基于環(huán)線的車-地通信系統(tǒng)淺析

盧登攀 陳 微 辛 驥

廣州地鐵通號(hào)中心通號(hào)維修部 510000 廣州

*助理工程師 ＊＊工程師

地鐵具有高速、安全、準(zhǔn)時(shí)和載客量大的特點(diǎn)，是現(xiàn)代城市解決交通擁塞最主要的手段。地鐵車載設(shè)備及地面設(shè)備之間的通信，對(duì)地鐵的安全高效運(yùn)行尤為重要。根據(jù)廣州地鐵1、2號(hào)線積累的經(jīng)驗(yàn)，3號(hào)線采用了以通信為基礎(chǔ)的SelTrac移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，使用較少的地面和車載硬件，通過(guò)感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)來(lái)提供車-地通信，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的列車運(yùn)營(yíng)間隔。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 車載設(shè)備

每列3節(jié)編組的列車兩端各配備一套車載控制器(VOBC)，與車輛控制中心(VCC)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。VOBC由電子單元、接口繼電器單元、司機(jī)顯示器、供電單元、接近傳感器和天線等組成。

1.2 軌旁設(shè)備

感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是VCC和VOBC之間交換信息的媒介，通過(guò)它VOBC向VCC提供列車的位置信息，通過(guò)SDH網(wǎng)由車站控制器 (STC)向VCC提供道岔、計(jì)軸等線路信息。感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由饋電設(shè)備、遠(yuǎn)端感應(yīng)環(huán)線盒 (遠(yuǎn)程終端盒和遠(yuǎn)程饋電盒)、線路放大器、數(shù)據(jù)電纜分線盤、感應(yīng)環(huán)線電纜等組成。其中，感應(yīng)環(huán)線電纜是一種絞合銅芯電纜，外加絕緣和非屏蔽的防護(hù)外套，可作為感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)的發(fā)送及接收天線使用，是實(shí)現(xiàn)車-地通信的核心元素。感應(yīng)環(huán)線電纜可以根據(jù)軌道的分布特點(diǎn)，采取非對(duì)稱或?qū)ΨQ形式進(jìn)行安裝。不對(duì)稱環(huán)用于相對(duì)較短的軌道區(qū)段(大約1 km或更短)，感應(yīng)環(huán)線只有1條支路，軌旁設(shè)備較少;對(duì)稱方式用于軌道相對(duì)較長(zhǎng) (大于1 km)的區(qū)段，感應(yīng)環(huán)線有2條支路。

1.3 中心設(shè)備

中心設(shè)備由VCC和系統(tǒng)管理中心 (SMC)組成。VCC根據(jù)列車發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)在線路拓?fù)鋱D中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并更新目標(biāo)停車點(diǎn)。每列車不斷地向VCC傳送包括速度、位置、行車方向等信息的狀態(tài)報(bào)文。SMC根據(jù)VCC發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)為列車辦理進(jìn)路，并具備運(yùn)行圖監(jiān)督功能。

2 通信原理

車-地通信系統(tǒng)原理如圖1所示。VCC接收到從感應(yīng)環(huán)線傳輸上來(lái)的列車位置等相關(guān)信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理后傳輸給SMC，SMC根據(jù)運(yùn)行圖中匹配的信息向VCC發(fā)出進(jìn)路請(qǐng)求，VCC通過(guò)車站控制器控制軌旁設(shè)備，并接收由車站控制器反饋回來(lái)的軌旁設(shè)備狀態(tài)信息。

VCC在確認(rèn)進(jìn)路鎖閉、道岔鎖好等安全條件下，通過(guò)感應(yīng)環(huán)線向VOBC發(fā)送移動(dòng)授權(quán)、目標(biāo)點(diǎn)、推薦速度等;VCC向所有感應(yīng)環(huán)線廣播各列車的控制信息，當(dāng)列車行駛到某一環(huán)線上時(shí)，會(huì)根據(jù)令牌信息選擇接收本列車的控制信息。

圖1 車-地通信系統(tǒng)原理圖

圖2 感應(yīng)環(huán)線至VCC數(shù)據(jù)流程圖

2.1 感應(yīng)環(huán)線至VCC數(shù)據(jù)通信流程

感應(yīng)環(huán)線至VCC數(shù)據(jù)流程如圖2所示。感應(yīng)環(huán)線接收到VOBC傳輸?shù)牧熊囄恢眯畔⒑螅陴侂娫O(shè)備柜進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合、阻抗匹配，及對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)整進(jìn)行監(jiān)控。饋電設(shè)備對(duì)感應(yīng)環(huán)線的監(jiān)控，根據(jù)VCC發(fā)送的36 kHz FSK移頻鍵控信號(hào)進(jìn)行四分頻，輸出9 kHz監(jiān)視信號(hào)到饋電設(shè)備的監(jiān)督繼電器，用于檢測(cè)感應(yīng)環(huán)線的完整性。模塊前面的指示燈可顯示感應(yīng)環(huán)線的狀態(tài)。饋電設(shè)備進(jìn)行最后的電流放大及變壓器耦合，并將36 kHz FSK移頻鍵控信號(hào)發(fā)送到感應(yīng)環(huán)線上，通過(guò)調(diào)節(jié)饋電設(shè)備模塊上的電感來(lái)平衡感應(yīng)環(huán)線電流。

饋電設(shè)備接收到感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)信息后，進(jìn)行相關(guān)處理，通過(guò)50芯電纜從本站分線盤傳輸至下一站分線盤，經(jīng)線路放大器放大處理后，再逐站傳輸至中心VCC。線路放大器只對(duì)傳至本站的其他感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，而本站的感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)則不經(jīng)過(guò)本站的線路放大器。

2.2 VOBC與VCC之間數(shù)據(jù)通信原理

感應(yīng)環(huán)線至VCC數(shù)據(jù)通信原理如圖3所示，VCC發(fā)來(lái)的命令報(bào)文以 (36±0.4)kHz FSK移頻鍵控信號(hào)的形式，通過(guò)中心饋電設(shè)備和饋電設(shè)備送入感應(yīng)環(huán)線電纜。每個(gè)感應(yīng)環(huán)線通道每隔70 ms的VCC工作周期，輸出一個(gè)83位的串行命令報(bào)文，數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)于1200 b/s。感應(yīng)環(huán)線電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)被列車上的天線接收，并傳給VOBC天線。

同理，VOBC通過(guò) (56±0.2)kHz FSK移頻鍵控信號(hào)的頻率，以600 b/s的速率發(fā)送41個(gè)數(shù)據(jù)位的報(bào)文。響應(yīng)報(bào)文信號(hào)經(jīng)車輛的發(fā)送天線耦合后，再由饋電設(shè)備接收器從感應(yīng)環(huán)線驅(qū)動(dòng)變壓器的第3組線圈上提取出來(lái)。輸入信號(hào)隨后經(jīng)過(guò)多級(jí)放大，通過(guò)“收到信號(hào)”表示燈可知有信號(hào)輸入。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有輸入信號(hào)，則放大電路停止工作，避免將噪聲信號(hào)傳給VCC。

圖3 感應(yīng)環(huán)線至VCC數(shù)據(jù)通信原理圖

2.3 無(wú)線通信安全措施

以下方法用于檢驗(yàn)車輛、地面和中心之間的數(shù)據(jù)通信完整性。

1.對(duì)有關(guān)運(yùn)輸安全的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，確保不接收已被電磁干擾的數(shù)據(jù)。

2.對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性更新。從VCC傳送到VOBC和STC的命令，在每個(gè)新電文中得到更新或確認(rèn)。

3.對(duì)接收到的信息進(jìn)行合理性、持續(xù)性和一致性檢查。子系統(tǒng)根據(jù)以前的電報(bào)、物理規(guī)則及設(shè)計(jì)限制對(duì)信息進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.4 列車精確定位

列車精確定位是信號(hào)系統(tǒng)安全保障的前提。精確的位置參數(shù)是通過(guò)感應(yīng)環(huán)線邊界來(lái)建立的，感應(yīng)環(huán)交叉點(diǎn)之間的位置由車軸上附帶的測(cè)速電機(jī)測(cè)量確定，精確度為1.5 m。列車測(cè)量出的位置信息通過(guò)環(huán)線反饋到VCC，這樣列車定位的分辨率可達(dá)6.25 m。

3 車-地通信故障采取的安全措施

3.1 VOBC故障

3.1.1 復(fù)位失去通信的主用VOBC

如果VCC失去同主用 VOBC的通信聯(lián)系，VOBC將自動(dòng)制動(dòng)停車，ATC系統(tǒng)將通知中心調(diào)度員通信聯(lián)系中斷，并自動(dòng)嘗試切換到列車另外一個(gè)VOBC上，成功切換后列車仍能正常運(yùn)行。基于冗余的概念，中心調(diào)度員命令司機(jī)在列車停站時(shí)，通過(guò)司機(jī)面板上的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)VOBC復(fù)位，并通知列車在進(jìn)入感應(yīng)環(huán)線分界點(diǎn)時(shí)慢速前行，在握手成功后，中心調(diào)度員使用“恢復(fù)VOBC”命令來(lái)重新建立VCC與失去通信的VOBC之間的通信聯(lián)系，以保障雙機(jī)熱備的功能。

當(dāng)所有VOBC都失去通信時(shí)，可以通過(guò)司機(jī)面板上的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)VOBC復(fù)位，復(fù)位列車線通電，持續(xù)激活2 s，等同于轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)從開(kāi)切換到關(guān)再到開(kāi)，所有的VOBC將開(kāi)始工作。

3.1.2 復(fù)位失去通信的備用VOBC

如果VCC失去同備用VOBC的通信聯(lián)系，列車將不會(huì)停車，仍能繼續(xù)正常運(yùn)行。復(fù)位VOBC、恢復(fù)VCC與備用VOBC之間通信聯(lián)系的操作同上。

當(dāng)列車頻繁出現(xiàn)失去通信的情況，建議列車回庫(kù)，根據(jù)故障代碼做相應(yīng)的硬件檢測(cè)，并及時(shí)更換故障板塊。

3.2 感應(yīng)環(huán)線故障

感應(yīng)環(huán)線的數(shù)據(jù)通信故障只影響該感應(yīng)環(huán)線范圍內(nèi)的車-地通信，其他感應(yīng)環(huán)線不受影響。即使沒(méi)有列車通過(guò)，感應(yīng)環(huán)線也始終處于VCC的監(jiān)視下。任何感應(yīng)環(huán)線故障都可以在3 s內(nèi)報(bào)告給中心調(diào)度員。

一旦同VCC的聯(lián)系中斷超過(guò)3 s，故障區(qū)域內(nèi)的所有自動(dòng)列車將采取常用制動(dòng)，并等待同VCC恢復(fù)通信;沒(méi)有進(jìn)入感應(yīng)環(huán)線的列車也要采取常用制動(dòng)，在故障感應(yīng)環(huán)線外停車。為了使列車通過(guò)感應(yīng)環(huán)線故障區(qū)，中心調(diào)度員必須設(shè)置人工進(jìn)路預(yù)留，列車將以限制人工駕駛模式駛出感應(yīng)環(huán)線故障區(qū)段。

列車通過(guò)故障區(qū)段時(shí)將丟失通信，中心調(diào)度員通過(guò)檢測(cè)計(jì)軸區(qū)段的占用/空閑來(lái)判斷列車的位置。當(dāng)列車駛出故障區(qū)段后，在環(huán)線邊界 (系統(tǒng)定義的投入點(diǎn))列車將再次建立VOBC與VCC的通信。

感應(yīng)環(huán)線故障的原因:①感應(yīng)環(huán)線被拉斷，需在收車后組織信號(hào)人員進(jìn)行環(huán)線接續(xù);②傳輸媒質(zhì)(饋電設(shè)備、線路放大器等)的參數(shù)不符合規(guī)范，或相應(yīng)硬件出現(xiàn)問(wèn)題，信號(hào)人員要在這些媒質(zhì)的分界點(diǎn)測(cè)量板塊的相應(yīng)參數(shù)，判斷是哪個(gè)站、室內(nèi)還是室外的故障，進(jìn)行相應(yīng)的電壓/電流值調(diào)整，或更換相應(yīng)的板塊。板塊更換過(guò)程中要注意跳線的設(shè)置。

饋電設(shè)備、線路放大器是環(huán)線與VCC建立通信的紐帶。一旦VCC檢測(cè)到感應(yīng)環(huán)線完整性的9 kHz信號(hào)沒(méi)有及時(shí)反饋到中心，3 s后故障區(qū)域內(nèi)的所有自動(dòng)列車將采取常用制動(dòng)，并等待同VCC恢復(fù)通信。

4 故障實(shí)例

4.1 單個(gè)列車在多個(gè)地方出現(xiàn)車-地通信失敗

這可確定為車的問(wèn)題，主要通過(guò)復(fù)位VOBC來(lái)重新建立車-地通信。如該車多次出現(xiàn)問(wèn)題，可判斷為硬件故障或者軟件程序出錯(cuò)，建議回庫(kù)處理。

案例:2008年9—11月，03列車共記錄有16次VOBC死機(jī)的情況，死機(jī)代碼均為2C。通過(guò)跟進(jìn)及分析，發(fā)現(xiàn)是車載接收、發(fā)送天線電纜破皮導(dǎo)致天線接頭氧化接觸不良。

4.2 多個(gè)列車在同一環(huán)線出現(xiàn)車-地通信失敗

這可確定為感應(yīng)環(huán)線或者是傳輸媒質(zhì)的問(wèn)題。中心調(diào)度員可以通過(guò)司機(jī)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)環(huán)線是否存在破損、拉斷等情況，信號(hào)人員應(yīng)及時(shí)到達(dá)信號(hào)設(shè)備室，根據(jù)饋電設(shè)備上板塊指示燈的狀態(tài)、分線盤上36 kHz、56 kHz、9 kHz信號(hào)的有無(wú)，判斷故障點(diǎn)，判斷原則如下。

1．如果發(fā)送器模塊故障，則S模塊上的指示燈和監(jiān)控板上的指示燈都滅燈。

2．如果發(fā)送器模塊工作正常，但環(huán)線或者端發(fā)送板有問(wèn)題，則發(fā)送器模塊指示燈將滅燈，而監(jiān)控板指示燈亮燈。

3．如果監(jiān)控板有故障，而發(fā)送器模塊工作正常，則監(jiān)控板指示燈滅燈，發(fā)送器模塊指示燈亮燈。更換故障板塊后還不行，則需檢查線路放大器模塊上端子4和端子7之間的輸出電平。如果信號(hào)不在規(guī)定的范圍內(nèi)，則更換該模塊。

案例:2011年5月12日，連續(xù)有3趟車在環(huán)線14與16的邊界出現(xiàn)了TIME-OUT(丟失通信)，原因是饋電設(shè)備的端發(fā)送板電壓過(guò)低，更換該板卡后恢復(fù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以環(huán)線為基礎(chǔ)的SelTrac移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，考慮了車-地通信所要求的各個(gè)要素，最大程度地保障了列車行車安全，具有很高的可靠性，在廣州地鐵3號(hào)線的列車自動(dòng)化控制過(guò)程中，起到了不可替代的作用。但由于在正線上鋪設(shè)了大量的感應(yīng)環(huán)線，且感應(yīng)環(huán)線容易損壞，使得維護(hù)工作量大大增加，還給其他設(shè)備的維護(hù)帶來(lái)了不便。

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