基于軟交換的鐵路應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)研究

楊東明

*中國鐵路通信信號北京工程分公司 工程師，100070 北京

鐵路應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)是從原有的調(diào)度通信系統(tǒng)發(fā)展而來，是基于語音的電路交換系統(tǒng)，在配置和使用上不夠靈活，并且與其他系統(tǒng)交互操作難以實現(xiàn)和擴展。如果采用純IP結(jié)構(gòu)的軟交換系統(tǒng)，可以發(fā)揮軟交換的全業(yè)務(wù)、易互聯(lián)、可擴展的優(yōu)勢，將原有的語音通信系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、視頻圖像系統(tǒng)統(tǒng)一到一個平臺，實現(xiàn)事發(fā)現(xiàn)場、指揮分中心、鐵道部指揮中心、社會應(yīng)急指揮中心及鐵路自動網(wǎng) (PSTN)、數(shù)字調(diào)度網(wǎng)、GSM-R網(wǎng)、117人工臺之間實時的語音雙向通信，調(diào)度指揮更加方便快捷。另外，使用軟交換技術(shù)，還可以將系統(tǒng)模塊化分組，配置更加靈活，滿足不同用戶的需求。由于軟交換系統(tǒng)的接口可以自由擴展，考慮目前鐵路系統(tǒng)的各種接入條件，可以按照實際需求接入現(xiàn)有的各種通信設(shè)備。在系統(tǒng)功能設(shè)計方面，除了完成基本的語音業(yè)務(wù)互聯(lián)互通，還可以滿足多種增值業(yè)務(wù)功能，而且可以根據(jù)需求變化進行修改和添加。

1 結(jié)構(gòu)和功能

鐵路應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)采用軟交換技術(shù)，整個系統(tǒng)的設(shè)計基于全IP構(gòu)架，對視頻、語音、圖像、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行統(tǒng)一管理和存儲，保證了產(chǎn)品技術(shù)上的先進性，實現(xiàn)了應(yīng)急搶險視頻、圖像、語音、數(shù)據(jù)各種業(yè)務(wù)需求;整個系統(tǒng)業(yè)務(wù)配置靈活，有良好的擴展性，也保證了整個系統(tǒng)的完整性，使應(yīng)急搶險的視頻、圖像、語音、數(shù)據(jù)幾種業(yè)務(wù)有機的融合。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為應(yīng)急指揮中心、二級應(yīng)急指揮分中心和事發(fā)現(xiàn)場設(shè)備3層，如圖1所示。應(yīng)急指揮通信中心位于系統(tǒng)的頂層，要完成對各個分中心的業(yè)務(wù)控制和管理，負責(zé)各分中心之間的地址解析，同時具備各分中心通信服務(wù)器功能。

應(yīng)急指揮中心主要由通信服務(wù)器和調(diào)度指揮臺2個功能模塊組成。

圖1 應(yīng)急系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通信服務(wù)器由軟交換平臺和媒體網(wǎng)關(guān)組成。軟交換平臺主要完成呼叫控制和處理、協(xié)議、業(yè)務(wù)提供、業(yè)務(wù)交換、操作維護、話單記錄 (CDR)及與其他網(wǎng)絡(luò)互通等功能。媒體網(wǎng)關(guān)完成與PSTN、數(shù)字調(diào)度網(wǎng)、GSM-R、117人工網(wǎng)的信令呼轉(zhuǎn)和具體語音業(yè)務(wù)的執(zhí)行，具有用戶或網(wǎng)絡(luò)接入、接入核心媒體網(wǎng)絡(luò)、媒體流的映射、受控操作和管理等功能，并承擔(dān)各個方向上語音互聯(lián)互通的基本業(yè)務(wù)及各種附加的增值業(yè)務(wù)。

調(diào)度指揮臺提供2路以上的電話語音業(yè)務(wù)，具有直觀、簡單便捷的人機交互界面，可完成調(diào)度指揮所需的各種特殊功能。

2 設(shè)計和技術(shù)

2.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下號碼動態(tài)匹配

按照鐵路應(yīng)急技術(shù)體制的要求，一個中心(分中心)系統(tǒng)，可能配置數(shù)十個甚至上百個應(yīng)急現(xiàn)場接入設(shè)備，按照每200 km設(shè)置1～3套的原則配備在鐵路沿線。當有應(yīng)急事件發(fā)生時，就近的應(yīng)急設(shè)備被快速運送至事發(fā)現(xiàn)場，架設(shè)開通后提供應(yīng)急救援所必須的語音、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。由于現(xiàn)場接入設(shè)備何時、何地開通是不定的，如果現(xiàn)場接入設(shè)備的8個語音終端電話號碼 (用戶名稱)直接作為應(yīng)急現(xiàn)場的應(yīng)急電話號碼，是無法實現(xiàn)與應(yīng)急中心、數(shù)字調(diào)度網(wǎng)、自動網(wǎng)、GSM-R網(wǎng)、117人工臺之間的雙向直接呼入、呼出功能，因此系統(tǒng)對每個分中心預(yù)先配置，并對外公布2～3組應(yīng)急號碼，無論哪套設(shè)備開通，均使用應(yīng)急號碼進行直接的呼入呼出通信。

同時，鐵路既有的通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字調(diào)度網(wǎng)、自動網(wǎng)是物理隔離的2個專用網(wǎng)絡(luò)，2個網(wǎng)絡(luò)之間要互通必須遵循嚴格的互通規(guī)則。而鐵路應(yīng)急系統(tǒng)的要求是與2個網(wǎng)絡(luò)都能直接呼入、呼出，同時又要求不能破壞2個網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的互通規(guī)則。

為此，建立了一個基于機器學(xué)習(xí)理念的智能匹配模型，采用了自動偵測設(shè)備狀態(tài)、號碼動態(tài)映射分配、路由規(guī)則分段智能匹配等技術(shù)。經(jīng)驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)完全能夠滿足應(yīng)急指揮通信系統(tǒng)設(shè)備開通的號碼、時間、地點的隨機性，以及一機多號、一號多機等各種特殊需求，且路由規(guī)則可以按需靈活配置，完全滿足了鐵路應(yīng)急語音調(diào)度指揮的業(yè)務(wù)需求。

2.2 多路混音質(zhì)量

基于VoIP的語音應(yīng)用中，目前常用的多種混音算法都有缺陷，比如音量忽大忽小，語音效果不甚理想，弱信號難以識別等問題，很難滿足大規(guī)模會議調(diào)度的需求。為此，設(shè)計基于非均勻波形收縮的混音算法。

混音路數(shù)及各路語音信號強度都是時間t的函數(shù)?；煲魴?quán)重與時間無關(guān)，意味著它必須與混音路數(shù)和語音強度無關(guān)。G.711規(guī)范中采用分段量化規(guī)則，是基于在語音信號中低強度信號比高強度信號出現(xiàn)幾率更高的事實。非均勻波形收縮算法可同樣基于這一事實，采用分段收縮規(guī)則，對線性疊加后的采樣數(shù)值進行收縮，以保證不出現(xiàn)溢出。低強度信號采用較大的權(quán)重以確保信號的可識別性，同時獲得一定的收縮比例;而高強度信號采用較小的權(quán)重，以確保得到相應(yīng)的收縮比例，也保證一定的可識別性。

系統(tǒng)設(shè)計提出與時間t無關(guān)、基于優(yōu)先權(quán)和信號強度的多維權(quán)重向量的多方混音算法。在混音權(quán)重向量中引入用戶優(yōu)先權(quán)，提升高優(yōu)先權(quán)用戶的語音信號強度。測試運行表明，本項目使用的混音算法，復(fù)雜度為O(n)，具有較強的可行性，對于會議參與人數(shù)不敏感，混音后的語音質(zhì)量清晰。

應(yīng)急系統(tǒng)中對于混音算法有著特殊的要求，如重要與會者和緊急事件，應(yīng)該優(yōu)先考慮其傳輸播放的清晰度和辨別度，給予一定優(yōu)先權(quán)，保證重要信息不要流失或被掩蓋。

2.3 視頻實時性保障

為實現(xiàn)現(xiàn)場視頻能夠在應(yīng)急指揮中心 (分中心)清晰流暢地實時顯示，必須保證視頻服務(wù)器的分發(fā)實時性。為此，在視頻分發(fā)設(shè)計中，采用了多級動態(tài)緩沖技術(shù)，在視頻流接收、轉(zhuǎn)碼和發(fā)送3個環(huán)節(jié)分別定義了一個數(shù)據(jù)緩沖池，系統(tǒng)能偵測3個數(shù)據(jù)緩沖池的工作狀態(tài)，并自動進行智能處理，在接收和轉(zhuǎn)發(fā)之間形成一個動態(tài)平衡，保證數(shù)據(jù)快速而又正常地接收和轉(zhuǎn)發(fā)。該方法的應(yīng)用大大增加了程序?qū)?shù)據(jù)流的負載能力，同時增強了視頻分發(fā)各模塊的處理穩(wěn)定性。

2.4 異常情況處理

在服務(wù)器和客戶端以及服務(wù)器之間異常情況發(fā)生時，需要使用某種機制保障異常狀態(tài)可以被雙方感知。系統(tǒng)設(shè)計中，在服務(wù)器和客戶端之間單獨設(shè)計一個心跳保活模塊，用于監(jiān)聽雙方的狀態(tài)?？蛻舳艘驗橛卸鄠€線程，每個線程要做到不互相干擾，采用了每個模塊一個心跳線程的方式。對于服務(wù)器端，采取了集中管理心跳包的方法，用同一個端口來監(jiān)聽發(fā)自客戶端或者服務(wù)器的心跳包，一旦一方出現(xiàn)異常情況，另一方可以在很短時間內(nèi)知道，從而釋放資源，退出當前的中斷線程。運用該方法能有效地處理客戶端或者服務(wù)器發(fā)生異常的情況，保障了整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計制作出來的原型系統(tǒng)，從2009年2月起，在西安鐵路局調(diào)度中心和管內(nèi)寧西線的丹鳳站上、下行區(qū)間進行了多次應(yīng)急指揮實驗，包括語音應(yīng)急指揮、視頻圖像瀏覽、數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)，實驗環(huán)境分別選擇了橋梁、隧道、長區(qū)間通信等，在各種環(huán)境下系統(tǒng)都能夠做到語音、圖像清晰，傳輸穩(wěn)定，業(yè)務(wù)功能自由切換，達到了設(shè)計目標。