郝瑞庭

基于無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的車-地雙向通信系統(tǒng)應(yīng)用

郝瑞庭

摘 要：車- 地雙向通信系統(tǒng)是信號CBTC 系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一。以北京地鐵15 號線為例，介紹基于無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的車- 地雙向通信系統(tǒng)的構(gòu)成，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的傳輸流程和傳輸原理，并對列車的無線區(qū)域切換過程進(jìn)行了分析。通過對實(shí)例的分析，總結(jié)了無線中轉(zhuǎn)傳輸方式所具有的優(yōu)越性，并指出其存在的不足及應(yīng)對策略。

關(guān)鍵詞：無線中轉(zhuǎn)；CBTC 系統(tǒng)；車- 地雙向通信

郝瑞庭：中鐵通信信號勘測設(shè)計(jì)（北京）有限公司，工程師，北京 100036

隨著我國城市軌道交通建設(shè)進(jìn)程的不斷向前推進(jìn)，城市軌道交通信號系統(tǒng)的各項(xiàng)裝備和技術(shù)水平也得到了很大提高。作為保證列車行車安全、提高運(yùn)行效率的重要設(shè)備系統(tǒng)，近年來國內(nèi)各城市新建線路的信號系統(tǒng)大都采用基于無線通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化的特點(diǎn)，與其他列車自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，功能更加完備，實(shí)現(xiàn)了高密度、高安全的列車追蹤控制，有效提高了城市軌道交通的運(yùn)營水平。

車-地雙向通信系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)列車與地面設(shè)備間連續(xù)、安全、可靠并滿足容量要求的無線通信連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行車-地間雙向信息的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)列車的精確閉環(huán)控制。北京地鐵15號線信號系統(tǒng)采用以無線電臺為傳輸媒介的CBTC系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，車-地雙向無線通信系統(tǒng)中地面與車載設(shè)備間的無線通信傳輸通過無線中轉(zhuǎn)接力的方式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)軌旁無線通信設(shè)備具備測距功能，使系統(tǒng)具有較高的可用性。

1　車-地雙向無線通信系統(tǒng)的構(gòu)成

北京地鐵15號線信號CBTC系統(tǒng)的車-地雙向無線通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備兩大部分組成，地面設(shè)備主要由ATP/ATO邏輯部、車站無線電臺（SRS）、區(qū)間無線電臺（WRS）組成；車載設(shè)備主要由ATP/ATO設(shè)備、車載無線電臺（VRS）等組成。地面ATP/ ATO邏輯部為2×2取2結(jié)構(gòu)，2臺邏輯部與SRS之間通過串行接口（RS422）交叉互聯(lián)，其他電臺均通過無線接力方式通信，地面與車載之間的無線通信通過SRS、WRS、VRS中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，WRS無需通過有線的方式接入到地面設(shè)備。在每個(gè)控制區(qū)域內(nèi)，ATP/ATO地面設(shè)備對其管轄范圍內(nèi)的所有軌旁無線電臺進(jìn)行監(jiān)視和控制。

圖1　車-地雙向無線通信系統(tǒng)構(gòu)成

在每個(gè)控制區(qū)的地面ATP/ ATO軟件數(shù)據(jù)庫中包含有該控制區(qū)的線路數(shù)據(jù)、軌旁無線設(shè)備數(shù)據(jù)等。通過列車和地面間的雙向數(shù)據(jù)通信，地面信號設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息，并由地面ATP/ ATO邏輯部計(jì)算出每一列車的運(yùn)行權(quán)限，為其提供移動(dòng)授權(quán)（MA）。列車根據(jù)移動(dòng)授權(quán)并結(jié)合自身運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算出列車運(yùn)行的速度曲線，從而實(shí)現(xiàn)列車在安全防護(hù)下的運(yùn)行。

2　無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的應(yīng)用

無線中轉(zhuǎn)傳輸技術(shù)是利用無線電臺的無線接力功能，將無線信號從1個(gè)中繼點(diǎn)接力傳遞到下1個(gè)中繼點(diǎn)，并形成滿足車-地?zé)o線通信覆蓋范圍的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，構(gòu)成多個(gè)電臺中繼接力的無線傳輸模式。通過無線中轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)地面與列車間連續(xù)的無線通信。北京地鐵15號線CBTC系統(tǒng)的車-地雙向無線傳輸即采用此方式實(shí)現(xiàn)。

2.1地面與車載設(shè)備間無線數(shù)據(jù)的傳輸流程

地面設(shè)備到車載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2中實(shí)線箭頭所示方向，ATP/ATO地面設(shè)備生成的控制信息從ATP/ATO邏輯部通過串口傳送給SRS，SRS通過無線中轉(zhuǎn)方式將數(shù)據(jù)傳送給WRS，WRS繼續(xù)中轉(zhuǎn)，直至列車的VRS接收到來自WRS的數(shù)據(jù)后并將其傳輸給車載ATP/ ATO設(shè)備。圖2中的虛線箭頭所示方向?yàn)檐囕d設(shè)備到地面設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸流程，車載ATP/ATO設(shè)備上生成的狀態(tài)信息傳送給VRS，VRS通過無線中轉(zhuǎn)方式傳送給WRS，WRS繼續(xù)中轉(zhuǎn)直至SRS，最后，數(shù)據(jù)從SRS傳送給ATP/ATO地面邏輯部。

在北京地鐵15號線CBTC系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，1個(gè)無線電臺發(fā)送的數(shù)據(jù)同時(shí)會有2個(gè)電臺進(jìn)行接收，只要其中一方可以可靠接收，即可進(jìn)行中轉(zhuǎn)發(fā)送。例如，在圖2中，WRS2可以接收來自SRS和WRS1的數(shù)據(jù)，這樣即使其中1個(gè)電臺發(fā)生故障或傳輸錯(cuò)誤，只要可以接收SRS和WRS1中任意一方的數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行中轉(zhuǎn)發(fā)送，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。同樣，列車的VRS 在2次接收中，如果有1次接收成功，便可將數(shù)據(jù)傳至車載設(shè)備上。北京地鐵15號線的每列車都搭載4個(gè)VRS，所以，存在8次接收機(jī)會，只要有1次接收成功，那么就可以將數(shù)據(jù)傳遞到車載設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)地面與車載設(shè)備間的可靠通信，列車VRS的冗余結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　地面與車載設(shè)備間無線數(shù)據(jù)傳輸流程圖

圖3　VRS冗余結(jié)構(gòu)

在每個(gè)連續(xù)式ATP/ATO控制區(qū)域，各站的SRS均為冗余配置，設(shè)有2臺。當(dāng)1臺SRS發(fā)生故障時(shí)不影響列車正常運(yùn)行。由于WRS可以與相鄰的WRS以及相鄰WRS的下1臺WRS進(jìn)行無線通信，因此，只要不是相鄰的2臺WRS都發(fā)生故障，則不會影響列車運(yùn)行。當(dāng)4臺VRS中的1臺及以上發(fā)生故障時(shí)，在車載人機(jī)界面（DMI）會顯示VRS故障信息，VRS為冗余配置，不會立刻影響運(yùn)行。如果由于VRS的多重故障造成地-車間通信中斷2.7 s以上時(shí)，ATP/ATO車載設(shè)備則發(fā)出緊急制動(dòng)指令，列車實(shí)施緊急停車。

2.2數(shù)據(jù)傳輸原理

北京地鐵15號線CBTC系統(tǒng)的車-地雙向通信系統(tǒng)綜合采用時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）技術(shù)，系統(tǒng)以500 ms為1個(gè)周期進(jìn)行連續(xù)的車-地通信。系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)的傳送以時(shí)間進(jìn)行同步，將1個(gè)時(shí)間周期劃分為256個(gè)時(shí)隙，以每個(gè)時(shí)隙（約為2 ms）為單位，切換無線電臺發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。為了讓所有電臺在1個(gè)時(shí)隙單位中進(jìn)行接發(fā)送通信，就需要在接發(fā)送電臺之間進(jìn)行時(shí)間同步，也就是說，某電臺向?qū)Ψ诫娕_發(fā)送時(shí)，對方需要知道在何時(shí)進(jìn)行發(fā)送。為此，在每20個(gè)時(shí)隙中包含1個(gè)同步時(shí)隙，用來進(jìn)行接發(fā)送電臺之間的同步。

圖4是北京地鐵15號線無線電臺間數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖。SRS在接收到ATP/ATO設(shè)備數(shù)據(jù)后，在時(shí)刻T窗口1中向WRS1、WRS2發(fā)送數(shù)據(jù)。在時(shí)刻T+1，WRS1將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給WRS2、WRS3，同樣，在時(shí)刻T+2和時(shí)刻T+3，數(shù)據(jù)繼續(xù)中轉(zhuǎn)發(fā)送，直到數(shù)據(jù)到達(dá)車載設(shè)備。在T+3時(shí)刻，地面ATP/ ATO設(shè)備可在窗口0中繼續(xù)向SRS發(fā)送下1組數(shù)據(jù)。

在每個(gè)無線數(shù)據(jù)的傳送方向上，系統(tǒng)使用2個(gè)信道的不同頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。ATP/ATO地面設(shè)備按照指定的周期傳送命令，控制所有無線電臺的使用頻率，2個(gè)頻率信道在各個(gè)時(shí)隙間進(jìn)行切換，交互使用。在圖4中的時(shí)刻T，窗口1使用頻率1，窗口2使用頻率2；在時(shí)刻T+1，窗口1使用頻率2，窗口2使用頻率1。同樣，在時(shí)刻T+2和時(shí)刻T+3，窗口1和窗口2的頻率繼續(xù)交互使用。

在CDMA中，系統(tǒng)采用PN碼技術(shù)，通過設(shè)置在各個(gè)無線電臺上的系統(tǒng)參數(shù)，確定要使用的PN序列，以時(shí)隙為單位對PN碼進(jìn)行切換，根據(jù)PN序列，對傳送的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制處理。另外，系統(tǒng)還采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤檢查，并采用數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)算法（DES），通過這些技術(shù)手段確保了通信的可靠性，有效防止黑客對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改和竊聽。

2.3無線中轉(zhuǎn)方式下列車的區(qū)域切換

列車從1個(gè)ATP/ATO控制區(qū)域（稱為SC區(qū)域）行駛進(jìn)入到另1個(gè)區(qū)域時(shí)，在區(qū)域邊界附近，雙方區(qū)域的地面設(shè)備需實(shí)現(xiàn)不間斷的列車控制。列車在進(jìn)行交接處理時(shí)需要的數(shù)據(jù)通信全部通過無線進(jìn)行傳輸。

圖5為北京地鐵15號線列車控制區(qū)域切換的流程示意圖。在2個(gè)區(qū)域邊界附近，系統(tǒng)設(shè)定了1個(gè)“區(qū)域切換區(qū)間”。當(dāng)列車運(yùn)行在SC1區(qū)域內(nèi)時(shí)，列車只接受所在區(qū)域地面設(shè)備（圖5中SC1）的控制。當(dāng)列車進(jìn)入“區(qū)域切換區(qū)間”時(shí)，SC2區(qū)域能夠檢測到列車，此時(shí)列車的位置信息能夠同時(shí)傳送給2個(gè)控制區(qū)域，雙方SC均能接收到相同的位置信息。當(dāng)列車車頭越過區(qū)域邊界時(shí)，列車控制權(quán)由SC1轉(zhuǎn)移到SC2，由于2個(gè)SC識別到的列車位置是相同的，所以，列車的控制不會被中斷。當(dāng)列車駛出“區(qū)域切換區(qū)間”時(shí)，SC1對列車的跟蹤也就此結(jié)束。

列車從進(jìn)入“區(qū)域切換區(qū)間”至越過區(qū)域邊界為止，均使用列車尾部的VRS進(jìn)行控制指令和ATP數(shù)據(jù)的通信，此時(shí)，VRS之間的通信將通過通信電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一旦列車車頭越過區(qū)域邊界，列車將使用車頭的VRS與沿線的WRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖4　數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖

圖5　列車控制區(qū)域切換的流程示意圖

3　無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

北京地鐵15號線信號CBTC系統(tǒng)的車-地雙向通信系統(tǒng)采用無線中轉(zhuǎn)傳輸方式實(shí)現(xiàn)，與其他城市軌道交通線路的CBTC系統(tǒng)相比，具有一定的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

（1）由于車-地連續(xù)雙向通信是通過中繼接力工作方式的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有2臺SRS通過串口方式與ATP主機(jī)交換信息，沿線布置的無線電臺（WRS）只需引入電源即可，無須連接通信線纜。每一套ATP/ATO設(shè)備形成1個(gè)獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)，2套ATP/ATO設(shè)備之間采用無線網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)需要增加設(shè)備集中站時(shí)只需增加1套ATP/ATO設(shè)備及相應(yīng)的無線設(shè)備即可，不會對既有設(shè)備造成任何影響；當(dāng)需對某一套ATP/ATO控制范圍進(jìn)行增大時(shí)，只需增加電臺并引入電臺工作電源即可，無需增加通信線纜。系統(tǒng)對于無線的擴(kuò)展是十分方便的，同時(shí)降低了材料費(fèi)用和施工成本，也便于日后的運(yùn)營維護(hù)，方便系統(tǒng)的升級或改造。

（2）系統(tǒng)無線通信協(xié)議在變頻方式、PN碼方式、加密方式上都是非公開的。并且每次通信都要更改加密密碼，與通常使用的無線WLAN相比，具有更高的隱秘性和安全性。

（3）由于系統(tǒng)2個(gè)通信信道頻率交互使用，即使某一電臺在某一時(shí)隙因干擾無法正常接收數(shù)據(jù)，在下一時(shí)隙，該電臺仍可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸，這使得系統(tǒng)具有很好的抗干擾性。

在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，基于無線中轉(zhuǎn)技術(shù)的車-地通信系統(tǒng)在某些方面還存在一些問題，需進(jìn)一步優(yōu)化，如：當(dāng)?shù)叵萝囌镜?臺SRS發(fā)生故障時(shí)，另外1臺SRS天線下方如果有列車在線，則地面ATP/ ATO設(shè)備與WRS之間的通信會被遮斷；地下區(qū)間如果有列車在線，WRS之間的中繼通信容易被遮斷，從而引發(fā)列車緊急制動(dòng)。為防止出現(xiàn)上述情況，在北京地鐵15號線的工程實(shí)際應(yīng)用中，除了對地下車站的SRS進(jìn)行冗余設(shè)置之外，車站兩端的SRS均進(jìn)行了雙重設(shè)置，同時(shí)，在車頭和車尾的VRS之間增加中繼功能，用來輔助WRS-WRS之間的通信，從而有效克服了上述問題。通信系統(tǒng)的故障率與其他線路相比處于較低水平，受到了運(yùn)營單位的認(rèn)可與好評。未來，基于無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的車-地雙向通信系統(tǒng)仍具有廣闊的應(yīng)用前景。

4　結(jié)語

在目前主流的信號CBTC系統(tǒng)中，車-地雙向無線通信系統(tǒng)大多采用軌旁無線接入設(shè)備（AP）雙網(wǎng)無線覆蓋的方式，基于中轉(zhuǎn)接力傳輸方式的車-地通信系統(tǒng)應(yīng)用甚少。北京地鐵15號線采用的基于無線中轉(zhuǎn)傳輸方式的CBTC系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，具有較高的可靠性和可用性。車-地?zé)o線

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

Wireless Relay Transmission Based Train-Ground Communication System

Hao Ruiting

Abstract:The train-ground communication system is one of the most critical subsystem in CBTC system. Taking Beijing metro line 15 as an example, the paper introduces the composition of wireless relay transmission based train-ground bidirectional communication system and makes a key analysis on system wireless data transmission process and transmission principle while the switching process of the train running between different wireless local areas are analyzed. Through analysis of the cases, the advantages of the wireless relay transmission modes are summarized, and its problems and counter measures are discussed.

Keywords:wireless relay, CBTC system, train-ground communication

收稿日期2014-11-19

中圖分類號：U231.7