地鐵信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全

【摘 要】城市發(fā)展的加快，經(jīng)濟(jì)的提升，車輛越來越多，交通擁堵成為隱患。地鐵作為一種安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保的公共交通工具，是解決城市交通擁堵的首選。隨著地鐵的大規(guī)模建設(shè)，地鐵信號系統(tǒng)也成為了關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，它的網(wǎng)絡(luò)安全關(guān)乎公眾利益。

【關(guān)鍵詞】地鐵;信號系統(tǒng)

1 緒論

近些年來，地鐵在生活中的使用也越來越廣泛，地鐵運(yùn)行的安全也受到了極大的重視。作為確保地鐵列車安全運(yùn)行和高效率運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)，信號系統(tǒng)應(yīng)該要具備有較高的安全性，可靠性和可用性。本文主要探討的是地鐵信號系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的組成部分。

1.1 研究背景及意義

隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)潮流的襲來，傳統(tǒng)通信行業(yè)也得到了更加快速的發(fā)展，眾所周知CBTC系統(tǒng)是軌道交通控制系統(tǒng)中最常用的通信方式。CBTC系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)的依賴軌道電路向車載設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的制式不同，它是通過與軌道兩側(cè)的信號傳輸設(shè)備來進(jìn)行無線通信的，然后列車和車站接地來實(shí)現(xiàn)信號傳輸模式，CBTC系統(tǒng)是一個(gè)移動(dòng)阻塞系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外的CBTC系統(tǒng)研究和使用都比較的早，以美國及加拿大鐵道協(xié)會(huì)共同研究的ATCS（Advanced Train Control System，先進(jìn)列車控制系統(tǒng)）為例子，這個(gè)系統(tǒng)從上世紀(jì)80年代就開始進(jìn)行了理論研究，90年代進(jìn)行了階段性的測試，最終它在20年代取得了實(shí)際的效果。先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)測量列車的速度，測量距離，并且通過GPS定位列車的位置信息，速度信息，然后通過后臺系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理達(dá)到列車控制的效果。

2 地鐵信號系統(tǒng)

城市軌道交通信號系統(tǒng)通常由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統(tǒng)包括了三個(gè)子系統(tǒng)：

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（Automatic Train Protection，簡稱ATP）列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Automatic Train Operation，簡稱ATO）

這三個(gè)子系統(tǒng)是通過信息交換網(wǎng)絡(luò)過程閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對地面控制與車上控制相結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運(yùn)行調(diào)整以及列車駕駛自動(dòng)化等功能為一體的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 典型CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)（Communication Based Train Control System）是一個(gè)移動(dòng)障礙系統(tǒng)。它是將列車線路分解成為若干個(gè)的交通單元，并根據(jù)了實(shí)際情況調(diào)整每個(gè)單元的長度。通過地面控制中心與車載設(shè)備之間的連續(xù)通信，則可以獲得列車的識別，位置和速度，從而實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行狀態(tài)。通過計(jì)算機(jī)分析計(jì)算得出安全的行車區(qū)間，盡可能縮短兩車之間的距離，盡可能的提高工作的效率。

CBTC系統(tǒng)使用的是IEEE 802.11系列協(xié)議。CBTC系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)由車載無線設(shè)備和在線無線AP（接入點(diǎn)）組成，實(shí)現(xiàn)車輛與地面之間的雙向通信。為了保證傳輸信息的安全性，系統(tǒng)中的無線設(shè)備應(yīng)該具備備份和升級的功能。

CBTC系統(tǒng)的特點(diǎn)就是利用無線通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軌道電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對列車的實(shí)時(shí)控制。CBTC系統(tǒng)使用車載單元和軌道之間的TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)接口。

2.2 CBTC系統(tǒng)傳輸方式

2.2.1 天線傳輸方式

天線傳輸模式是通過軌旁無線AP接收和傳輸列車的信息。車載設(shè)備負(fù)責(zé)收集道路狀況無線AP等交通信息或?qū)崟r(shí)接收軌道AP發(fā)送的列車控制信息并實(shí)時(shí)的傳輸;無線網(wǎng)絡(luò)包括軌道無線AP，光電轉(zhuǎn)換器和軌旁交換機(jī)。并通過軌旁切換到控制中心總線，最后到達(dá)控制中心;控制中心是通過核心交換機(jī)連接到控制中心交換機(jī)的ATS（自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)）總線。這樣可以實(shí)時(shí)的處理車載設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且在分析處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載系統(tǒng)。

2.2.2 漏纜覆蓋方式

漏電同軸電纜也被稱為漏電電纜，簡稱漏纜。絕緣介質(zhì)在潮濕的環(huán)境下傳輸衰減小，傳輸性能穩(wěn)定，保證了系統(tǒng)長期可靠的使用。電纜覆蓋方法基本上與裂紋波導(dǎo)的覆蓋相同，并且傳輸模式也類似。來自汽車天線的信號也可以通過插槽進(jìn)入泄漏電纜，從而實(shí)現(xiàn)CBTC系統(tǒng)的雙向通信。漏電纜覆蓋模式具有更寬的工作頻帶，通常為450 MHz-2 GHz或者更高。

2.3 BSS網(wǎng)絡(luò)與ESS網(wǎng)絡(luò)

BSS（Basic Service Set，）與ESS（Extend Service Set，）是IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)下的兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無線AP被設(shè)置為不同設(shè)備之間的中心站，設(shè)備通過訪問無線AP與外界通信。ESS網(wǎng)絡(luò)的主要特征是包含多個(gè)BSS網(wǎng)絡(luò)的通信，并且可以在各個(gè)中心站點(diǎn)之間切換。

在ESS網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)BSS被用作基本單元來形成無線網(wǎng)絡(luò)?？梢詽M足訪問有線網(wǎng)設(shè)備的需要。當(dāng)火車沿著軌道行進(jìn)時(shí)，它穿過各種BSS網(wǎng)絡(luò)并依靠列車上的WGB來檢測附近無線AP的距離和信號強(qiáng)度并選擇最佳通信。在成功連接到BSS網(wǎng)絡(luò)后，列車的行駛狀態(tài)信息通過WGB發(fā)送到無線AP，然后傳送到有線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器。地面控制中心對列車所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過無線AP將列車控制信息傳回列車，實(shí)現(xiàn)車輛與地面的雙向通信。

3.2 應(yīng)對措施

在802.11標(biāo)準(zhǔn)中使用CSMA / CA機(jī)制。信號對地通信是“及時(shí)”的通信，允許數(shù)百毫秒，由于干擾允許有限的時(shí)間延遲。根據(jù)該機(jī)制，可以在車輛數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行以下的改進(jìn)。

3.2.1 采用DSSS直序擴(kuò)頻技術(shù)的CBTC系統(tǒng)

1.當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)受到影響時(shí)，另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍然有效。特別是在抗干擾和頻率利用方面，使用無干擾雙通道可以同時(shí)降低兩種類型頻率受到MIFI干擾的可能性。

2.采用窄帶技術(shù)。通過減少原始信道占用的帶寬，可以獲得更高的功率譜密度，并且可以增加物理層以確定信道占用強(qiáng)度閾值。這使其更能抵御來自20-MHz帶寬MIFI和其他商用802.11無線設(shè)備的干擾。與此同時(shí)，CBTC系統(tǒng)還可以使用更多的物理獨(dú)立信道來減少窄帶信道占用的可能性，增加設(shè)計(jì)方案的靈活性和適應(yīng)性。

3.使用無線電和地面子系統(tǒng)來增強(qiáng)車輛的前后屏蔽功能，例如駕駛室和駕駛室之間的隔板，以加強(qiáng)屏蔽措施。

基于這些改進(jìn)后，CBTC系統(tǒng)還可以使用低端信道13+14雙頻，因?yàn)樾诺?3目前相對比較空閑。

隨著民用通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信號系統(tǒng)無線通信將面臨更大的挑戰(zhàn)。對于已經(jīng)建成功并且通行的線路，建議是修改已經(jīng)建成并通過線路的原始技術(shù)。新建好的道路可以考慮使用新的頻段或?qū)Ｓ蓄l段。

除了上述技術(shù)上的措施我們還需要加強(qiáng)工作人員的安全意識，對工作人員的培訓(xùn)落實(shí)，還要加強(qiáng)應(yīng)急的演練培訓(xùn)。并且要不定期的進(jìn)行抽查演練。

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作者簡介：

李中原，1963.4，男，漢，河北秦皇島人，大學(xué)，高級講師，研究方向：鐵道信號。

（作者單位：江蘇省徐州技師學(xué)院）