CBTC軌旁AP設備改造

楊 進 楊 城

基于通信的列車控制系統 (CBTC)，利用無線通信取代傳統的軌道電路，實現車載信號設備和軌旁的連續式雙向通信，對列車運行精確控制，減小列車追蹤運行間隔，提高了運行效率，CBTC系統已成為我國城市軌道交通信號設備的發展方向。但目前CBTC的通信系統是基于IEEE 802.11b/g協議的2.4 GHz無線局域網系統，容易受到線路附近的民用WLAN的干擾，給實際應用帶來了一些不穩定因素。另外，在電磁環境復雜的現場，軌旁AP采用單機、單通道運行的模式也會給列車的降級運行增加可能性，影響信號設備的可靠性和列車運行效率。目前對上述問題的研究、改進都是基于現有無線通信設備，不能根本避免這些不穩定因素。為此，提出一種CBTC信號系統軌旁無線AP的改造方案，采用IEEE 802.11a無線協議通信，避開民用局域網的干擾，軌旁AP采用雙機熱備設計，增強抗電磁干擾能力，提高可靠性。

1 硬件設計

圖1為AP箱處理板硬件設計結構圖，包括列車衛士TGMT(Train Guard MT)信息處理通道和旅客信息 (PIS)處理通道，2個通道配置相同，每個通道包括以太網模塊、處理器模塊、無線網卡模塊、接口模塊、LED指示模塊和電源模塊。

硬件設計上，處理器模塊采用雙機熱備冗余方式，可以提高平均無故障工作時間。無線通信則采用IEEE802.11a無線局域網協議，遠離2.4 GHz的民用頻率，減少信號無線傳輸被干擾。

1.1 以太網模塊

以太網模塊的以太網口連接AP箱內部交換機網絡接口;RJ45接口與AP箱內部的光纖交換機相連，接收ATS的命令和數據。該設計選用NiRen_W5100型號以太網模塊，具有自適應功能，兼容10 Mb/s和100 Mb/s二種速率，可根據對方的通信速率自動協商工作模式，避免了通信中流量增大而導致的沖突、錯包問題，保證了ATS與軌旁AP單元通信的順暢。以太網模塊和處理器模塊單片機以串行SPI接口進行連接。

1.2 處理器模塊

處理器模塊通過控制以太網模塊和無線網卡模塊進行數據傳輸，控制LED指示模塊表示運行狀態，通過控制外部接口模塊和外界維護計算機通信。每個通道的處理器模塊以雙機熱備方式配置，正常工作過程中只有主機輸出結果，備機同步運行但不輸出，一旦主機故障，系統會自動倒機，保證系統繼續工作，只有當2臺計算機都處于故障狀態，系統才給出故障報告。

圖2 處理器模塊單機配置電路圖

圖2為雙機熱備的處理器模塊的單機配置電路圖，采用ATmega64單片機作為核心處理芯片，外接硬件看門狗，防止程序跑飛。J1接口連接到以太網模塊和接口模塊，基于SPI串行協議，通過SS_W5100和SS_CH375二個引腳選擇從機，以太網模塊和接口模塊分時復用SPI接口。J2接口外接4路LED顯示燈，用于單片機的運行狀態顯示。J3用于外接無線網卡模塊，基于RS-232標準，通信距離較短，通信速率選擇標準的9600 b/s。J4為冗余的握手通信線路接口，X1和X2接口連接到另一塊單片機ATmega64的X1和X2上，運行狀態下，通過一條主線路，在一定周期內主機發送一定數量的脈沖信號，用于2片處理器的心跳檢測，一旦線路故障，可轉用另一條進行心跳檢測。J5為DB9公頭插座，用于處理芯片與外界維護計算機的串口進行通信，方便維護人員下載數據和更改參數。

1.3 無線網卡模塊

無線網卡模塊用于軌旁AP箱和列車無線子系統的通信。本設計采用LTE140無線網卡模塊兼容2.4 GHz和5.8 GHz頻段，集成的嵌入式TCP/IP網絡協議，可以作為AP無線接入點供列車無線子系統接入，支持WPA/WPA2加密和WEP加密方式，保證通信的無線安全問題。本設計使用LTE140的5.8 GHz工作模式，避免線路附近2.4 GHz民用WiFi信號對列車通信的干擾，無線網卡模塊和處理器模塊通過RS-232接口，處理器模塊接收來自控制中心的命令和數據，經處理后通過串口送到LTE140發送寄存器中，并由LTE140發送出去。處理器模塊的主機在系統啟動或者復位之后，即可用LISP指令對LTE140進行配置，比如模塊進行初始化設置、地址設置、AP模式設置以及加密設置。

1.4 其他模塊

接口模塊用于接外部存儲器，存儲運行數據和參數，以保證掉電不丟失，CH375為接口模塊的核心芯片，被處理器模塊配置為SPI工作方式，通過SPI四線制接口與處理器模塊連接，使用SS_CH375對接口模塊電路進行位選，低電平有效，另外，模塊提供一個USB接口和一個SD卡接口，因此，可以用U盤或者SD卡作為外部大容量存儲器。

LED指示模塊為不同顏色四路LED燈，用于指示AP單元處理板的運行、故障、等待和數據通信狀態。電源模塊為系統提供所需的5V和3.3 V的工作電源。

2 軟件設計

軟件采用模塊式設計，包括初始化程序、處理程序、通信程序和雙機熱備處理程序。處理器在上電之后對各個模塊初始化后，進入省電模式 (等待)，當有數據從控制中心送達或者列車接入無線網絡，即進入運行模式，整個程序運行過程中還需要通過中斷方式在X1或者X2進行周期心跳檢測。軟件結構設計如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

雙機熱備處理程序是本設計的核心程序，包含雙機工作子程序和倒機子程序。系統上電或者復位之后，處理器模塊進入處理程序，單片處理芯片需要和鄰機通信，相互協議規定主機備機，主機協商流程如圖4(a)所示。當2片處理芯片比較結果不同，處理芯片各自進行自檢，如果主機處于故障，則立即進行倒機，倒機流程如圖4(b)所示。

3 改進后效果

圖4 雙機熱備處理程序流程圖

通過對設備硬件電路和無線協議的修改，解決了CBTC列車因無線通信受到干擾而降級運行的情況。硬件上，TGMT無線處理通道和PIS無線處理通道各采用雙機熱備方式配置，正常工作時每個處理通道硬件分為一主一備，備機嚴格同步于主機，當系統自檢一路故障，可在10～20 ms之內，自動完成倒機繼續工作，保證系統工作的連續性，其平均無故障時間為單機工作的平均無故障時間的1.5倍，提高了設備的可靠性。為了避免線路附近的民用無線信號對列車無線通信系統的干擾，采用工作在5.8 GHz頻段上的802.11a協議，區別于基于802.11b/g協議的2.4 GHz民用頻率。5.8 GHz頻段擁有19個獨立的通信信道，而2.4 GHz頻段只有3個，5.8 GHz頻段更多的信道使系統具有更高的抗干擾能力和更高的帶寬，即使是在列車運行速度達到120 km/h的情況下，5.8 GHz頻段依然能夠為列車提供10 Mb/s以上的帶寬，而2.4 GHz只能提供2 Mb/s或者1 Mb/s的帶寬，所以5.8 GHz頻段允許更高的運行速度，這也為日后城市軌道交通列車無線通信保留了余量。

4 結束語

為了提升設備的可靠性，對CBTC系統軌旁AP單元進行了改造。相對于原設備而言，系統采用雙機熱備的硬件配置方式，提升了軌旁AP單元運行的平均無故障時間，無線工作頻段則采用抗干擾能力更強，更適合地鐵傳輸需要的5.8 GHz頻段，避免了2.4 GHz全球開放的無線頻段給列車運行帶來的不穩定因素，從而增強了信號設備的可靠性。

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