城市軌道交通信號系統(tǒng)中的無線通信

楊 浩

貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司 貴州 貴陽 550000

城市軌道交通信號系統(tǒng)是“信號、聯(lián)鎖、閉塞”的總稱,是由各類信號顯示、軌道區(qū)段檢測設(shè)備、道岔轉(zhuǎn)轍裝置等主體設(shè)備及其他有關(guān)附屬設(shè)施構(gòu)成的一個完整的體系,以“故障-安全”為原則,用于列車進(jìn)路控制、列車間隔控制、調(diào)度指揮、信息管理、設(shè)備工況監(jiān)測及維護(hù)管理等。

其主要功能有：

(1)保證列車運(yùn)行安全；

(2)擴(kuò)大線路通過能力；

(3)提高運(yùn)營組織效率；

(4)實(shí)現(xiàn)行車指揮和列車運(yùn)行現(xiàn)代化；

(5)降低職工工作力度等。

1 CTBC系統(tǒng)

為保證列車的運(yùn)行安全,同一個區(qū)域內(nèi)不得駛?cè)雰闪幸陨系牧熊?這就是閉塞,它是城市軌道交通列車運(yùn)行安全的基本要求。

在信號系統(tǒng)中,閉塞方式由很多種,其中空間閉塞方式可以分為：固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞(邏輯/虛擬閉塞)、移動閉塞；移動閉塞的定義是線路沒有被固定劃分的閉塞分區(qū),列車間的間隔是動態(tài)的、并隨前一列車的移動而移動,該間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下的所需制動距離、加上安全裕量計(jì)算和控制的,確保不追尾,制動的起始和終點(diǎn)是動態(tài)的,對列車的控制一般采用一次拋物線制動曲線的方式。隨著城市軌道交通運(yùn)營密度、速度和客流的快速增長,基于通信的列車控制(CBTC)移動閉塞是最佳的列車自動控制系統(tǒng)。

近年來國內(nèi)城市軌道交通信號系統(tǒng)都采用基于無線通信的移動閉塞制式CBTC,各信號系統(tǒng)承包商所要實(shí)現(xiàn)的功能是一致的,其系統(tǒng)組成方式基本相同,只是實(shí)現(xiàn)車、地雙向通信技術(shù)方案和手段不同。

2 車-地?zé)o線通信

CBTC可以使用多種的車-地雙向通信系統(tǒng),目前我國主要使用無線自由波、波導(dǎo)管、漏纜或三種互相組合的傳輸方式。

2.1 車-地?zé)o線參數(shù)要求 根據(jù)現(xiàn)有軌道交通運(yùn)營現(xiàn)狀,為保證CBTC系統(tǒng)車-地之間實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、雙向的連續(xù)通信,通常設(shè)置冗余的兩張網(wǎng)絡(luò),且每張網(wǎng)絡(luò)均應(yīng)滿足以下要求：

(1)高速性能

列車時(shí)速達(dá)到120 km/h時(shí),車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)仍能滿足列車運(yùn)行控制對信息傳輸時(shí)延、丟包率、越區(qū)切換時(shí)間和場強(qiáng)覆蓋率的要求。

(2)傳輸時(shí)延

在不考慮數(shù)據(jù)包丟失的情況,從發(fā)送方發(fā)出信息到接收方收到信息之間的信息傳輸時(shí)延不大于150ms。

(3)無線傳輸速率

DCS系統(tǒng)所支持的平均車、地信息傳輸速率不低于1Mbps。

(4)丟包率

車頭、車尾單側(cè)的丟包率小于1%。

(5)接收信號強(qiáng)度

采用無線自由波傳輸信息時(shí),AP覆蓋范圍內(nèi)接收信號強(qiáng)度高于-65d Bm的概率不低于95%。

(6)切換時(shí)間

車載無線設(shè)備漫游切換時(shí)間的平均值低于100ms,漫游時(shí)間不超過150ms的概率不低于95%。

2.2 車-地?zé)o線抗干擾要求 根據(jù)城市軌道交通運(yùn)營環(huán)境進(jìn)行分析,其可能存在以下干擾源：

(1)同頻干擾；

(2)多徑干擾；

(3)諧波和雜波干擾；

(4)電磁干擾等。

針對上述各種干擾源,車地?zé)o線通信在頻率選擇、信道選擇和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面營進(jìn)行充分考慮,可采用相應(yīng)抗干擾措施來減少和避免外界的其他干擾。

(1)無線鏈路預(yù)算；

(2)使用高增益定向天線；

(3)頻率分集與雙頻冗余；

(4)空間分集；

(5)濾波裝置設(shè)計(jì)；

(6)自動重傳協(xié)議等；

2.3 車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)安全要求 車-地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)作為信號系統(tǒng)的專用通道,其各種終端、設(shè)備的部署、組網(wǎng)設(shè)計(jì)均合理有效,與互聯(lián)網(wǎng)(Internet)不作任何連接,信息的內(nèi)容、流向、格式均有嚴(yán)格定義和要求；根據(jù)信號系統(tǒng)對城市軌道交通運(yùn)營的影響范圍,信號系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)等級應(yīng)為三級,其車-地?zé)o線通信應(yīng)滿足三級等保的要求；車-地?zé)o線可采用以下保證安全的措施：

(1)有效管理無線網(wǎng)絡(luò)的SSID；

(2)過濾MAC地址；

(3)過濾協(xié)議；

(4)分配IP；

(5)AES加密等。

3 車-車無線通信

信號系統(tǒng)是城市軌道交通安全、有效運(yùn)營的保障,基于車-地?zé)o線通信的的列車控制系統(tǒng)(CBTC)主要由地面區(qū)域控制器(ZC)獲取現(xiàn)場信息,計(jì)算列車的移動授權(quán),發(fā)送至車載控制器(VOBC),控制列車的運(yùn)行；隨著信號系統(tǒng)的發(fā)展以及5G無線通信技術(shù)的完善,對信號系統(tǒng)的運(yùn)營靈活性有了更高的要求,傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)接口過于復(fù)雜,某種程度上不利于維護(hù),且設(shè)備數(shù)量多導(dǎo)致車-地?zé)o線通信數(shù)據(jù)流量大,難以進(jìn)一步縮短通信延時(shí),所以基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)將成為今后城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流。

基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)將由車載控制器(VOBC)獲取其他列車的信息,同時(shí)控制道岔的轉(zhuǎn)換以及計(jì)算自身的移動授權(quán),對無線通信的質(zhì)量要求很高,而5G移動通信超高速率、超低延時(shí)、超大容量的特點(diǎn),能夠滿足車-車通信的數(shù)據(jù)傳輸要求,基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)也將在此基礎(chǔ)上會快速發(fā)展。