基于環線的車-地通信系統淺析

盧登攀 陳 微 辛 驥

廣州地鐵通號中心通號維修部 510000 廣州

*助理工程師 ＊＊工程師

地鐵具有高速、安全、準時和載客量大的特點，是現代城市解決交通擁塞最主要的手段。地鐵車載設備及地面設備之間的通信，對地鐵的安全高效運行尤為重要。根據廣州地鐵1、2號線積累的經驗，3號線采用了以通信為基礎的SelTrac移動閉塞系統，使用較少的地面和車載硬件，通過感應環線通信系統來提供車-地通信，實現預期的列車運營間隔。

1 系統構成

1.1 車載設備

每列3節編組的列車兩端各配備一套車載控制器(VOBC)，與車輛控制中心(VCC)進行雙向數據通信。VOBC由電子單元、接口繼電器單元、司機顯示器、供電單元、接近傳感器和天線等組成。

1.2 軌旁設備

感應環線數據通信系統是VCC和VOBC之間交換信息的媒介，通過它VOBC向VCC提供列車的位置信息，通過SDH網由車站控制器 (STC)向VCC提供道岔、計軸等線路信息。感應環線數據通信系統由饋電設備、遠端感應環線盒 (遠程終端盒和遠程饋電盒)、線路放大器、數據電纜分線盤、感應環線電纜等組成。其中，感應環線電纜是一種絞合銅芯電纜，外加絕緣和非屏蔽的防護外套，可作為感應環線通信系統的發送及接收天線使用，是實現車-地通信的核心元素。感應環線電纜可以根據軌道的分布特點，采取非對稱或對稱形式進行安裝。不對稱環用于相對較短的軌道區段(大約1 km或更短)，感應環線只有1條支路，軌旁設備較少;對稱方式用于軌道相對較長 (大于1 km)的區段，感應環線有2條支路。

1.3 中心設備

中心設備由VCC和系統管理中心 (SMC)組成。VCC根據列車發來的數據和存儲在線路拓撲圖中的數據進行計算，并更新目標停車點。每列車不斷地向VCC傳送包括速度、位置、行車方向等信息的狀態報文。SMC根據VCC發來的數據信息，自動為列車辦理進路，并具備運行圖監督功能。

2 通信原理

車-地通信系統原理如圖1所示。VCC接收到從感應環線傳輸上來的列車位置等相關信息后，進行數據轉換及處理后傳輸給SMC，SMC根據運行圖中匹配的信息向VCC發出進路請求，VCC通過車站控制器控制軌旁設備，并接收由車站控制器反饋回來的軌旁設備狀態信息。

VCC在確認進路鎖閉、道岔鎖好等安全條件下，通過感應環線向VOBC發送移動授權、目標點、推薦速度等;VCC向所有感應環線廣播各列車的控制信息，當列車行駛到某一環線上時，會根據令牌信息選擇接收本列車的控制信息。

圖1 車-地通信系統原理圖

圖2 感應環線至VCC數據流程圖

2.1 感應環線至VCC數據通信流程

感應環線至VCC數據流程如圖2所示。感應環線接收到VOBC傳輸的列車位置信息后，在饋電設備柜進行數據耦合、阻抗匹配，及對數據信號調整進行監控。饋電設備對感應環線的監控，根據VCC發送的36 kHz FSK移頻鍵控信號進行四分頻，輸出9 kHz監視信號到饋電設備的監督繼電器，用于檢測感應環線的完整性。模塊前面的指示燈可顯示感應環線的狀態。饋電設備進行最后的電流放大及變壓器耦合，并將36 kHz FSK移頻鍵控信號發送到感應環線上，通過調節饋電設備模塊上的電感來平衡感應環線電流。

饋電設備接收到感應環線的數據信息后，進行相關處理，通過50芯電纜從本站分線盤傳輸至下一站分線盤，經線路放大器放大處理后，再逐站傳輸至中心VCC。線路放大器只對傳至本站的其他感應環線數據進行放大，而本站的感應環線數據則不經過本站的線路放大器。

2.2 VOBC與VCC之間數據通信原理

感應環線至VCC數據通信原理如圖3所示，VCC發來的命令報文以 (36±0.4)kHz FSK移頻鍵控信號的形式，通過中心饋電設備和饋電設備送入感應環線電纜。每個感應環線通道每隔70 ms的VCC工作周期，輸出一個83位的串行命令報文，數據傳輸速率相當于1200 b/s。感應環線電流所產生的磁場被列車上的天線接收，并傳給VOBC天線。

同理，VOBC通過 (56±0.2)kHz FSK移頻鍵控信號的頻率，以600 b/s的速率發送41個數據位的報文。響應報文信號經車輛的發送天線耦合后，再由饋電設備接收器從感應環線驅動變壓器的第3組線圈上提取出來。輸入信號隨后經過多級放大，通過“收到信號”表示燈可知有信號輸入。如果在規定時間內沒有輸入信號，則放大電路停止工作，避免將噪聲信號傳給VCC。

圖3 感應環線至VCC數據通信原理圖

2.3 無線通信安全措施

以下方法用于檢驗車輛、地面和中心之間的數據通信完整性。

1.對有關運輸安全的數據進行循環冗余校驗(CRC)，確保不接收已被電磁干擾的數據。

2.對傳送的數據進行周期性更新。從VCC傳送到VOBC和STC的命令，在每個新電文中得到更新或確認。

3.對接收到的信息進行合理性、持續性和一致性檢查。子系統根據以前的電報、物理規則及設計限制對信息進行檢驗。

2.4 列車精確定位

列車精確定位是信號系統安全保障的前提。精確的位置參數是通過感應環線邊界來建立的，感應環交叉點之間的位置由車軸上附帶的測速電機測量確定，精確度為1.5 m。列車測量出的位置信息通過環線反饋到VCC，這樣列車定位的分辨率可達6.25 m。

3 車-地通信故障采取的安全措施

3.1 VOBC故障

3.1.1 復位失去通信的主用VOBC

如果VCC失去同主用 VOBC的通信聯系，VOBC將自動制動停車，ATC系統將通知中心調度員通信聯系中斷，并自動嘗試切換到列車另外一個VOBC上，成功切換后列車仍能正常運行。基于冗余的概念，中心調度員命令司機在列車停站時，通過司機面板上的按鈕來實現VOBC復位，并通知列車在進入感應環線分界點時慢速前行，在握手成功后，中心調度員使用“恢復VOBC”命令來重新建立VCC與失去通信的VOBC之間的通信聯系，以保障雙機熱備的功能。

當所有VOBC都失去通信時，可以通過司機面板上的按鈕來實現VOBC復位，復位列車線通電，持續激活2 s，等同于轉換開關從開切換到關再到開，所有的VOBC將開始工作。

3.1.2 復位失去通信的備用VOBC

如果VCC失去同備用VOBC的通信聯系，列車將不會停車，仍能繼續正常運行。復位VOBC、恢復VCC與備用VOBC之間通信聯系的操作同上。

當列車頻繁出現失去通信的情況，建議列車回庫，根據故障代碼做相應的硬件檢測，并及時更換故障板塊。

3.2 感應環線故障

感應環線的數據通信故障只影響該感應環線范圍內的車-地通信，其他感應環線不受影響。即使沒有列車通過，感應環線也始終處于VCC的監視下。任何感應環線故障都可以在3 s內報告給中心調度員。

一旦同VCC的聯系中斷超過3 s，故障區域內的所有自動列車將采取常用制動，并等待同VCC恢復通信;沒有進入感應環線的列車也要采取常用制動，在故障感應環線外停車。為了使列車通過感應環線故障區，中心調度員必須設置人工進路預留，列車將以限制人工駕駛模式駛出感應環線故障區段。

列車通過故障區段時將丟失通信，中心調度員通過檢測計軸區段的占用/空閑來判斷列車的位置。當列車駛出故障區段后，在環線邊界 (系統定義的投入點)列車將再次建立VOBC與VCC的通信。

感應環線故障的原因:①感應環線被拉斷，需在收車后組織信號人員進行環線接續;②傳輸媒質(饋電設備、線路放大器等)的參數不符合規范，或相應硬件出現問題，信號人員要在這些媒質的分界點測量板塊的相應參數，判斷是哪個站、室內還是室外的故障，進行相應的電壓/電流值調整，或更換相應的板塊。板塊更換過程中要注意跳線的設置。

饋電設備、線路放大器是環線與VCC建立通信的紐帶。一旦VCC檢測到感應環線完整性的9 kHz信號沒有及時反饋到中心，3 s后故障區域內的所有自動列車將采取常用制動，并等待同VCC恢復通信。

4 故障實例

4.1 單個列車在多個地方出現車-地通信失敗

這可確定為車的問題，主要通過復位VOBC來重新建立車-地通信。如該車多次出現問題，可判斷為硬件故障或者軟件程序出錯，建議回庫處理。

案例:2008年9—11月，03列車共記錄有16次VOBC死機的情況，死機代碼均為2C。通過跟進及分析，發現是車載接收、發送天線電纜破皮導致天線接頭氧化接觸不良。

4.2 多個列車在同一環線出現車-地通信失敗

這可確定為感應環線或者是傳輸媒質的問題。中心調度員可以通過司機現場確認環線是否存在破損、拉斷等情況，信號人員應及時到達信號設備室，根據饋電設備上板塊指示燈的狀態、分線盤上36 kHz、56 kHz、9 kHz信號的有無，判斷故障點，判斷原則如下。

1．如果發送器模塊故障，則S模塊上的指示燈和監控板上的指示燈都滅燈。

2．如果發送器模塊工作正常，但環線或者端發送板有問題，則發送器模塊指示燈將滅燈，而監控板指示燈亮燈。

3．如果監控板有故障，而發送器模塊工作正常，則監控板指示燈滅燈，發送器模塊指示燈亮燈。更換故障板塊后還不行，則需檢查線路放大器模塊上端子4和端子7之間的輸出電平。如果信號不在規定的范圍內，則更換該模塊。

案例:2011年5月12日，連續有3趟車在環線14與16的邊界出現了TIME-OUT(丟失通信)，原因是饋電設備的端發送板電壓過低，更換該板卡后恢復。

5 結束語

以環線為基礎的SelTrac移動閉塞系統，考慮了車-地通信所要求的各個要素，最大程度地保障了列車行車安全，具有很高的可靠性，在廣州地鐵3號線的列車自動化控制過程中，起到了不可替代的作用。但由于在正線上鋪設了大量的感應環線，且感應環線容易損壞，使得維護工作量大大增加，還給其他設備的維護帶來了不便。

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