淺談基于無線的車-地通信系統

張文洲

*廣州市地下鐵道總公司 助理工程師，510380 廣州

在城市軌道交通系統中，移動閉塞模式代表了信號控制系統的發展方向，與傳統的模式相比，其追蹤列車的安全間隔距離最小，具有最大限度地提高線路運輸的能力。

基于無線通信技術的CBTC信號系統，不依靠軌道電路檢測列車位置向車載設備傳遞信息，而是利用無線通信技術，通過車載設備、現場的通信設備與車站或列車控制中心實現信息交換，完成對列車速度的控制，故其具備高可靠性、高效性、抗干擾性等特點。

1 CBTC信號系統的基本原理

列車自動防護系統的地面設備周期性地接收本系統控制范圍內所有列車傳來的列車識別號、位置、方向和速度等信息。相應地，列車自動防護系統的地面設備根據接收到的列車信息，確定各列車的移動授權，并向本系統控制范圍內的每列列車周期性地傳送移動授權。其中，移動授權由前行列車的位置來確定，移動授權將隨著前行列車的移動而逐漸前移。列車自動防護系統的車載設備根據接收到的移動授權以及列車速度、線路參數、司機反應時間等信息，動態地計算出列車的緊急制動觸發曲線和緊急制動曲線，以確保列車不會超越現有的移動授權點。因此在移動閉塞系統中，列車自動防護系統計算出的防護點不是在軌道區段的分界點，而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置，它會隨著列車的移動而移動。

2 基于無線的車-地通信系統的構成

以廣佛線的無線通信系統為例，基于無線的車-地通信系統結構如圖1所示。

圖1 廣佛線基于無線的車-地通信系統結構示意圖

列車控制系統可以在軌旁、中心和車載設備之間進行通信，通信使用標準網際協議尋址機制。系統使用一個無線局域網，此局域網針對列車控制應用程序的要求專門定制而成。系統具有足夠的固有容量，即便將來軌旁到列車間的應用程序增加同樣適用。

圖2 無線車載設備結構示意圖

2.1 無線系統車載設備

車載設備結構包括2個無線列車單元 (均包含安全相關的列車控制)，分別位于列車前端和后端。每個列車單元包含1臺計算機及總計4個局域網無線收發器。收發器分別連接列車頭、尾的天線陣列。列車控制與無線系統采用高速以太網接口，即在列車頭、尾二端設備機柜內部實現互連的短電纜，參見圖2中的箭頭。

1．車載無線列車單元。每列車的通信系統包括2個完全冗余的無線列車單元，作為軌旁接入點的通信客戶端，分別安裝在靠近每列車的前駕駛室和后駕駛室的指定機架中，無線列車單元包含電源轉換器和列車無線網卡。

2．車載無線網卡。每個無線列車單元包括2個冗余的車載無線網卡，并以分載的方式工作，提供列車控制的數據傳輸。此無線網卡與軌旁無線網卡型號相同，其固化軟件基于無線局域網的標準，只是進行了細微的修改，具備與最高列車行駛速度相適應的快速漫游能力。

3．車載通信鏈路。列車單元通過一個安裝在列車上的專用以太網來進行點對點通信。此通信纜線、接頭和跳線 (車廂之間)的安裝須由客戶和/或車輛生產商同意、支持并執行。列車單元以熱備冗余的模式持續進行工作，事實上對于列車控制的相關數據，則以負載和數據分攤的模式進行工作。

4．車載天線。每個無線列車單元的無線網卡與一組 (2個)車載天線相連。天線安裝在駕駛室上方，位于車輛駕駛室的復合材料面板后面，朝車輛較近的車頭方向。每個無線列車單元采用2個天線是為了增強其通信性能。

2.2 無線系統軌旁設備

軌旁接入點以及所有的接口設備都安裝在一個機箱內。接入點為列車控制數據提供雙向 (上行和下行)通信。接入點的設計應滿足鐵路應用的要求，易于進行維護。接入點的尺寸可根據組件對空間的需求和實際的現場條件來最終確定。軌旁接入點的機箱應安裝在隧道壁上，位置應接近軌旁天線。

軌旁接入點包括一個完全冗余的無線單元，以列車控制分載的方式進行工作。為維護方便，無線單元采用標準化的無線局域網組件。軌旁接入點連接到一個天線裝置上，天線2個一組安裝在安裝機架上。為了在隧道安裝后可承受預期的風力載荷，天線支架應安裝在靠近隧道壁和隧道頂的位置;在露天場所則需要安裝支撐桿。

軌旁天線選擇。由于定向天線為窄波束、高增益天線，覆蓋較長的直線軌道區段，適合線性路徑拓撲結構，因此軌旁天線應選擇定向天線。在列車上，定向天線安裝在機車里，防止被洗車設備損壞。每個接入點使用2個發射方向相反的單向天線，可為一個包含最小數目接入點的指定距離提供無線服務。每個接入點2個天線的組合向一個特定區域提供無線服務。在曲線軌道的特定區段可選擇扇形天線，因為它會提供一個更寬范圍的無線電頻率覆蓋。即便要求系統具有無線漫游功能，基于方向和速度的考慮，定向天線仍是最好的選擇。

軌旁頻率覆蓋范圍。一個無線網絡包括無線服務器、網絡交換機、接入交換機和光纜。每個接入點使用相同的無線頻率，服務于各自所在軌道的2個方向。軌道沿線頻率通常遵循一個固定的序列，通常使用3個無線局域網頻率和一個備用頻率，這個備用頻率用于拓撲結構復雜的特定情況。為提高網絡健壯性、避免疊加影響和降低噪音，相同頻率的覆蓋區域彼此分開，不同頻率的覆蓋區域相互重疊，如圖3所示。軌旁接入點的布置方式。軌道沿線的每個接入點主要屬于2個完全冗余的系統通道。每個系統通道使用自身的光以太網通信，該網絡為環形拓撲結構，如圖4所示。當一個單獨的接入點出現故障時，不會影響到通信性能。

圖3 軌旁接入點和頻率的大致排列

圖4 軌旁頻率覆蓋示意圖

3 基于無線通信的CBTC列車控制系統

3.1 優點

1．運行間隔縮短。運行間隔是指在線路上某點處前后運行的兩列車之間的間隔。在無線CBTC系統中，一個列車車載設備探測到軌道上的應答器從而確定列車的位置。通過服務器中的數據庫查找它們的位置，并測量自前一個探測到的應答器起，已走的距離。列車車載設備通過雙向無線通信向軌旁設備報告本列車的位置。按照廣佛線的設計，該線的無線系統應具備，在隧道中的2個相鄰接入點之間可運行2列車。

2．硬件數量相對減少，施工維修也更為簡單。無線CBTC系統中軌旁的設備只有軌旁無線單元、軌旁接入點。同時，列車占用檢測系統也集成到系統中，以保護工程車和非通信列車。較少的軌旁設備意味更簡單的維護過程和更低的生命周期成本。且系統擴展性能好，無線通信網絡具有擴展和改造靈活的特點，這使得今后對系統的維護和更改作業比較簡單。

3．傳輸方式更為優越。傳統的信號系統通過軌道電路實現地面控制系統向列車傳輸信息的單向傳輸。而無線CBTC系統不依靠軌道電路檢測列車位置和向車載設備傳遞信息，它是利用無線通信技術，通過軌旁與車載ATP/ATO之間的直接信息交換，完成對列車的控制。無線CBTC系統可提供雙向高速大容量實時數據通信，信息傳輸獨立于軌道電路，受外界各種物理因素干擾小，運行可靠。

4．系統的靈活性強和安全性高。無線CBTC系統，能夠有效處理不同速度、制動性能及長度的列車，能夠實時檢測出列車不能完成預期性能的故障，從而使系統或者調度員及時做出反應，調整系統運營狀況。

3.2 缺點

1．無線系統室外設備的運行穩定問題。室外設備經常損壞。在實際運營過程中發現，處于室外的無線網卡經常由于環境因素的影響出現問題，不能正常發送無線信號，造成列車丟失無線信息影響運營。

2．頻率干擾。頻率干擾問題分為同頻干擾和鄰頻干擾。其中，同頻干擾是指無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻有用信號的接收機造成的干擾。鄰頻干擾是指干擾臺鄰頻道功率落入接收鄰頻道接收機通帶內造成的干擾。頻率干擾問題是無法徹底根除的，只有嚴謹地劃分頻率，并不斷引入最新或更合適的抗干擾技術，才能將干擾問題減少到最小。

3．軟件維護問題以及工程協調配合問題。軟件維護制約著系統的可用性，有些公司在合同談判或者投標的時候，隱含詞語，回避軟件維護工作，造成后續設備維護單位工作被動。甚至需要大量投入，還要影響正常運營。這就需要我們從多方面進行權衡，選擇供貨廠家時要慎重，考慮服務意識比較好的供貨商，這樣有利于系統的調試開通和運營維護。

總之，相對于傳統的信號系統，無線CBTC系統以更短的行車間隔，更少的硬件數量，更為簡單的施工維修，更為優越的傳輸方式，更高的靈活性和安全性等優勢將在城市軌道交通中發揮更大的作用，代表了城市軌道交通信號系統的發展方向。

［1］ 舒安潔，李開成．CBTC系統信息安全傳輸的研究［J］ ．微計算機信息，2006(22)．

［2］ 豐文勝，黃鐘．城市軌道交通列車自動控制系統的標準化設想［J］ ．城市軌道交通研究，2002(4):36．

［3］ 李紅俠．城市軌道交通移動閉塞ATC系統的運用分析［J］ ．城市軌道交通研究，2004(3)．

［4］ 陳永生，徐金祥．上海軌道交通信號制式的多樣性及其對策［J］ ．城市軌道交通研究，2002(4):29.