GSM-R与无线列调共存区域列车无线通信方案研究

刘立海

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 概述

传统的列车无线通信采用450 MHz模拟列车无线调度通信系统，新的数字无线通信系统采用900 MHz的GSM-R系统，后者不仅可以实现传统的列车无线调度通信系统的所有业务，还可以取代区间通话柱，实现跨区的点到点、点到多点、与有线调度通信互通的无线语音通信等更为广泛的无线通信业务。几乎所有新建或改造铁路无线通信系统均采用了GSM-R制式。因此，随着新建铁路范围的扩大，GSM-R网络覆盖面越来越大，形成了大量GSM-R与无线列调通信系统并存或衔接区段。特别是在既有铁路枢纽内，两种制式并存的现象更为普遍。由于两种无线通信制式并存，司机存在制式选择和切换的困惑，切换点难以控制，车地无线通信方式的使用也存在一定的混乱。两种制式并存的区段主要有下列情况，即新建铁路与既有线路相邻或并行造成共用车站或线路，新建铁路利用既有线既有引入枢纽，新建铁路与既有铁路之间的联络线等。

列车无线通信业务包括传统的无线列车调度通信、车次号信息和调度命令信息无线传送等多种业务，涉及到有线数字调度通信系统（数调）、固定用户接入系统（FAS）、GSM-R系统、450 MHz无线列调通信系统、信号CTC/TDCS系统等。本文将在介绍450 MHz无线列调通信系统和GSM-R系统工作模式的基础上，分析并存区段各列车无线通信方案的特点和设计中需要考虑的因素，并结合实际案例进行剖析。

2 列车无线通信系统业务实现方式

2.1 无线列调通信系统及业务实现方式

既有铁路及枢纽一般使用传统的450 MHz无线列调通信系统，其构成如图1所示[1]。系统主要由无线调度台、无线列调车站台、机车电台、便携台、车次号解码器和车站转接器等组成。车站台、机车台、便携台之间的通信采用无线方式，调度台、机车台之间的通信采用有线、无线相结合的方式，调度台至车站台的有线通道由数字电路或四线制音频话路构成。450 MHz无线列调通信系统可提供话音、车次号信息（含列车启动和停稳信息）、调度命令（含调度命令、行车凭证、调车作业通知单、进路预告信息等）无线传送等业务。根据即将发布的规范[1]，无线列调系统的业务实现方式如下。

（1）语音通信

调度员、车站值班员与司机之间的语音通信采用双工方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间采用半双工或单工通信方式；移动用户之间采用单工通话时，由车站台、区间中继设备转信；调度所设备具有人工接转无线列车调度用户与有线用户间的通话功能。

（2）数据通信

车站电台、机车电台间具有数据信息双向传输功能。机车电台、车站数据接收解码器间具有数据信息单向传输功能。

无线调度命令传送：调度员在行调台上输入调度命令后，通过TDCS系统发送到车站转接器，由车站电台发送给机车电台。利用无线车次号通道和解码器,将自动确认和签收信息经车站转接器以及TDCS系统回传到调度台。

无线车次号校核：机车电台将由数据采集编码器从监测装置收集到的车次号信息通过专用频点发送给车站车次号解码器，经由车站转接器发送给TDCS系统。

2.2 GSM-R通信系统及业务实现方式

GSM-R系统包括网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS）和终端设备等4个部分[2][3]。其中，网络子系统包括移动交换子系统（SSS）、移动智能网（IN）子系统和通用分组无线业务（GPRS）子系统[3]。为了方便说明列车调度通信的实现，仅仅考虑与列车调度通信紧密相关的设备，系统主要设备构成如图2所示。主要设备包括移动业务交换中心（MSC，含HLR等）、基站控制器（BSC，含TRAU）、分组控制单元（PCU）、GPRS服务支持节点（SGSN）、网关GPRS支持节点（GGSN）、基站（BTS）、车载台（机车综合无线通信设备,CIR）、手持台（OPH、GPH等）、FAS交换机、GPRS接口服务器（GRIS）等。图2中GSM-R通信服务器、CTC/TDCS系统是为实现相关铁路应用的信号系统设备。

GSM-R系统提供的业务包括话音业务、数据业务、与呼叫相关的业务和铁路特定业务，并可在上述业务的基础上扩展新的应用。GSM-R实现与列车通信相关的业务主要包括以列车无线调度通信为主的语音通信，以列车无线车次号信息传送、调度命令信息无线传送为主的数据通信；另外，还可以提供CTCS-3级列控安全信息传送、列尾信息传送等业务。现就这几种业务的实现简述如下。

（1）语音通信

通过FAS交换机和MSC连接实现有线、无线调度通信一体化，调度员、车站值班员只需要一个调度台或值班台。与无线用户（包括与机车司机、助理值班员、运转车长等）的通话是通过GSM-R系统完成的。通过GSM-R系统的移动网络的概念，移动用户在技术上可以与全路网内的任意有线用户和GSM-R用户进行语音通信。

（2）数据通信

无线调度命令传送：在行调台形成的调度命令经过CTC/TDCS系统，通过GSM-R通信服务器发送到GRIS，通过GGSN进入GPRS网络，经由SGSN、PCU、BTS、天线发送到CIR。确认和签收信息通过反向流程发送[4]。

无线车次号传送：机车综合无线通信设备（CIR）将由数据采集编码器从监测装置收集到的车次号信息通过天线、BTS、PCU、SGSN、GGSN、GRIS发送到信号系统的GSM-R通信服务器，进入CTC/TDCS系统[4]。这一过程与调度命令信息的发送刚好相反。

关于CTCS-3级车载台与RBC间列控安全信息传送以电路域方式承载，由于这项业务无法通过传统的450 MHz系统实现，在此不具体描述。

3 列车无线通信方式选择

3.1 两种制式业务实现差别

无线列调和GSM-R两种系统虽然均能实现基本无线语音调度通信功能、无线调度命令传送、无线车次号传送等业务，但两种系统的业务实现方式除了体制不同之外，存在很大的区别，简单总结如下。

（1）语音通信方面：无线列调中，有线调度和无线调度是分开的，而GSM-R系统中，通过FAS与GSM-R网络的互联，实现了有线和无线调度语音通信的统一。因此如果地面由无线列调改为GSM-R，需要配套在所属车站和调度所分别设置FAS车站值班台和调度台，即需要配套FAS交换机及值班台。无线列调通信系统无法实现个呼和跨车站组呼。

（2）数据通信方面：在无线列调模式下，无线调度命令和车次号业务通过车站电台及解码器与机车之间通信实现；而在GSM-R系统模式下，这些业务通过CTC/TDCS中心的GSM-R通信服务器与通信GSM-R系统的GPRS网络互联实现，不涉及TDCS车站设备。

（3）原有的无线列调机车电台只能工作在无线列调模式下，只有配备CIR的机车可以在两种制式中选择一种工作，但只能工作在一种模式下。

从上面的简单对比总结中可以看出，在GSM-R系统与无线列调系统覆盖可能交叉的区域，为列车设计并确定无线通信方式时需要注意“四方面的统一”：即无线覆盖方式是450 MHz的无线列调系统还是900 MHz的GSM-R系统、需要与通信车载电台的工作模式（无线列调还是GSM-R）、地面有线调度系统（传统数调还是FAS）、信号的调度命令及车次号传送业务的实现方式一致。具体来说，需要注意以下3点。

（1）语音无线调度通信功能、无线调度命令传送、无线车次号传送等业务只能采用同一系统来实现，即使用GSM-R进行无线语音调度通信时，无线调度命令和车次号传送也需要利用GSM-R系统实现，反之亦然。

（2）由于无线调度命令和无线车次号传送业务实现与信号系统有关。因此，在选择无线通信系统制式时还要考虑信号系统的配套实现。当采用GSM-R系统时，通信系统一定要配套设置GRIS，信号系统要配置GSM-R通信服务器。

（3）车地制式要一致，对于CIR来说，有两种工作模式可选择，但是必须与地面系统一致。即地面车站值班台、调度台使用的制式需要与车载台一致。否则，容易造成无法通信或信息丢失，存在安全隐患。

3.2 并存区段列车无线通信方式

针对以上分析，无线列调和GSM-R系统并存区段或衔接区段，列车无线通信方案大致有下列4种方式。

方式一：统一转换为450 MHz无线列调通信系统方式

此方式下，列车调度通信不使用GSM-R系统。既有机车设备不用进行任何改动，新型列车、动车组在进入并存区段或衔接区段转换到无线列调模式。区段内调度员、车站值班员、助理值班员、司机均保持原有无线列调通信系统的使用和运营管理方式。带来的不足是，没有利用GSM-R优点，如丰富的组呼、功能呼叫、短号码呼叫等功能，新建线路还要增加部分450 MHz无线列调覆盖保持足够的重叠区，这对本来容量已经饱和、干扰较严重的450 MHz列调系统来说增加了实现难度。对于启用GSM-R系统的新建线路，司机在进入这些区段时要进行模式转换切换，这会对列车运行造成一定的影响，不适用于高速行车。由于调度命令下发途径不同，CTC/TDCS系统发送调度命令时，若机车/动车刚好在转换区域，可能存在不成功的情况，要解决这个问题需要在CTC/TDCS两个系统同时发送。

这种方式适用于新建引入线路既有大枢纽，以及新建铁路与既有铁路的联络线区段，动车由新线进入既有线运行，在衔接区段转换为无线列调模式，以适应在既有线运行。

方式二：统一使用GSM-R系统方式

此方式下，列车统一采用GSM-R通信模式，充分利用了GSM-R系统的丰富功能，各线路间干扰小。但所有在此区段运行的既有机车车载台设备需要改造，费用高，所有原使用450 MHz无线列调通信系统的线路均需要设置充足的重叠区和两种无线通信模式的转换点，所有既有机车进入该区段均要进行模式转换。如果是枢纽则涉及到调度台及信号系统配套改造，对既有行车影响大，而且也需要解决在转换区域调度命令漏发的问题。

因此，这种方式主要适用于列车从既有线通过联络线进入新建铁路运行的情形，通过在衔接区段设置转换点进行控制。

方式三：两套系统独立并存，地面根据列车机车台配置选用合适的无线调度通信系统

在此方式下，基本上是新线新办法，旧线旧办法。为新线设立专门的列车无线通信系统，调度员、车站值班员、助理值班员等使用GSM-R系统指挥在新线上运行的机车/动车。既有机车在既有线运行时维持既有调度通信模式不变。地面人员需要同时使用两套系统，按不同车型/线别选择终端设备系统。这种配置的优点是建设及司机操作简单；不足的是，地面人员需要不断切换，同时使用多个调度台、值班台和手持台，比较麻烦。因此，地面需要制定具体的管理制度，如设独立站台、专人负责等方式，依靠执行人来判别和保证业务的成功运作。

此方案适用于在新旧线并线区段或利用既有线进入枢纽的情形，一般运用GSM-R系统和无线列调列车停靠不同的站台，可以避免助理值班员同时使用两种不同制式手持台的情形。

方式四：地面两种无线调度通信系统融合，同时支持不同配置的列车机车台

这种融合的前提是利用新建FAS系统对既有数字调度通信系统进行整合，将相关范围内的调度台或车站值班台整合为一个系统，同时将两种列车无线通信系统在车站进行整合，主要将无线列调系统的车站台接入车站FAS分系统，导入到一个值班台上，将无线调度总机与FAS调度台整合，利用FAS交换机间的通道解决无线列调语音传送，车站配置自动识别系统，使得能象FAS呼叫GSM-R移动用户一样群呼无线列调用户。这样地面调度员和值班员可避免使用两套系统。与其说是无线通信系统的整合，不如说是无线列调通信系统和FAS系统的整合。当按车次号进行呼叫时，能自动选择通过无线通信系统呼叫到司机。这里需要厂家的密切配合，甚至要进行一些升级改造和开发，但是手持台不统一的问题还是不易解决。

实际应用中，方式三使用较多，主要是此方式实现较为容易。实际上方式四是较好的选择方式，随着无线列调系统设备进入大修期，无线列调系统也逐步会被GSM-R系统取代，改造将成为非常普遍的情形。

4 考虑因素和实际案例分析

4.1 考虑因素

通过3.1、3.2的分析，不难看出在两种系统并存或衔接区段，在进行列车无线通信方案设计时需要综合考虑下列因素。

（1）列车运行模式。需要考虑动车是从新建铁路进入既有线运行，或是从既有线到新线运行，或是直接在既有线上运行，或是在与既有线旁并行的新建线路上运行。当新建GSM-R铁路引入枢纽时，是利用既有线接入车站，还是新建轨道引入车站，这两种方式是有差别的。在确定列车无线通信方式时需要考虑车站站台设置，如有无专用的站台。当利用既有线路时，为避免改造既有机车和增加既有线路的GSM-R无线覆盖，一般采用在进入枢纽前转换为无线列调方式，设置转换区域和转换点。转换重叠区的设置特别要保证机车/动车在无线通信制式转换前有足够的时间完成GSM-R网络注册、功能号注册等。

（2）相关区段的调度设置。需要了解相关线路、区段的调度管辖归属和行车指挥方式，确定是否需要对既有调度区进行调整或整合，是否配套修改数调系统或新设FAS系统。

（3）新建线路机车上线情况。如果有既有机车上线，要考虑机车车载台设备更新改造问题。对于部分客货混跑线路，存在货车上线或利用部分线路的情况，如果要启用GSM-R系统，则需要进行车载台改造，安装CIR设备。否则要进行450 MHz无线列调覆盖补强。

（4）信号CTC/TDCS系统的设置情况。需要调查有无调度命令和车次号等信息无线传送业务需求，如果有这方面的需求，通信和信号专业应相互协调这些业务的实现方式，避免出现语音通信利用GSM-R方式，信号没有配套GSM-R通信服务器的情形，或通信没有配备GRIS的情形。

（5）GSM-R系统编号情况。在设置GSM-R系统时，要研究编号方案，避免与既有数调编号冲突以及线路区分和基于位置呼叫的业务编号等问题。

4.2 案例分析

下面以合武铁路、武广客运专线联络线、郑西客运专线引入郑州和西安枢纽、京沪高速铁路和郑徐客运专线引入徐州枢纽等工程，剖析并存或衔接区段列车无线通信模式的方案设计。

（1）对于合武铁路，在2008年底开通时，由于汉口站改造工程工期滞后，进入汉口站的新线路也未建成，合武铁路利用既有线进入汉口站，因此，在合武铁路的线路所1附近设置无线列调和GSM-R转换点。从合肥方向来车在该转换点附近转换为无线列调模式，利用既有汉口车站数调值班台、无线列调台及汉口枢纽调度台进行行车指挥，反方向则切换为GSM-R模式。合武铁路在合肥枢纽是在既有宁西、合九线旁铺设新线，合武动车在新线上运行，但利用了既有合肥、桃花店、合肥西、长安集和六安等车站。采用的方式是在沿线设置完整的GSM-R系统，在各既有车站设置FAS系统，同时根据新的调度区段调整既有数调系统调度台和值班台，设置FAS调度台和值班台。在新线上运行的动车采用GSM-R方式、在既有线上运行车采用无线列调方式。司机不需要进行模式转换，车站值班员和调度员利用两套系统进行车机联控。

（2）对于武广客运专线，株洲南北联络线将武广客运专线与既有京广线、湘黔线等联系起来，在此联络线区段为无线列调和GSM-R系统共同覆盖，设置了转换点，司机按照规定进行制式转换。

（3）对于郑西客运专线，目前的开通方案是利用既有线进入既有郑州站和西安站，但是早期设计阶段在既有线以及既有郑州站、西安站、西安东站、霸桥站、窑村站等设置了GSM-R系统，郑州站设置了FAS系统。由于没有考虑如3.1指出的“四方面的统一”，设计联络中，通过多方协调和沟通，在既有西安站、西安东站、霸桥站、窑村站等确定新设FAS系统的方案；后期施工图中，郑州通信系统增加了GRIS，西安信号TDCS系统增加了GSM-R通信服务器，满足调度命令和车次号无线传送业务的需要。

（4）对于即将改造的徐州枢纽，在东边，即将建成的京沪高速铁路的动车通过徐州东站下线，经联络线进入既有陇海线引入既有徐州站；在西边，正在开展前期设计的郑徐客运专线通过铜山联络线在既有陇海线的铜山站附近接入既有陇海线，经过徐州西进入徐州站。虽然京沪高速铁路工程和郑徐客运专线工程在徐州枢纽均规划了既有线区段的GSM-R覆盖以及车站配套FAS系统，由于涉及到改造既有徐州枢纽所属的设置在上海调度的东陇海调度台和西陇海调度台、设置FAS调度台及值班台的问题，考虑到高速客运专线的动车下线到既有陇海线及徐州车站的需求较少(目前武广的株洲南、株洲北联络线实际使用极少。)，该枢纽区段主要负责既有陇海线的客/货车运行，改造既有行调台非常麻烦，对既有行车调度指挥影响较大。特别是还要改造信号的TDCS系统与通信GSM-R系统的GPRS网络互联，配套改造工程量较大。因此，个人推荐从高速客运专线下线到徐州枢纽的动车转换为无线列调模式，而既有车站不设FAS车站台，也不改造既有调度台。

5 总结

本文介绍了无线列调和GSM-R系统两种列车无线通信系统各业务的实现方式，讨论了在两种制式衔接和并存区段几种可能的列车无线通信方式及其优缺点，分析了方案设计时需要考虑的因素，并结合已经开通的铁路如合武、武广、郑西的实施情况和徐州枢纽规划工程设计推荐方案进行方案选择和应用说明。

[1]列车无线调度通信系统制式及主要技术条件（征求意见稿）[S]．2008.

[2]铁建设[2007]92号 铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定[S].

[3]铁道部工程鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院．中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[S]．北京：中国铁路出版社，2008.

[4]运基通信[2006]185号 GSM-R与CTC/TDCS系统数据传输接口规范（暂行）[S].