數(shù)字通信技術(shù)在三線鐵路中的應(yīng)用探究

蔣寰華 孫 洋 佟佳霖 呂東冬

（遼寧傳媒學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目是提高職業(yè)技能技術(shù)水平的重要途徑。數(shù)字通信技術(shù)在三線鐵路中的應(yīng)用，使控制室與各節(jié)點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)、協(xié)調(diào)指揮能有效地結(jié)合起來，是實(shí)踐性較強(qiáng)的創(chuàng)新性工作。為了提高數(shù)字通信的準(zhǔn)確性，通過應(yīng)用數(shù)字通信新技術(shù)，尤其是數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用，可使用密鑰和加密函數(shù)來保證三線通信的安全。

“三線建設(shè)”是我國在20世紀(jì)創(chuàng)造的一個(gè)偉大壯舉。在毛主席的領(lǐng)導(dǎo)下，我國軍民用雙手寫下了不朽篇章。1984年聯(lián)合國評(píng)選出20世紀(jì)人類征服自然的三項(xiàng)偉大奇跡，即蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星、美國的阿波羅登月計(jì)劃和中國修建的成昆鐵路。

數(shù)字通信技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三線鐵路交通運(yùn)輸指揮的網(wǎng)絡(luò)化、信息化。三線鐵路中心控制室是三線鐵路的關(guān)鍵部門，控制室使用通信軟件，通過密鑰來控制車站各部門的通信信號(hào)，從而將信號(hào)發(fā)送給各個(gè)車站。本研究提出三線鐵路通信信號(hào)指揮系統(tǒng)的安全方案，并介紹該指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和實(shí)踐應(yīng)用。

1 通信技能實(shí)踐的研究目的

安全是指揮系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是通信技術(shù)實(shí)踐研究的目的，最重要的是要防止無效指令信息的訪問。各操作臺(tái)所傳輸信息的要確保安全，傳遞的指揮指令要通過操作臺(tái)，且不能改變。為此，控制室要建立數(shù)字化信息保密網(wǎng)絡(luò)，即數(shù)字信息驗(yàn)證平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)。為了確保三線鐵路的安全，就要保證控制室發(fā)送的指令絕對(duì)安全。應(yīng)用短距離數(shù)字通信技術(shù)能有效解決這一問題。

三線鐵路各部門的操作臺(tái)既要接受控制室的通信信息，又要向控制室反饋乘客的狀況信息。工作既要準(zhǔn)確，又要按時(shí)，難度不小?？刂剖沂强刂浦笓]系統(tǒng)的中心，是三線鐵路的指揮系統(tǒng)?？刂剖业闹噶钜獙?shí)現(xiàn)安全傳遞，就要對(duì)分散在各處的操作臺(tái)進(jìn)行指令數(shù)據(jù)分析。

2 通信技能操作的研究方法

通信技能操作是通過遺傳算法來確定主模塊，并通過保障軟件來實(shí)現(xiàn)通信的。數(shù)字通信技術(shù)采用遺傳算法來實(shí)現(xiàn)通信。這種算法的種群規(guī)模很小，很容易操作。該算法因其開發(fā)能力和探索能力強(qiáng)，而被用在控制室指令的傳遞上。數(shù)字遺傳算法是一種比較優(yōu)秀的算法。由于通信技能采用數(shù)字通信技術(shù)，所以其收斂速度非?？欤@也是控制室指令傳遞所需的。數(shù)字遺傳算法在控制室指令的傳遞中實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高頻率的傳遞。

將遺傳算法應(yīng)用于三線通信信息的傳遞中。從遺傳算法的角度來看，如果遺傳算法是順序結(jié)構(gòu)，那么該算法是一進(jìn)一出；如果遺傳算法是選擇結(jié)構(gòu)，那么該算法是一進(jìn)二出；如果遺傳算法是循環(huán)結(jié)構(gòu)，那么該算法是二進(jìn)一出。通過確定三線控制室的算法，從而確定返回控制室的接口。

2.1 短距離通信網(wǎng)

在控制室建立通信信息保密網(wǎng)絡(luò)，即通信驗(yàn)證平臺(tái)和通信應(yīng)用平臺(tái)，其是由五個(gè)工作發(fā)送節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接收主機(jī)組成的短距離通信網(wǎng)。接收主機(jī)用于接收、顯示、記錄工作發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送出的數(shù)據(jù)?？刂剖以O(shè)備是由計(jì)算機(jī)主機(jī)組成，計(jì)算機(jī)主機(jī)中含有全部的接收軟件和通信軟件。計(jì)算機(jī)主機(jī)的硬件包括單片機(jī)、單片無線收發(fā)器、調(diào)制器、接口等。這些硬件可在強(qiáng)頻段、中頻段和弱頻段工作，通信效果甚佳，從而使接收主機(jī)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的工作更加順暢。

短距離數(shù)字通信技術(shù)系統(tǒng)包括一個(gè)接收主機(jī)、四個(gè)控制室接收節(jié)點(diǎn)和十二個(gè)接收節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。短距離數(shù)字通信技術(shù)系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由收發(fā)模塊、長度傳感器和單片機(jī)構(gòu)成。工作時(shí)，四個(gè)控制室接收節(jié)點(diǎn)和十二個(gè)接收節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后靜默不動(dòng)，等候主機(jī)的詢問。在其接到主機(jī)指令后，如果主機(jī)指令系統(tǒng)和本機(jī)指令系統(tǒng)一致，則接收節(jié)點(diǎn)開始工作，三線指揮系統(tǒng)的信號(hào)就這樣傳遞給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。三線空間形態(tài)要保證通信的需求，這是短距離通信技術(shù)系統(tǒng)暢通的前提。

2.2 信號(hào)傳遞的密碼技術(shù)

密碼技術(shù)在通信中發(fā)揮的作用非常大，不可破解是通信密碼系統(tǒng)的核心［1］。控制室通信保障系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)安全利用和管理，就要采用通信加密技術(shù)。

控制室通信保障系統(tǒng)［2］包括通信保障軟件體系、通信保障身份確認(rèn)軟件、通信保障保密傳輸軟件、通信保障網(wǎng)絡(luò)層軟件和通信保障密鑰軟件，其是用于開發(fā)和運(yùn)行控制室的主體模塊。

三線與外界通信聯(lián)系的紐帶是三線的出入口，通信光纖和電纜通過三線的出入口來引入三線，傳遞密鑰是通過光纖和電纜進(jìn)行傳遞的，光纖和電纜即為密碼系統(tǒng)的組成部分。

各個(gè)出入口都設(shè)有滾動(dòng)電梯。根據(jù)各三線站廳與站臺(tái)的位置和高低來決定滾動(dòng)電梯的排列與長短，三線鐵路的數(shù)字化、信息化的重要特征就是滾動(dòng)電梯。滾動(dòng)電梯的啟動(dòng)系統(tǒng)也是三線通信系統(tǒng)的組成部分，滾動(dòng)電梯啟動(dòng)系統(tǒng)的密鑰更是三線通信系統(tǒng)的組成部分。

2.3 通信保障軟件系統(tǒng)

控制室通信保障軟件系統(tǒng)提供了一個(gè)平臺(tái)，其用于支持控制室通信保障身份確認(rèn)軟件的身份鑒別、通信保障傳輸軟件系統(tǒng)化授權(quán)、通信保障軟件網(wǎng)絡(luò)層傳輸、通信保障密鑰軟件密鑰管理等?？刂剖彝ㄐ疟Ｕ宪浖饕糜诩夹g(shù)保障。

控制室應(yīng)用的是一種無條件安全的通信方式，從而保證數(shù)字通信的安全，并提高通信的效率。數(shù)字通信有一種非常神奇的狀態(tài)，即當(dāng)一個(gè)數(shù)字出現(xiàn)變化時(shí)，另外一個(gè)數(shù)字也會(huì)立即發(fā)生變化，此為數(shù)字糾纏。這種快速反應(yīng)和超距離的高效率是信息傳輸所需的數(shù)字通信。絕對(duì)安全和絕對(duì)保密是數(shù)字糾纏通信傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。一旦傳輸崩塌，就意味著道路上出現(xiàn)攔截，所以要保證信息傳輸?shù)陌踩?，就要保障?shù)字通信的絕對(duì)安全，絕不能出現(xiàn)信息泄露的問題。采用數(shù)字糾纏和密碼技術(shù)使數(shù)字通信有了保證。

3 通信技能操作的研究手段

選擇單獨(dú)的光纖作為數(shù)字信道是指令傳遞的前提，保護(hù)控制室指揮結(jié)果的安全是控制室指令的主要任務(wù)，要使指令信息在傳遞的過程中克服威脅是數(shù)字信道上的工作任務(wù)。這些威脅會(huì)使控制室的信息在各節(jié)點(diǎn)接收信息過程中被非法截取，或被非法破壞，從而造成控制室指令信息泄露，導(dǎo)致三線交通的數(shù)字信息不安全。這是非常危險(xiǎn)的問題。只有安全的數(shù)字通信技術(shù)才能解決以往技術(shù)無法解決的問題。

3.1 有線通道和無線通道并行

通道是信息通信的實(shí)體鏡像。三線的步行通道中的乘客是通過乘客通行走廊進(jìn)站或出站的。按地形的不同，三線的步行通道可分為直線形、曲線形和三角形等，通信信道也和步行通道并行排列，有線通道和無線通道并行。

現(xiàn)有的控制室基礎(chǔ)設(shè)施與通信應(yīng)用服務(wù)器連接在一起，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)絡(luò)既有硬件，也有軟件。通信網(wǎng)絡(luò)是由7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成的，包括數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。步行通道既有乘客通道，又有網(wǎng)絡(luò)通道。在控制室的控制下，網(wǎng)絡(luò)通道更為重要?？刂剖业目刂浦噶钪挥性诰W(wǎng)絡(luò)通道中才能準(zhǔn)確及時(shí)地傳遞給車站的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，乘客才能在接收到網(wǎng)絡(luò)通道傳遞來的指令后，才能在步行通道上通行。

無線網(wǎng)絡(luò)［3］是通信網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)向控制室服務(wù)器發(fā)出查詢指令信息的請(qǐng)求，由控制室服務(wù)器與控制室分室應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行信息交換，通過通信服務(wù)器［2］進(jìn)行通信加密［1］，并傳輸給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 密鑰技術(shù)的身份認(rèn)證

數(shù)字通信技術(shù)的身份認(rèn)證也十分重要，尤其是在云計(jì)算時(shí)代，如果信息安全無法得到保證，電子信息頃刻間就會(huì)被偷走，而數(shù)字通信技術(shù)能有效解決這一問題。對(duì)于控制室的通信，數(shù)字通信技術(shù)通過電子糾纏使電子信息無損地傳遞給三線鐵路的各節(jié)點(diǎn)部門。其中，最重要的是身份認(rèn)證，只有確定身份后才能發(fā)送信息。乘客進(jìn)出站、上下車的交接處是站廳和站臺(tái)。乘客要在站廳完成進(jìn)出站的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，乘客上下車的交接地點(diǎn)是站臺(tái)。乘客在三線站逗留和候車的場所是站廳、站臺(tái)。乘客在三線站活動(dòng)的主要場所是站廳、站臺(tái)。站廳、站臺(tái)也是車站和乘客通信的驛站。通信網(wǎng)絡(luò)是解決問題的關(guān)鍵。監(jiān)控應(yīng)用程序應(yīng)用密鑰技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)部門的聯(lián)結(jié)［4］，各部門打開文件就要對(duì)文件進(jìn)行解密件，傳遞文件就要對(duì)文件進(jìn)行加密［5］，這是一種保護(hù)文件安全的最好方法。所有保護(hù)文件安全的方法都是在通信網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行的。通信網(wǎng)絡(luò)條件是最基礎(chǔ)的，沒有網(wǎng)絡(luò)條件，一切將無從談起。通信的網(wǎng)絡(luò)條件把各個(gè)部門控制在一個(gè)安全重要的三線鐵路通信環(huán)境中。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞

控制室指令是在流動(dòng)方式下進(jìn)行傳遞的。這種傳遞涉及數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流的傳遞是數(shù)字通信的核心。數(shù)字通信即數(shù)據(jù)流的傳遞。動(dòng)態(tài)的信息傳遞就是流動(dòng)的電子信息，也是流動(dòng)的數(shù)字通信。數(shù)字通信技術(shù)采用電子糾纏的方案，從而達(dá)到保護(hù)電子信息的目的，也即保證信息流動(dòng)的安全性。三線通信糾錯(cuò)編解碼技術(shù)成功地解決信息傳遞問題［6］。三線通信的安全與否與控制室的硬件環(huán)境有關(guān)。同時(shí)，實(shí)踐中將邏輯代數(shù)理論和數(shù)字電路技術(shù)應(yīng)用于三線通信。邏輯門是三線通信技術(shù)應(yīng)用的前提，邏輯門可以是一位門、二位門、三位門。在三位門中，一位是控制位，其余兩位是目標(biāo)位。

3.4 量子態(tài)疊加原理

控制室的數(shù)字指令信息是通過邏輯門進(jìn)行傳播的，邏輯門是通過量子力學(xué)來體現(xiàn)的。量子力學(xué)的量子態(tài)可用態(tài)疊加原理來表示，見式（1）、式（2）。

式中：C0和C1為兩個(gè)復(fù)常數(shù)。

式中：“0”和“1”是量子位的特例。

電子糾纏能實(shí)現(xiàn)保護(hù)電子信息的目的。糾纏是要付出代價(jià)的，控制室的指令信息和三線鐵路的通信信息都要付出代價(jià)。當(dāng)糾纏完畢后，兩個(gè)信息就定下一種約定，你出指令，我就出受令，因?yàn)榧s定相同，所以最終表現(xiàn)出不再受距離的限制。指令信息是通過經(jīng)典信道進(jìn)行傳遞的。通過信道編碼技術(shù)來保證控制室指令信息的傳遞。利用好信息加密技術(shù)，從而加強(qiáng)信息的傳遞。

4 通信技能操作的研究結(jié)果

“無條件安全”是數(shù)字通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。傳遞過程中信息不泄密是數(shù)字通信技術(shù)理論上的“絕對(duì)保證”。運(yùn)用數(shù)字通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制指令信息的安全傳遞就是保證，從而保證三線有線、無線通信的暢通。西昌衛(wèi)星發(fā)射中心是科學(xué)城、是中國衛(wèi)星發(fā)射最尖端技術(shù)中心，這里是三線建設(shè)最重要的一環(huán)。我國人造衛(wèi)星技術(shù)是伴隨著三線建設(shè)而發(fā)展起來的。三線建設(shè)要有企業(yè)，還要有最新的技術(shù)，更要有科學(xué)尖端技術(shù)。西昌衛(wèi)星發(fā)射中心是大三線建設(shè)最耀眼的東方明珠。西昌衛(wèi)星發(fā)射中心是我國最重要的航空航天基地，是通信技能操作的研究結(jié)果。

4.1 內(nèi)部雙向全雙工

建立控制室與三線鐵路各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部雙向全雙工的數(shù)字通信系統(tǒng)。全雙工通信是數(shù)字通信技術(shù)的雙向同時(shí)通信，即通信雙方可同時(shí)發(fā)送和接收信息的信息交互方式。既要保證控制室的數(shù)字通信信息能傳遞到三線鐵路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，又要保證三線各個(gè)節(jié)點(diǎn)不同乘客的不同信息能傳遞到控制室。全雙工通信的技術(shù)條件是數(shù)字通信的前提。

4.2 傳輸技術(shù)接口

全雙工數(shù)字通信要三線鐵路各節(jié)點(diǎn)滿足信息接口的條件，接口配件也要適配，其中滿足超高速率傳輸技術(shù)接口是技術(shù)的關(guān)鍵?？刂剖也捎萌p工通信系統(tǒng)，三線鐵路要開發(fā)出最新的全雙工通信系統(tǒng)軟件，并配備新的軟硬件接口，從而適應(yīng)全雙工通信最新技術(shù)，然后設(shè)計(jì)出全雙工硬件無線物理層、全雙工接入網(wǎng)架構(gòu)和全雙工核心網(wǎng)架構(gòu)，接口關(guān)鍵技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，全面建立控制室與三線鐵路各節(jié)點(diǎn)的全雙工通信系統(tǒng)。

5 結(jié)語

本研究對(duì)三線鐵路最新的數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)三線鐵路通信傳遞的共享保護(hù)。同時(shí)，利用通信技術(shù)進(jìn)行控制室的傳遞安全維護(hù)等。用通信技術(shù)來解決控制室的加密問題，是控制室保障信息向各個(gè)站位安全傳遞的關(guān)鍵，其解決的是控制室的密鑰確定和各站位接受統(tǒng)一的問題，控制室的指令確定和站位局部部分接受的協(xié)同問題，以及控制室密鑰確定和各站位鏈接的流動(dòng)性等重要問題，并解決控制室與三線鐵路各節(jié)點(diǎn)的全雙工通信系統(tǒng)的軟硬件問題。