下一代软交换铁路调度通信系统研究

2012-10-17史艺

赤峰学院学报·自然科学版 2012年4期

关键词：指挥系统分组车站

史艺

（辽宁铁道职业技术学院，辽宁锦州 121000）

下一代软交换铁路调度通信系统研究

史艺

（辽宁铁道职业技术学院，辽宁锦州 121000）

软交换是下一代通信的核心技术，其基本思想是实现硬件软件化。基于软交换技术构建铁路调度通信系统，可为铁路调度指挥系统提供一个实时、可控、稳定、安全的多媒体通信平台.

软交换；分组交换；调度；集中；多媒体；安全

1 铁路调度通信系统的特点

铁路是一个庞大的综合性企业，是我国国民经济的大动脉，是发展经济、巩固国防、满足人民生活需要的主要交通工具.为确保铁路这一庞大联动机正常运转，铁路运输生产必须在分散的基础上实行高度集中的统一指挥.铁路调度指挥系统按级别分为铁道部调度指挥中心（简称部中心）、铁路局调度指挥中心（简称局中心）和车站基层网三级网络，包括列车调度、计划调度、货运调度、客运调度、机车调度、特种调度和供电调度等系统.

铁路调度通信是专门用于组织及指挥铁路运输的铁路专用通信系统.为保证铁路列车畅通无阻、安全正点，铁路调度通信系统必须首先做到迅速、准确、安全、可靠.迅速是指电路的选叫和交换要快，调度指挥要及时；准确是指通信的清晰度和逼真度要高，尽量减少错号、误动、失真和串音；安全是指对人身和设备没有危险，并符合铁道部规定的保密要求；可靠是指保持良好稳定的通信质量.随着铁路特别是高速铁路的发展，铁路系统逐步推广 TDCS（Train Operation Dispatching Command System）铁路列车调度指挥系统和CTC（Centralized Traffic Control System）调度集中控制系统（主要应用于高速铁路和客运专线）.铁路调度指挥系统的发展要求铁路调度通信系统必须在满足铁路调度通信业务的同时，满足列车控制安全数据和安全监控数据等业务的实时传输需求，要在迅速、准确、安全、可靠的基础上强化分散控制与集中管理等技术手段，进一步提高系统可监测性、可控性、可维护性以及应急容灾能力.

铁路调度通信系统是以调度员为中心的一点对多点的主从通信系统，是一种会议模式的专用通信网络.现有铁路调度通信系统主要采用FAS（Fixed Access Switching）铁路调度通信系统，调度员以单呼、组呼（依次选叫）和全呼等方式呼叫所辖区段调度终端用户并建立通信联系，同时接受所辖区段调度终端的呼叫并建立通信联系.作为铁路列车调度指挥系统的重要通信工具，铁路调度通信系统一般不与公网相连.FAS可满足铁路数字调度通信系统和GSM-R对功能的要求，可分别或同时支持电路和IP组网应用，支持用户由单纯的话音调度指挥向调度指挥平滑过渡，支持由电路交换向软交换平滑过渡，为下一代铁路调度通信系统实现软交换奠定了坚实的基础.

2 软交换技术

2.1 软交换

软交换（Soft-switching）是通过软件实现呼叫控制功能的实体，是下一代通信网络的呼叫与控制核心，提供实时的业务呼叫控制和连接控制.软交换的基本思想是硬件软件化，使呼叫控制与呼叫传输分离开，通过服务器或网络上的软件实现呼叫选路、连接控制、管理控制和信令互通等基本功能.

2.2 软交换网络结构

软交换系统采用分层网络结构，组网灵活方便，各层之间使用标准的协议进行连接和通信，基于应用服务器在统一的分组网络上进行软交换，提供各种类型的业务.网络基本结构如图1所示，包括接入层、传输层、控制层和业务层等4个功能层.

接入层为底层，采用各种方式和接入手段将各种用户接入核心网，实现各种信息格式之间的转换，但不具备呼叫控制功能，需要与控制层设备配合才能完成操作.它采用开放的业务接口与分组承载网络相对独立，使业务开发具有很高的灵活性，便于新业务、新功能的开发和系统升级.接入层主要包括信令网关、各种媒体网关、综合接入设备、媒体资源服务器、智能终端等多种接入设备.

传输层采用分组承载方式，负责提供各种信令和媒体流的通道，目前大多使用具有巨大IP容量和高QoS保证的IPv6网络.

控制层是整个网络的呼叫与控制核心，其主要组成部分是软交换设备，用来控制接入、完成呼叫接续，主要提供呼叫控制、连接控制、协议处理等功能，并为业务层提供访问底层的开放接口.

业务层为顶层，主要包括应用服务器、网管服务器、数据库服务器、AAA服务器等，它利用底层的各种网络资源为用户提供独立于网络的智能服务，为整个软交换网络体系提供业务上的支持.

2.3 软交换的核心要素

2.3.1 开放的网络结构

软交换网络具有简洁、清晰的层次结构，各个网元之间使用标准的协议和接口，使得系统各部分在地理上可以自由分离，网络结构开放，系统各部分均可独立发展和升级，可实现各种异构网的互通和网络融合，降低运营维护成本.

2.3.2 综合的接入能力

软交换支持各种协议，实现了各种业务及用户的综合接入，只要符合标准的设备均可以很快进入网络体系，并允许网络内所有用户远程接入，能最大限度地保护用户投资，充分发挥现有通信网络的作用.

2.3.3 基于策略的运行支持

软交系统换采用了一种与传统OAM系统完全不同的、基于策略的实现方式来完成运行支持系统的功能，将PSTN的可靠性和数据网的灵活性有机结合起来，按照一定的策略对网络特性进行实时、智能、集中式的调整和干预，以保证整个系统的稳定性和可靠性.

软交换做为先进的下一代通信主流技术，必将为下一代铁路调度通信系统带来全新的通信理念.

3 下一代铁路调度通信系统

3.1 基本思路

构建下一代铁路调度通信系统的基本思路是：充分利用先进软交换技术，实现铁路列车调度指挥系统网络的软交换与系统融合，以及与铁路调度通信系统的融合；满足铁路调度指挥系统的分散管理、集中控制的要求，实现铁路调度通信系统的网络化、智能化、一体化，提高系统的协调性、安全性和应急能力.

首先,采用软交换技术实现铁路调度指挥系统与相对独立分散的机务综合管理、电力远动、牵引供电、车辆安全、货检安全集中监控、铁路客票发售和预订等系统的融合，在一个综合的多媒体平台上实现铁路调度的分散管理和集中统一指挥.第二,融合铁路通信系统与铁路调度指挥系统，建成一个多媒体软交换铁路通信系统网络，为铁路调度指挥系统提供语音、数据、图像、视频会议等多媒体通信功能，既保证各系统的相对独立性，又确保在紧急状态能跨系统调用数据、发布命或消息、召开视频会议，使铁路调度可在一个平台上完成各种调度指挥与管理业务，确保数据、命令、语音、图像和视频等通信实时、迅速、准确、安全、可靠，实现系统内网络资源共享，并提供对外应急业务接口，提高指挥系统的应急能力和抵御自然灾害的能力.第三,利用现代技术，采用智能终端整合调度终端设备，简化设备，简化操作与维护，实现设备一体化和设备与网络的完美结合.利用软交换的安全机制提高系统安全性.

3.2 系统构成

如图2所示，下一代软交换铁路调度通信系统，充分利用TDCS/CTC、数字调度通信、GSM-R等技术，采用IPv6、H.323多媒体通信协议标准的分组承载软交换网络结构，为铁路调度指挥系统提供多媒体综合业务平台.

接入层采用IPv6主要是利用其巨大的地址空间，以便容纳更多的业务接入.此外，在IPv6中指定了对身份认证和加密的支持，增强了网络层数据安全性，便于协议自身的功能扩展并提供更好的服务质量（QoS）支持.

H.323通信协议是一个系列协议，是ITU_T制定的“基于数据包的多媒体通信系统”，采用了ISDN的设计思想，具有电信网集中处理和管理的工作模式，具备做任意规模的IP电话系统的能力，很容易与传统PSTN电话网兼容，是对多媒体会议功能支持最全面和最完善的多媒体通信协议，可以支持铁路调度通信系统一点对多点的会议模式通信.

3.2.1 调度指挥中心

铁路调度分为行车调度、货运调度、客运调度、计划调度、机车调度、特种调度和供电调度等.调度在调度指挥中心指挥铁路运输生产，调度指挥中心按级别分为铁道部调度指挥中心（简称部中心）和铁路局调度指挥中心（局中心），分别设在铁道部和铁路局.部中心、局中心、车站基层网构成三级铁路调度指挥网络.

局中心包括各调度室以及网管、综合维护等业务系统，调度室1至调度室n可分别为行车调度、货运调度等调度室.调度台设在调度室内，是供调度指挥列车运行的多媒体智能终端.各调度台可按其专用IP直接接入，在分组承载网和调度服务器的控制下完成与车站基层网的多媒体软交换通信，在一个统一的多媒体通信平台上实现了各调度指挥系统的融合.调度服务器是调度指挥与管理专用的应用服务器，集中了H.323多点控制器功能模块、H.323多点处理器功能模块、调度业务控制功能模块、软交换功能模块、AAA功能模块，可完成系统中所有媒体信息的集中处理.媒体服务器为铁路调度通信提供音频混合、不同语音编解码和专用媒体资源等功能.调度台能为调度员提供图像、数据、语音、会议等多媒体通信功能，供调度员办理行车调度指挥管理业务、进行调度通信、召开视频会议，实现了调度指挥和数字调度通信系统的融合.在紧急状况时，系统可在调度指挥中心授权后，可提供特定的专用接口与PSTN、CDMA/GSM网络终端进行应急通信.

3.2.2 车站基层网

车站是铁路运输生产的基层单位，具有点多线长、分散维护的特点，应以安全生产为中心，保证设备准确无误.铁路局以局中心为核心连接所辖的n个车站基层网组成铁路局调度指挥系统，车站调度终端是车站基层网中指挥列车运行、组织铁路运输生产、提高效率、保证安全、传输生产指挥信息的重要设备.下一代铁路调度通信系统具有开放的软交换网络结构，各铁路局可根据局中心和各车站实际情况采用不同类型的调度终端，并根据调度终端类型不同选择直接接入和媒体网关接入两种方式.智能终端直接按IP接入；其它终端可由媒体网关接入，其中有线终端由中继网关接入，移动终端业务由无线接入网关.

图2所示的系统中，车站1采用与调台一样的智能调度终端，实现了车站调度终端设备一体化，为车站提供多媒体业务平台，按其预先设置的专用IP直接接入分组承载网由网络赋予其权限及业务范围.车站n采用CTC系统，包括车站值班员工作站、（大站）信号员工作站、CTC自律机（车站联锁系统）、电务维护、调度通信等系统，由接入网关接入分组承载网.两种调度终端接入后，均在分组承载网和调度服务器的控制下进行通信，构成车站基层指挥系统.

3.2.3 调度通信系统

在图2系统中，调度台与车站1智能调度终端可直接接入，在分组承载网和调度服务器的控制下实现H.323协议所支持的一点对多点主/从通信或会议业务等多媒体软交换通信业务，并可实现与移动终端的软交换通信.

车站n通信系统包括数字调度电话系统和铁路专用移动通信系统GSM-R（GSM for Railways）.数字调度电话系统由数字调度电话主系统（简称主系统）、数字调度电话分系统（简称分系统）、操作台等组成.主系统设在局中心调度机械室，提供网络和通道管理、组网、呼叫处理、交换及各种通信业务等综合业务.分系统设在各车站通信机械室，在主系统控制下完成车站基层网各种用户的接入业务.操作台（简称前台）设在车站值班员室等车站作业室，是一种车站指挥系统按键式桌面通信终端，前台由分系统接入主系统，在主系统控制下建立与调度台和移动终端的通信联系.主系统由接入网关接入分组承载网，在分组承载网和调度服务器的控制下，实现与调度台和移动终端之间的通信.

GSM-R系统由交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成，经无线接入网关接入，在分组承载网和调度服务器的控制下与调度台和车站进行通信.GSM-R系统提供调度通信、车次号传输与列车停稳信息的传送、调度命令传送、列车尾部装置信息传送、调车机车信号和监控信息系统传输、列车控制数据传输、区间移动公务通信、应急指挥通信话音和数据业务等功能.应急通信系统在发生自然灾害或突发事件等影响铁路运输的紧急情况时，在突发事件现场与救援中心之间，以及现场内部可采用GSM-R通信系统，建立语音、图像、数据通信系统.

在下一代铁路调度通信应急系统中还可以有条件地将重要的办公PSTN终端经中继网关接入系统，在遇到紧急情况和处理重大事故时可及时将调度指挥中心授权的CDMA/GSM终端（特别是3G终端）经无线接入网关接入系统，为铁路调度指挥应急系统提供必要的临场应急通信工具.

3.3 系统的优势

3.3.1 互通融合扩展性强

软交换铁路调度通信系统基于H.323技术，可在分组承载网之上，可实现控制功能与承载能力、呼叫与会晤、应用与服务、业务提供与网络各自分离，可相对独立地发展和升级，具有极强的组网灵活性和功能可扩展性，无需对已有的网络和硬件设备进行更换或改动，便可在网络上任意灵活地设置和插入调度台、调度终端和调度服务器，在故障情况下系统可立刻将故障设备的业务接管过来，系统可靠性高、维护方便，可有效整合铁路通信资源，同时满足铁路企业信息化不断发展的要求.系统应用服务器可提供调度指挥系统运行维护与管理功能、通信功能，还可提供增值业务和开放的、独立于网络的应用程序开发接口，提供其它服务器之间的互联，容易实现各业务网络之间互通融合.媒体服务器在应用服务器和软交换设备的控制下可提供在IPv6环境下铁路调度系统所需的各种媒体资源.软交换铁路调度系统在保证系统完整性的前提下，具有很高的扩展性，系统具有很大的发展空间.

3.3.2 安全性能高.

软交换铁路调度通信系统采用双软交换、双机终端、双链路、双IP、双通道、双服务器的双环结构，可提高系统设备的安全性；系统利用数据库服务器存储铁路调度通信网络的配置和用户数据，有效地进行系统数据冗余备份，提高了数据的安全性；调度服务器的AAA功能模块可有效地进行铁路调度通信系统用户的认证、授权和管理，可有效控制系统用户的接入和业务权限，提高系统用户安全度.软交换自身完备的安全机制，可利用协议体系对传输进行安全保护，可满足铁路调度系统网络信息安全的要求，有效防止安全攻击.

3.3.3 应急容灾能力强

软交换铁路调度通信系统可为铁路调度指挥系统提供一个多媒体综合业务平台，保证铁路调度实时地完成调度命令、计划传送、可视图像、录音录像存储等多种媒体业务.这个平台可以实现各调度指挥系统的互通融合，便于在紧急状态在一个多媒体平台上进行统一的调度指挥，提高系统的应急与协作能力.

软交换系统在分组网上可进行网络中断备份和容灾备份，可对视频、语音、图像数据业务进行统一管理和储存，可对所有的呼叫过程、语音、图像和数据内容进行记录.系统可采用双归属1+1主备容灾方案，每个媒体网关均连接到两个软交换设备上，两个软交换设备采用主/备用制，一旦主用设备故障，则自动按预先配置的IP向备用软交换设备注册，激活备用软交换设备来接接替主用设备的业务，有效防止大面积瘫痪，使系统具有较高的容灾能力.铁路调度指挥中心可临时由调度台、通信服务器、媒体网关、调度终端、应急业务电话终端等搭建应急调度通信网络，可充分发挥软交换的应急通信机制.