信號CBTC系統(tǒng)不同車地通信制式無縫自動切換方法研究

摘要：針對軌道交通線路不同建設(shè)周期場景下承載信號CBTC系統(tǒng)的不同車地通信制式自動切換的需求，構(gòu)建了基于無縫冗余協(xié)議的信號CBTC系統(tǒng)傳輸組網(wǎng)方案。通過分析基于WLAN和LTE的車地通信組網(wǎng)架構(gòu)，提出不同車地通信制式切換的原則和需求，結(jié)合可實現(xiàn)無縫自動切換的通信協(xié)議，形成基于無縫冗余協(xié)議的信號車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法及信號列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕鞒虣C制。工程驗證表明，該方法可完成信號CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)制式下的自動切換，具有較好的實時性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：CBTC系統(tǒng);車地通信;無縫冗余協(xié)議

中圖分類號：U285.2? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.003

0? ? 引言

基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）是當(dāng)前城軌列控系統(tǒng)的主流控制方式，其采用的車地通信技術(shù)在快速發(fā)展中實現(xiàn)了不斷演進。在軌道交通四網(wǎng)融合發(fā)展的背景下，新建線路與既有線路互聯(lián)互通必將面臨采用不同無線通信制式承載CBTC系統(tǒng)的新場景，如何實現(xiàn)在不同車地通信制式下信號系統(tǒng)的無縫切換成為亟待解決的關(guān)鍵問題[1-2]。

根據(jù)延伸或改造工程建設(shè)需要，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究和工程實踐，采用的主要方法包括與既有線路車地通信采用相同制式[3-4]、全線疊加雙套車地通信設(shè)備、采用兩套車載方案等[5]，但相關(guān)方法工程建設(shè)成本較高，大范圍改造影響正線日常運營，因而并未有效解決技術(shù)不斷進步過程中出現(xiàn)的新問題。而在變電站、測控專網(wǎng)等領(lǐng)域通過通信冗余協(xié)議較好地解決了不同通信制式的兼容問題[6-7]，并獲得了一定的應(yīng)用。

鑒于此，本文首先根據(jù)不同車地通信承載CBTC信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景，針對性分析了當(dāng)前新建線路主用的基于LTE的車地?zé)o線通信和既有線路采用的基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)架構(gòu)的差異，提出了CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換的需求，通過分析可實現(xiàn)無縫自動切換的通信協(xié)議，形成基于無縫冗余協(xié)議的信號車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法和算法流程，可為工程實踐提供支撐。

1? ? CBTC系統(tǒng)不同車地通信切換需求分析

1.1? ?CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)（圖1）以移動閉塞來控制在線列車運行間隔，通過實時測定的列車位置信息，根據(jù)電子地圖和進路條件，考慮線路、車輛、臨時限速、防護距離等參數(shù)實時計算并向列車進行移動授權(quán)，移動授權(quán)伴隨列車前行而動態(tài)更新，擺脫了由地面信號按固定物理區(qū)段行車的限制。列車實時位置及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸保障的關(guān)鍵即在于車地傳輸通道。車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用第四代移動通信長期演進（LTE-M）與無線局域網(wǎng)（WLAN）兩種無線通信技術(shù)。

1.2? ?基于不同車地制式的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1? ? 基于WLAN的CBTC架構(gòu)

基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)（圖2）工作頻段為2.4 GHz頻段，開放性良好，雙向傳輸數(shù)據(jù)量大，密度高。通過在軌道交通線路旁布設(shè)無線熱點設(shè)備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要的通信介質(zhì)包括波導(dǎo)管、漏纜等，車載設(shè)備由車載天線和對應(yīng)的通信單元組成，采用雙套冗余網(wǎng)絡(luò)來提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和可靠性。

1.2.2? ? 基于LTE-M的CBTC架構(gòu)

基于LTE-M的車地?zé)o線通信系統(tǒng)（圖3）通常工作在1.8 GHz頻段，具有大容量、低延遲、覆蓋強、高速移動的優(yōu)點[8]，且相比于WLAN具有更好的抗干擾性，成為近年來主要的通信制式。該系統(tǒng)由核心網(wǎng)、基站系統(tǒng)和車載設(shè)備等組成，基站系統(tǒng)由基帶單元（BBU）和射頻單元（RRU）組成。

1.3? ? 自動切換需求分析

當(dāng)前國內(nèi)各擁有軌道交通的城市，在建線網(wǎng)已逐步成型，面臨既有線路延伸或新建線路接入貫通的需求，新建線路采用多年前方案或?qū)崿F(xiàn)既有線路的無線改造均存在較大不合理性，WLAN和LTE-M在同一場景下實現(xiàn)兼容或切換是其中的關(guān)鍵技術(shù)問題。實現(xiàn)列車在LTE-M與WLAN之間無縫切換需要滿足以下需求：

1）低時延性。車地?zé)o線通信切換應(yīng)滿足信號系統(tǒng)信息傳輸端到端延遲時間不大于150 ms的要求，同時滿足LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)自身越區(qū)切換的技術(shù)時效性指標(biāo)。

2）高可靠性。數(shù)據(jù)丟包率不大于1%，越區(qū)切換成功率不應(yīng)小于99.92%。

3）操作簡單易維護。設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，能實現(xiàn)自動無縫切換過程，不影響和改變既有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不增加系統(tǒng)故障點和維修成本。

2? ? 基于無縫冗余協(xié)議的雙路CBTC系統(tǒng)切換方法

2.1? ? 通信無縫冗余協(xié)議

通信領(lǐng)域較早實現(xiàn)了無縫冗余的通信功能協(xié)議，其主要應(yīng)用于通信鏈路連接故障時，不需要進行新的通信配置，即可實現(xiàn)通信。國際電工委員會2016年發(fā)布的IEC 62439-3中并行冗余（PRP）協(xié)議和高可用性無縫冗余（HSR）協(xié)議均可實現(xiàn)無縫冗余。

PRP通過在數(shù)據(jù)鏈路層中組成終端設(shè)備的冗余節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中鏈路發(fā)生變化情況下數(shù)據(jù)的安全、正常通信過程，可以在不中斷、無延時狀態(tài)下完成無線通信切換過程。該協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層，對上層透明，適用性強，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

基于PRP的局域網(wǎng)采用線性并行運行的拓撲結(jié)構(gòu)，收發(fā)設(shè)備通過節(jié)點鏈DANP實現(xiàn)冗余。其中DANP節(jié)點鏈將從上層接收到的經(jīng)過編碼的通信數(shù)據(jù)幀分別下發(fā)向兩個端口，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過兩個互相獨立的鏈路后傳送給接收端，接收的節(jié)點鏈將先接收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)處理解譯后發(fā)給上層協(xié)議，同時棄用后續(xù)收到的另一路數(shù)據(jù)幀，從而實現(xiàn)傳輸通道的無縫冗余管理過程。

HSR協(xié)議冗余環(huán)網(wǎng)可以看作是將PRP從不同的方向連接后建立起了一個環(huán)型的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。HSR協(xié)議的終端設(shè)備節(jié)點通過節(jié)點鏈DANH進行環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸，通過雙向的節(jié)點鏈環(huán)路實現(xiàn)冗余。而DANH與DANP在數(shù)據(jù)處理的流程上相似，均可通過多路廣播和虛擬的局域網(wǎng)技術(shù)來保證傳輸質(zhì)量。

經(jīng)對比，信號CBTC系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)不同車地通信網(wǎng)絡(luò)間切換場景過程及無線通道傳輸特性更契合PRP網(wǎng)絡(luò)特征，且組網(wǎng)架構(gòu)更簡單，在同等場景下有助于減少組網(wǎng)過程節(jié)點，減少系統(tǒng)故障點。

2.2? ? 雙路CBTC系統(tǒng)場景下車地?zé)o縫冗余組網(wǎng)方法

根據(jù)CBTC信號系統(tǒng)的典型特征和組網(wǎng)方式，結(jié)合PRP協(xié)議的結(jié)構(gòu)特性，為解決雙路不同車地通信制式場景下的車地?zé)o線通信傳輸問題，在原組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中通過PRP節(jié)點設(shè)備承擔(dān)原有系統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)鏈路層的通信過程，對上層協(xié)議透明，不會改變已成熟的信號系統(tǒng)車地通信冗余通道的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雙路車地通信冗余組網(wǎng)方案如圖6所示。

在綜合考慮組網(wǎng)成本和組網(wǎng)可靠性的場景下，可嘗試使用該組網(wǎng)方案。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出，在原車地傳輸通道的基礎(chǔ)上，該組網(wǎng)方案通過將需要傳遞的數(shù)據(jù)報文經(jīng)軌旁路由分別轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的冗余網(wǎng)PRP設(shè)備，由PRP設(shè)備做協(xié)議封裝后分別發(fā)送給LTE和WLAN無線傳輸系統(tǒng)通道，LTE和WLAN無線設(shè)備的發(fā)送及接收設(shè)備按照互相獨立的數(shù)據(jù)傳輸方式完成車地數(shù)據(jù)的傳遞。列車車載設(shè)備收到數(shù)據(jù)后經(jīng)PRP設(shè)備按照先到先取的原則進行使用，后到的數(shù)據(jù)則被丟棄。車載向地面軌旁傳遞數(shù)據(jù)與上相同。

3? ? 基于無縫冗余協(xié)議的車地通信信息模型

在列車運行過程中，車地交互的主要信息流包括列車的定位和移動授權(quán)等。一般通過軌旁信號應(yīng)答器提供線路的參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合列車所裝備的設(shè)備融合速度傳感器及雷達測速模塊數(shù)據(jù)累加計算共同得到列車的定位信息。同時，結(jié)合前行列車與地面的數(shù)據(jù)交互來確定前車的實際位置，并判斷列車前方的安全空閑區(qū)段。經(jīng)過計算后，由列車車載設(shè)備（VOBC）向信號軌旁的區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送列車的位置數(shù)據(jù)信息，ZC綜合計算前方列車進路、前車位置以及其他障礙物等信息得出移動授權(quán)，并通過車地?zé)o線通信向車載設(shè)備（VOBC）傳達移動授權(quán)信息。

根據(jù)以上過程，形成基于無縫冗余協(xié)議的車地通信數(shù)據(jù)算法流程如圖7所示。

以車地通道下傳CBTC移動授權(quán)數(shù)據(jù)過程為例，其主要流程包括：

1）軌旁區(qū)域控制器向列車下達移動授權(quán)數(shù)據(jù)至帶有PRP協(xié)議的路由設(shè)備，路由設(shè)備編碼形成PRP數(shù)據(jù)報文。

2）軌旁PRP設(shè)備復(fù)制數(shù)據(jù)報文，并將數(shù)據(jù)報文分別通過WLAN和LTE鏈路進行同步發(fā)送。

3）車載WLAN和LTE鏈路接收天線分別接收數(shù)據(jù)報文，通過兩條鏈路送至車載PRP設(shè)備。

4）通過車載PRP監(jiān)視機制判斷該報文是否已接收。未接收，則接收該報文并更新節(jié)點鏈;已接收，則轉(zhuǎn)移該報文至中轉(zhuǎn)棧并在下個循環(huán)前丟棄。

5）監(jiān)測并判斷網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)有故障，則故障報警，并請求再發(fā)數(shù)據(jù)報文;網(wǎng)絡(luò)無故障則去除封裝協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)上層協(xié)議至設(shè)備終端處置。

4? ? 工程驗證

本文主要技術(shù)方案在無錫至江陰城際軌道交通工程項目進行了性能測試及工程驗證。無錫至江陰城際軌道交通工程項目與既有無錫地鐵1號線工程貫通運營，其中新建段多為120 km/h高架區(qū)段，車地?zé)o線通信鏈路選用1.8 GHz頻段的LTE-M車地通信制式，既有無錫地鐵1號線多為80 km/h線路，原采用2.4 GHz頻段的WLAN車地通信制式。為滿足貫通運營需求，需實現(xiàn)在接軌區(qū)段的無線無縫切換過程。

通過實驗室測試和試驗線測試后，在無錫至江陰城際軌道交通工程馬鎮(zhèn)站進行了系統(tǒng)性能測試和驗證。如圖8所示，經(jīng)測試驗證，采用該方案的車地通信數(shù)據(jù)丟包率小于1%，端到端傳輸平均延遲時間小于30 ms，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以實現(xiàn)WLAN與LTE車地通道無縫切換，保證通道上承載的CBTC信息安全、可靠傳輸。

5? ? 結(jié)論

針對既有線路延伸或新建線路接入線網(wǎng)車地通信不同的場景，通過基于無縫冗余協(xié)議的組網(wǎng)方法及設(shè)備，結(jié)合雙鏈路冗余數(shù)據(jù)算法流程，能較為有效地實現(xiàn)承載信號CBTC系統(tǒng)的不同車地通信數(shù)據(jù)無縫切換，且具有較好的通信服務(wù)質(zhì)量和實時性。無縫冗余通信協(xié)議工作于數(shù)據(jù)鏈路層，適用性不限于WLAN與LTE的通信制式，后續(xù)可進一步開展5G公專網(wǎng)應(yīng)用承載場景下的工程驗證，為四網(wǎng)融合背景下完善車地通信系統(tǒng)技術(shù)提供支撐。

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收稿日期：2024-02-02

作者簡介：郭碧（1992—），男，甘肅靈臺人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事軌道交通信號設(shè)計研究工作。