上海城市軌道交通既有數據通信子系統優化研究*

王歷珘

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥第一作者， 高級工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統是一種基于車地無線通信的列車控制系統。移動中的列車通過車載無線MR(移動電臺)接入軌旁DCS(數據通信子系統)無線網絡，建立車地無線通信通道。列車VOBC(車載控制器)和軌旁ZC(區域控制器)、ATS(列車自動監控)服務器通過車地無線通道進行雙向、實時的數據交互，VOBC將列車位置、車速、車次號等信息實時上報給ZC、ATS;ZC、ATS開始追蹤列車，并發送移動授權、最高限速等命令給VOBC，控制列車在軌道上的移動。與傳統的列車控制系統相比，CBTC系統的列車發車間隔更小，列車的開行密度更大，所以運輸效率也更高。

1 DCS的組成及性能

1.1 既有DCS網絡的組成

既有DCS網絡可分解為3部分：①軌旁有線網絡，負責車站、運營控制中心(OCC)、車輛段、試車線等軌旁區域信號設備的接入和數據交互；②車地無線網，負責軌旁信號設備和車載信號設備的數據交互；③車載有線網絡，負責車載信號設備的接入和數據交互。

1.2 DCS的性能要求

對于CBTC系統而言，DCS是一個透明的傳輸子系統，其任務是傳輸行車控制數據。如果某列車在行駛過程中DCS發生故障，列車車載信號子系統與軌旁信號子系統會丟失通信，后續列車運行將會受到影響。因此，DCS的穩定性直接決定了整條線的運行效率。DCS運行的穩定性通常通過以下方面來保證：

1) 冗余的網絡架構設計。即在設計網絡架構時充分考慮冗余性，包括冗余的接入層、冗余的分布層和冗余的核心層，以確保網絡發生單點故障或多點故障時，關鍵數據的傳輸不會中斷。

2) 穩定的數據傳輸性能。包括DCS有線和DCS無線的吞吐率、時延、丟包率等性能參數，以充分滿足信號系統的運行需求。

3) 可靠的網絡安全機制。即需要確保列車行車控制數據在傳輸過程中不會被篡改，非法的網絡入侵會被隔絕在DCS網絡之外，接入DCS網絡的終端/用戶都是經過DCS認證的合法終端/用戶。

2 上海城市軌道交通既有DCS介紹

上海軌道交通8號線是上海第1條部署CBTC系統的線路。目前，上海城市軌道交通線網中，除了1號線、3號線、4號線外，其余線路的信號系統均采用CBTC系統。在后續的線路信號系統改造項目以及新線建設項目中，在保持各家信號供應商的架構特性基礎上，上海城市軌道交通將對DCS的高冗余性、高可靠性及高吞吐量提出新的要求。本文以上海軌道交通6號線、7號線、8號線、9號線等線路為例，對既有的DCS架構進行分析，如圖1所示。在此基礎上研究下一代DCS架構的搭建，以滿足上海城市軌道交通高密度、零故障的運營需求。

注：LATS——集中站的監控系統；DTI——發車指示器；SD——安全設備；AP——接入點;MR——移動廣播。

2.1 既有DCS網絡架構的特點

2.1.1 接入層網絡

接入層網絡包括軌旁有線接入網、軌旁無線接入網和車載有線接入網3部分。

1) 軌旁有線接入網。軌旁有線接入網需要接入網絡的終端，使用冗余的物理網口連接至2臺冗余的接入交換機。在網絡終端使用鏈路捆綁技術將2個物理接口捆綁成1個虛擬接口后對外通信。在正常情況下，主用鏈路激活，備用鏈路后備；當主用鏈路故障情況時，備用鏈路會接替主用鏈路繼續收發數據，以確保通信業務不被中斷。

2) 軌旁無線接入網。軌旁無線接入網使用2.4 GHz頻段，通過基于FHSS(跳頻擴頻)技術的AP實現軌旁無線覆蓋。軌旁AP采用冗余部署方案，即第n個AP的信號可以覆蓋到第n+2個AP點，在列車運行軌道的任意一處，列車任意一端都有至少2個信號強度滿足要求的AP信號，從而確保了單點的AP故障不會導致信號盲區的出現，如圖2所示。

圖2 軌旁AP的冗余覆蓋示意圖

3) 車載有線接入網。VOBC為2oo3(2 out of 3,即3取2)架構，車載信號設備主設備安裝在列車帶司機室拖車的TC1端(又稱A端)。2套DCS設備分別安裝在列車的TC1端和TC2端(又稱B端)。 VOBC通過冗余的2條FHSS車地無線鏈路(含車載電臺+車載SD)分別部署，與軌旁ZC、ATS交換數據。這2條鏈路上傳輸的數據完全相同，單條鏈路故障不影響另1條鏈路的數據傳輸。

2.1.2 分布層網絡

分布層網絡使用SD作為安全網關，其中：“安全”的意思是SD運行了IPSec(IP安全)功能，即在IP(互聯網協議)層面對進出SD所屬區域的業務流量進行加密、解密、鑒權及完整性校驗，同時對不合法的流量進行過濾；“網關”的意思是SD屬于3層設備，具備路由功能，可以對終端提供網關服務。

SD主要部署于軌旁集中站、OCC和車載等區域，不同區域的SD間需使用CA(認證授權)證書進行相互認證。使用認證的證書來自同一臺CA服務器，只有經過認證的SD之間才能相互信任，建立IPSec鏈接。

SD按照物理位置可以分為軌旁SD和車載SD。其中：軌旁SD工作于集群主備模式，主機故障時備機會接替主機繼續工作；車載SD工作于單機模式，在車載A端和B端各部署1臺，2臺車載SD并行工作，單機故障不影響另一臺的正常運作。

2.1.3 核心層網絡

CBTC骨干網由100 Mbit/s的2層交換機組成，這些交換機以環形方式互連，以實現冗余。交換機運行環形解析協議。根據此協議，環網中的1臺交換機被配置為RM(冗余管理器)。配置為RM的交換機將自身的1個環網端口設為禁用，從而使環網中的1條鏈路處于備用狀態，這樣在骨干網中不會產生任何環路。在單點故障時，如鏈路或交換機故障的情況下，RM將激活禁用的端口，從而在500 ms內啟用備用鏈路。這意味著在發生交換機或鏈路故障的情況下，DCS仍然可以保持骨干網內的通信。

2.2 既有DCS網絡架構待優化問題

1) 冗余性問題。主要包括：①采用單套無線網；②軌旁SD為分散式部署；③采用單骨干網。

2) 網絡性能問題。主要包括：①骨干網吞吐率(100 Mbit/s)和無線網吞吐率(1 Mbit/s)均偏低，無法承載更多的應用；②列車運行的軌道沿線的電磁環境日趨惡化，充斥著大量的2.4 GHz同頻干擾信號，這些密集部署且工作在不同2.4 GHz信道的同頻干擾設備對基于2.4 GHz的DCS產生一定的干擾。

3) 車載網絡的擴展性問題。在以太網已經成為主流的當下，車載CAN(控制器局域網)需要整體向以太網方向改造。

3 優化的DCS網絡架構

針對既有DCS存在的問題，本文在冗余性、網絡性能等方面對DCS的架構進行了優化。如圖3所示，優化后的DCS網絡架構是一個高度冗余的架構。

3.1 冗余性

1) 骨干網。使用多重骨干網代替既有單骨干網，以解決既有網絡骨干網缺乏冗余的問題。多重骨干網包括4部分：①ATP骨干網，用以承載行車控制相關的ATP流量；②ATS骨干網，用以承載列車監控相關的ATS流量；③FHSS骨干網，用以承載流經FHSS無線系統的車地通信流量；④LTE(長期演進)骨干網，用以承載流經LTE無線系統的車地通信流量。不同類型的業務流量在不同的骨干網上傳輸，相互之間不會影響。同時，針對ATP骨干網、ATS骨干網發生骨干網故障后可能會導致ATP業務流、ATS業務流中斷的情況，優化后的DCS引入了“雙網切換機制”，即如果ATP骨干網故障了，ATP業務流會順暢切換到ATS骨干網；如果ATS骨干網故障了，ATS業務流會順暢切換到ATP骨干網。

2) 無線網。使用“LTE-M和Wi-Fi”雙制式網絡代替既有DCS的單FHSS無線網架構，解決了既有DCS無線網缺乏后備的問題。同時，LTE無線系統采用“A/B網”架構設計，以進一步提升無線網的冗余性，車地無線鏈路數量由既有DCS的2條FHSS鏈路增加到了4條(新增了2條LTE鏈路)。優化后DCS的VOBC可以同時通過這4條無線鏈路與軌旁ZC、ATS做數據交互，任意1條或者多條鏈路故障不影響數據傳輸，只要有1條鏈路正常，列車就不會和軌旁丟失通信。

注：LTE——長期演進。

3) SD。軌旁SD使用“集中化A/B網部署”方式代替既有DCS網絡“分散式部署”，其中：“集中化”是指將所有的軌旁SD集中到OCC進行集中維護，以降低了維護難度；“A/B網”是指針對車載SD分A端和B端的架構，軌旁SD分為A組和B組，軌旁A組的SD只負責和A端的車載SD通信，軌旁B組的SD只負責和B端的車載SD通信。A組和B組的SD物理隔離，單組SD故障不會導致車地通信的丟失。

3.2 網絡性能

1) 有線部分。優化后的DCS網絡的骨干網吞吐率由100 Mbit/s升級為1 Gbit/s，車載網絡使用100 M的車載以太網交換機代替CAN總線，車載信號設備內部網絡通信的帶寬得到很大提升。

2) 無線抗干擾。優化后的DCS新引入LTE無線系統。與2.4 GHz頻段相比，該系統使用1.8 GHz專有頻段，專網專用，干擾問題較少，理論上可大幅提高DCS的無線抗干擾能力。

4 DCS未來的發展方向

優化后的DCS網絡架構是基于既有DCS網絡架構演化而來，主要針對既有網絡的冗余性、網絡性能和可擴展性三方面進行了優化。在未來，優化后的DCS架構還可以進一步在以下方面進行優化：

1) 將DCS整體過渡到A/B網架構。如圖4所示，A/B網架構的優勢是A網和B網并行工作，并行傳輸數據，不存在雙網切換，因而也不存在切換時延；雙網物理隔離，單網故障不會傳導到另外一張網上。鑒于A/B網架構上述的優點，目前A/B網架構已經成為信號DCS的主流網絡架構。優化后的DCS架構在車地通信網層面是A/B網架構，列車A端和B端與軌旁系統的通信走相互獨立的通道，在軌旁有線網層面則采用“ATP+ATS雙網切換”架構。未來DCS的車地無線網和軌旁有線網在架構方面將趨于一致，可整體過渡到A/B網架構。

圖4 優化后DCS的A/B網網絡架構示意圖

2) 將部分DCS設備異地部署。既有DCS中，與車地通信相關的軌旁SD、LTE設備全部部署在OCC。優化后的DCS車地通信網部分為A/B網架構，A端和B端完全獨立，與列車B端通信相關的軌旁交換機、SD、LTE等設備可以考慮拆分出來異地部署，如A端設備部署在OCC、B端設備部署在車輛段。這樣部署后，任意一處設備發生故障，軌旁ZC和VOBC都不會丟失通信。

3) 應對目前LTE頻譜資源有限問題。LTE所使用的的1.8 G頻段，可用于城市軌道交通的頻率范圍為1 785～1 805 MHz，帶寬20 MHz，頻譜資源有限，獲取頻段難度很大。以上海軌道交通5號線為例，該線的信號業務只申請到5 MHz帶寬，雖然可以滿足信號業務需求，但是有限的頻譜帶寬限制了后續新增業務的擴展。DCS會考慮在后續的項目中采用新技術來解決頻譜資源受限的問題，如引入5G(第5代移動通信技術)等。不同于4G(第4代移動通信技術)，5G在通信帶寬、傳輸時延、信息傳遞可靠性和安全性等方面都有顯著的優勢，使用5G網絡承載城市軌道交通信號業務將會是未來發展的大趨勢。因此，可以在當前階段，積極對基于5G的DCS演進進行探索和技術儲備。

上述幾點是從網絡架構、系統性能2個方面對優化后DCS網絡提出的優化方案。未來DCS的基本任務依然是行車控制數據的可靠傳輸， 優化DCS的網絡架構、提升DCS的網絡性能都需要圍繞這個基本任務來開展。在網絡架構趨于穩定、網絡性能充分滿足信號系統需求之后，DCS還需要在運營穩定性方面下功夫，既有DCS的故障解決流程如圖5所示。嘗試將目前的運維工作由被動運維轉為主動運維，在故障發生之前就能發現存在的故障隱患并及時處理，在故障發生后可自動定位故障并出具故障分析報告，這樣可以大大提升運維效率，將DCS故障對運營的影響降到最低。

圖5 既有DCS的故障處理流程

5 結語

信號系統承擔著城市軌道交通高效運營的重任。由于信號的數據傳輸故障會對運營造成重大影響，因此信號系統演進的核心目標之一是涉及運營的關鍵功能“零失效”。 為提高設備的穩定性與可靠性，需通過多模冗余的架構設計來實現關鍵設備單系故障不導致整體失效、故障設備和冗余設備間實現無縫切換，以達到對運營不造成顯性影響的目的。