城市軌道交通CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姜鵬

摘要：城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是支持城市交通運(yùn)行的重要部分，目前軌道交通線路已經(jīng)使用基于通信的CBTC系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行控制。CBTC系統(tǒng)可以依托于大容量的連續(xù)雙向信號(hào)通信來確保軌道交通列車的運(yùn)行狀態(tài)信息、控制信息，并對(duì)信息進(jìn)行穩(wěn)定傳輸。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可謂CBTC系統(tǒng)的核心模塊，用以實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與站點(diǎn)設(shè)備、車載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)應(yīng)用深入，涉及范圍廣，面對(duì)的環(huán)境多變復(fù)雜，如果該系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則導(dǎo)致故障或者事故，給正常運(yùn)營帶來損失。科學(xué)合理、安全可靠的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義重大。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;CBTC;數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

當(dāng)前城市軌道交通高速發(fā)展，很多研究都在為軌道交通列車運(yùn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支持。列車的控制、調(diào)度、管理、運(yùn)營都與列車控制系統(tǒng)密不可分。近年來，人們對(duì)于CBTC控制系統(tǒng)的研究越發(fā)深入，并將其廣泛應(yīng)用到城市軌道交通運(yùn)行控制中，來支持城市軌道交通的日常運(yùn)行。研發(fā)出有效、有力、穩(wěn)定、安的城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)是適應(yīng)我國當(dāng)前城市化建設(shè)需要的，可以提高城市軌道交通的效率和運(yùn)輸能力，對(duì)安全保障也起到重要的作用。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可謂CBTC控制系統(tǒng)的核心，連接各個(gè)子系統(tǒng)，傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。其中車載控制器VOBC可以與控制中心完成通信，進(jìn)行制動(dòng)、車門控制、牽引等工作，并對(duì)冒進(jìn)、車門狀態(tài)等情況進(jìn)行安全監(jiān)督，確保軌道交通列車安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1? CBTC系統(tǒng)概述

CBTC列車控制系統(tǒng)可按照功能對(duì)模塊進(jìn)行劃分，主要由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)（CI）、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）、自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)幾個(gè)模塊組成[1]。CBTC城市軌道列車控制系統(tǒng)的主要工作是根據(jù)前面列車的位置和狀態(tài)，對(duì)后面列車的行進(jìn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，確定后面列車的運(yùn)行距離和運(yùn)行速度。前后車之間的數(shù)據(jù)傳遞須持續(xù)不間斷，持續(xù)實(shí)時(shí)進(jìn)行授權(quán)更新。在CBTC軌道列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，無須預(yù)先將前后車距離加以設(shè)定，在運(yùn)行過程中，可以通過前面列車的位置和速度來確定兩者之間保持多大距離，后車位置根據(jù)前車狀態(tài)確定。兩列車之間要不間斷地更新授權(quán)，確保兩列車一直處于安全間隔運(yùn)行。這樣的調(diào)節(jié)屬于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能夠讓整個(gè)列車運(yùn)行系統(tǒng)獲取更大效率和運(yùn)能。CBTC系統(tǒng)框架如圖1所示。

2? 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)要求

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求須滿足一系列信息（軌道線路、列車速度、前路狀況、前方列車距離、車站信號(hào)、列車序列號(hào)、司機(jī)序列號(hào)、車載設(shè)備的狀態(tài)、列車所處位置的信息、車門信息、車站狀態(tài)、列車是否停穩(wěn)、運(yùn)行調(diào)整信息）與控制中心進(jìn)行信息傳輸。使用的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)是由有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的，根據(jù)冗余網(wǎng)絡(luò)配置原則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。骨干網(wǎng)絡(luò)由軌道交通專有傳輸設(shè)備和交換設(shè)備構(gòu)建。在信號(hào)系統(tǒng)中，軌道列車的車載系統(tǒng)要與控制中心進(jìn)行無線通信，通過WLAN實(shí)現(xiàn)，設(shè)備直接接入交換機(jī)，與光纜和軌旁無線設(shè)備連接。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)控制列車權(quán)限運(yùn)行的數(shù)據(jù)管理，建立數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，確保車輛信息在各層級(jí)設(shè)備之間都可以進(jìn)行暢通的交互。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)所采用的架構(gòu)為：軌道旁埋設(shè)了有線網(wǎng)絡(luò)，是由接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)共同構(gòu)成的。骨干網(wǎng)由傳輸設(shè)備、交換機(jī)構(gòu)成。接入網(wǎng)則負(fù)責(zé)連接入通信設(shè)備，完成數(shù)據(jù)的通信傳輸。通過骨干網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通信傳輸設(shè)備接入。接入網(wǎng)主要是接入交換機(jī)，負(fù)責(zé)將CBTC系統(tǒng)的列車自動(dòng)控制子系統(tǒng)（ATS）中的設(shè)備會(huì)接入骨干網(wǎng)中。軌道列車的車載設(shè)備和控制中心的通信設(shè)備均為冗余設(shè)置。軌道交通車輛段的有線傳輸網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)連接，形成具有自愈能力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保骨干網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。為了保證車輛段的數(shù)據(jù)通信是連續(xù)的，車輛段的咽喉處、出入段場線、列檢庫等位置采用無線覆蓋模式。

從技術(shù)指標(biāo)、性能要求的層面來看，無線網(wǎng)絡(luò)采用的是開放式IP標(biāo)準(zhǔn)，要求數(shù)據(jù)通信范圍內(nèi)固定子系統(tǒng)與移動(dòng)子系統(tǒng)可進(jìn)行信息傳輸。系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等需要符合通行標(biāo)準(zhǔn)，在傳輸?shù)乃俣?、頻帶、誤碼率、調(diào)制解調(diào)方式等方面符合國內(nèi)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2]。

2.2有線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有線通信子系統(tǒng)包括骨干網(wǎng)與接入網(wǎng)。骨干網(wǎng)將外部系統(tǒng)的設(shè)備接入本地網(wǎng)絡(luò)，把正接入設(shè)備可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，所有系統(tǒng)連接成整體，接入網(wǎng)將分布于軌道側(cè)的接入點(diǎn)連接入網(wǎng)絡(luò)，讓有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。

骨干網(wǎng)采用的是基于SDH技術(shù)的多線程解決方案，保證通信可靠性，依賴光纖保護(hù)。SDH在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處都會(huì)配置多套單板作為冗余備用。一個(gè)單板故障，另一個(gè)單板可以完成通信工作，整個(gè)系統(tǒng)不受影響。為了避免故障，骨干網(wǎng)需要保證隨時(shí)可用和可靠性，需要滿足設(shè)備冗余、鏈路冗余兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：在設(shè)備冗余方面，控制中心與其他系統(tǒng)的通信是非常重要的，其通信暢通與否關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)控。

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)由以太網(wǎng)交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，將設(shè)備連接到有線網(wǎng)絡(luò)之中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。骨干網(wǎng)中設(shè)有專用的LAN，LAN可以訪問設(shè)有SDH節(jié)點(diǎn)的車站，這些車站與以太網(wǎng)的交換機(jī)共同組成接入網(wǎng)，接入網(wǎng)可與其他設(shè)備連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。每個(gè)業(yè)務(wù)需要有足夠的通信容量支撐，并且互相獨(dú)立，各司其職。

2.3無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線通信網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)設(shè)置與接入點(diǎn)作用相關(guān)。接入點(diǎn)是車載通信設(shè)備和軌旁設(shè)備進(jìn)行信息交換的設(shè)備，要保證信息可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸。接入點(diǎn)沿著軌道路線以一定距離分布，確保即使是臨近接入點(diǎn)失效了，信號(hào)仍然可以完整覆蓋。AP之間要保證無縫切換。接入點(diǎn)分布的影響因素還和連接閾值、定向天線漫游有關(guān)。

無線單元布置，基于以下原則：完全冗余，以及軌道內(nèi)外完全無線覆蓋。

如圖2所示，天線在信號(hào)設(shè)置上采取冗余設(shè)置的目的在于，相鄰節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋區(qū)域有互相重疊的部分的，信號(hào)覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。冗余方式可以保證無線信號(hào)全覆蓋，并且避免某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)信號(hào)中斷。

無線通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)要求整個(gè)系統(tǒng)具備以下優(yōu)越性：系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，即使是處于隧道環(huán)境中，無線通信也可以通過多徑效應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳輸。而無線通信子系統(tǒng)是利用寬帶業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，其傳輸速率更高。進(jìn)行拓展時(shí)，容易受到干擾，要考慮引入均衡算消除碼間干擾。系統(tǒng)要保證頻帶利用率高。軌道交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，采用OFDM系統(tǒng)，各頻帶存在重疊，可以提高頻帶利用率，而頻帶之間又互不干擾，在接收端可以通過解調(diào)方式恢復(fù)信號(hào)，保證信息正確傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡單，節(jié)省資源，成本較低。寬帶系統(tǒng)在通信過程中要求較高，實(shí)現(xiàn)難度也更大，成本投入較高。而OFDM系統(tǒng)不需要引入復(fù)雜的均衡器，承載的數(shù)據(jù)量較大。大量數(shù)據(jù)在不同信道傳輸時(shí)，可以用插入前綴來避免干擾。OFDM系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)，成本也會(huì)更低[4]。

2.4通信系統(tǒng)安全

VOBC和軌道旁設(shè)置的控制器都屬于安全部件，可以通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定安全的數(shù)據(jù)通信工作，但是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)屬于非安全系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)通是安全系統(tǒng)。安全系統(tǒng)或設(shè)備在生成報(bào)文過程中會(huì)在報(bào)文里加入冗余碼、序列號(hào)，用驗(yàn)證報(bào)文鑒定準(zhǔn)確性。對(duì)冗余碼和徐磊好的鑒定可通過安全型設(shè)備來完成，避免非安全型設(shè)備的影響。

軌道旁的安全設(shè)備由配備了OPENBSD系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和加密軟件構(gòu)成。每個(gè)集中站配備了兩臺(tái)安全型設(shè)備，保證傳輸可靠性。車載加密設(shè)備是專用的解密工具，每輛列車配備兩臺(tái)安全型設(shè)備。每個(gè)子系統(tǒng)都可以由加密設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。所有設(shè)備均達(dá)到冗余要求，形成安全連接。如圖3所示。

加密性是整個(gè)系統(tǒng)安全的重要保障，關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。智能交通控制系統(tǒng)建立網(wǎng)關(guān)，與外界的軟件連接，系統(tǒng)與外界系統(tǒng)也會(huì)存在信息互通。智能控制系統(tǒng)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)是開放的，為其他應(yīng)用程序提供服務(wù)鑒定。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，每個(gè)連接到數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的應(yīng)用都要配置加密器，安裝在端口與程序之間。當(dāng)數(shù)據(jù)是正確的，則可以進(jìn)行傳輸，否則錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)就會(huì)被清除。

結(jié)語：上文介紹了CBTC城市軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)和功能。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)從功能出發(fā)滿足設(shè)計(jì)需求，針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)安全管理問題等進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)CBTC系統(tǒng)來講是非常重要的，應(yīng)不斷完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證網(wǎng)絡(luò)安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸，為城市軌道交通系統(tǒng)提供保障。

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