地鐵信號系統通信控制技術研究

李偉

西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西西安 710016

1 地鐵信號系統通信技術優勢

首先，系統更加簡潔。從硬件組成上不難看出，此系統的核心主要為控制中心的設備，車載以及車站上的設備主要負責執行控制中心的命令，從而實現了車與地面之間控制設備的整體劃一。從功能上來看，在此系統中，多種功能如閉塞、連鎖以及超速防護等都無須再分析，可以做到統一處理。因此，系統的結構改變了原有的堆疊方式，更加簡潔。其次，系統更加靈活。新型的CBTC系統無須增加新的設備就能實現對雙向運行的支持，而且即使列車在反向運行時，系統依然具備較高的安全性及穩定性。而且新的通信系統還能根據實際需要適當進行調度策略的更改。與此同時，系統還能實現對多條交叉線路以及不同復雜運行情況的同步處理。最后，則是系統更加高效，在此系統的控制下，列車的運行間隔可以進一步縮短，同時，列車的駕駛算法還能更加優化，從而實現了列車的節能運行[1]。

2 地鐵信號系統通信控制技術應用要點

2.1LTE技術的應用

LTE技術可以為列車運行提供實時監控。在緊急情況下，ATS系統會及時將異常情況傳送給行車指揮或設備維護工作人員，他們可以快速到達現場并及時處理，以確保列車運行的安全。但是，這些數據在傳輸過程中，對網絡安全提出了更高的要求，如果LTE技術無法為用戶提供更安全的服務保障，那么LTE新技術的應用將成為空談。LTE技術遵循網絡技術的安全策略。EPC密鑰與NAS信號保護密鑰分離，并且使用該密鑰計算EPC密鑰。EPC密鑰是認證密鑰協議過程中的NAS的EPC和終端。用戶進入LTE系統，EPC與RRC連接，并將B密鑰發送自序列號加密和安全系統輸入保護，通常使用智能序列號到B，相同的序列號，如果需要使用安全性，超幀限制序列號上傳次數。

LTE技術可以提供更高的上行鏈路和下行鏈路運行速率，為地鐵信號數據傳輸提供高質量分配。車地通信系統采用LTE技術，可以縮短數據交互的時延，最大限度地提高車載信號ATP設備與地面ATP安全數據交互。LTE使用eNodeB系統來簡化網絡，為用戶提供更高的頻率效率，更低的復雜性和延遲。LTE技術的具體延遲要求包括：控制面板從睡眠狀態到激活狀態的遷移時間＜50ms，用戶平面單向傳輸延遲不能小于5ms，遷移時間狀態從駐留狀態到激活狀態＜100ms。LTE技術采用遠程覆蓋技術，無縫切換算法等高移動性措施，可有效保證高速地鐵列車的低延遲[2]。

2.2CBTC關鍵技術

2.2.1 高可靠性技術

CBTC系統在設計時使用冗余設計，并且雙網并行。也即基于通信系統的軌旁及車載網絡的配置都完全相同，但是這兩個網絡之間卻存在物理間隔，如其不同網絡的傳輸鏈路與供電等都互相獨立運行，從而就在系統中構造出兩個完全相同卻互相獨立運行的通信網絡。在實際使用階段，雙網同時運行，對列車進行控制與監控，從而使得即使當其中某一網絡出現故障時，另一個網絡也能保持通信的暢通，確保列車的安全行駛。

網絡內部冗余拓撲：

（1）單網內部通信系統的骨干網通常都經由光纖將SDH設備進行連接，并構成環狀的網絡結構。當遇到骨干網中光纖傳輸出現中斷的情況時，SDH網絡中的快速倒換功能就會即刻開啟，從而有效避免列車的控制信號傳輸發生故障。

（2）在車站處的交換機通常都配置兩條千兆鏈路，并與三層交換機之間產生互聯，這一設計就能在最大程度上避免使用單臺交換機時或產生的網絡中斷等故障情況的發生。

（3）軌旁AP還會與主備控制器之間建立連接，并且主備控制器之間還能在網絡中進行信息的同步，如此一來，即使主用控制器發生癱瘓，系統之間的傳輸也不會產生中斷，這樣即可避免只使用一臺無線控制器時或產生了單點故障。

（4）在CBTC系統中，AP之間的部署間距一般都不超出AP可覆蓋的區域半徑，這樣一來，即使某一AP發生故障，與之相連的前以AP以及后一AP依然可以有效覆蓋AP的負責區域，從而就能確保信號的永續傳輸。

（5）系統中所有的有線及無線通信設備都在同一網絡平臺下，并且通過這一平臺可以實現對全部設備故障情況的排查、定位、修復以及其他管理職能，使網絡維護工作在最大程度上降至最低，從而在最短的時間內解決網絡故障問題[3]。

2.2.2 無線快速切換技術

為確保列車的高速穩定運行，快速切換技術必不可少。舉例來講，一般情況下AP的越區切換時間通常都在500毫秒-2秒，若列車按照120千米/小時的時速前進，在AP進行越區切換時，就會使得列車65M左右的運行區間內斷開系統的控制。如發生此類狀況，將會造成嚴重的安全事故。

假設隧道覆蓋區域長300米，其中AP1與AP2都覆蓋良好，中間的公共區域為AP1與AP2都可覆蓋在的公共區域。當列車行進至AP1時，列車與AP1保持數據連接，而當行駛至公共覆蓋區時，列車依然可與AP1進行交互，并且提前會與AP2建立連接。如此一來，當列車行至AP2時，即可直接與AP2做好連接，并立即進行數據傳輸，而無須等待AP1斷開后再建立新的連接。從而即可將切換時延有效縮短至50毫秒以內，并保障列車在高速運行的過程中始終保持通信。

3 結語

當前，在城市化發展進程日益加快的當下，地鐵已成為城市發展進程中最必不可少的交通設施之一。而作為確保地鐵得以安全運行的最關鍵技術，地鐵信號控制系統的重要性不言而喻。較之傳統的控制系統，CBTC不僅更加靈活高效，其成本也更加低廉。雖然當前的設計可以解決一些安全威脅，但是仍存在諸多不足與漏洞，這些問題都有待未來予以改進及完善。