業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于為Web服務(wù)和調(diào)單接口服務(wù)器提供數(shù)據(jù)實時處理和存儲的業(yè)務(wù)支持。

調(diào)單接口服務(wù)器則主要用于從路局綜調(diào)系統(tǒng)獲取實時的調(diào)單計劃狀態(tài)并發(fā)送至中心服務(wù)器進(jìn)行進(jìn)一步存儲并實時下達(dá)至各車站，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of system composition structure

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將DMR標(biāo)準(zhǔn)制式數(shù)字調(diào)車電臺和B/S架構(gòu)的Web應(yīng)用平臺進(jìn)行創(chuàng)新性的有效結(jié)合，通過對現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的實時上傳和處理，達(dá)到了車站作業(yè)可視化、集中化、規(guī)范化的管理效果，提高了車站調(diào)車信息動態(tài)處理水平，并利用光端機(jī)遠(yuǎn)程語音信息處理技術(shù)，實現(xiàn)了“站、調(diào)”語音直通的調(diào)車指揮效果。

通過技術(shù)的結(jié)合、提升和應(yīng)用，從生產(chǎn)成本、系統(tǒng)維護(hù)成本等諸多方面為車站提供了較好的解決方案，提供了降本增效的社會價值。