車輛調(diào)度系統(tǒng)與列車控制和管理系統(tǒng)的通信模式探究

劉船栓

卡斯柯信號有限公司, 廣東 深圳 518042

0 引言

近年來,多數(shù)城市軌道交通已實現(xiàn)全自動無人駕駛。為確保無人駕駛模式下,列車各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的及時、精確傳輸,采用了列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)對列車的各個子系統(tǒng)進行靜態(tài)檢查,并通過與車輛調(diào)度系統(tǒng)(RSD系統(tǒng))進行數(shù)據(jù)交互,從而實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)安全落地和車輛功能遠程控制。

當(dāng)車輛狀態(tài)異常,RSD系統(tǒng)與TCMS間數(shù)據(jù)交互不暢,人員就位不及時,從而影響到運營策略及應(yīng)急指揮的關(guān)鍵操作,容易造成無法預(yù)測的后果。因此,RSD系統(tǒng)與TCMS之間數(shù)據(jù)能否安全、有效、暢通、及時的交互將是保障列車安全、穩(wěn)定、可靠運行的主要因素。

1 車輛調(diào)度的數(shù)據(jù)需求

1.1 車輛調(diào)度具體數(shù)據(jù)需求

車輛調(diào)度系統(tǒng)是面向全自動運行線路的系統(tǒng),用于輔助車輛調(diào)度人員實行對全自動無人駕駛車輛的綜合監(jiān)督、遠程控制以及復(fù)位,能夠高效地輔助車輛調(diào)度進行故障應(yīng)急處置,具體數(shù)據(jù)需求架構(gòu)如圖1所示,需要的行車數(shù)據(jù)主要包括全自動駕駛列車的遠程實時數(shù)據(jù)、列車輔助遠程控制/復(fù)位情況、車輛故障實時數(shù)據(jù)、車輛不符合上下線標(biāo)準(zhǔn)的信息、報警等級、次數(shù)、趨勢等統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

圖1 車輛調(diào)度子系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求架構(gòu)

1.2 車輛調(diào)度系統(tǒng)向TCMS的數(shù)據(jù)需求

TCMS是列車控制和監(jiān)視系統(tǒng),它通過網(wǎng)絡(luò)(一般為鐵路專用網(wǎng)絡(luò)TCN、WorldFIP、Longworks等)將列車的各種控制設(shè)備連接起來,設(shè)立主控設(shè)備,進行統(tǒng)一控制和信息共享[1],具體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 TCMS與各系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)組成

車輛調(diào)度系統(tǒng)與TCMS之間交互的數(shù)據(jù)信息包括:信號信息、乘客緊急對講語音/視頻及相關(guān)數(shù)據(jù)信息、遠程列車廣播語音及語錄廣播信息、車輛調(diào)度信息、聯(lián)動告警信息。

2 車輛調(diào)度與TCMS數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)

2.1 車輛調(diào)度系統(tǒng)與TCMS的數(shù)據(jù)傳遞

車輛調(diào)度子系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器與TCMS通過車輛無線網(wǎng)絡(luò)(LTE網(wǎng)絡(luò))進行通信,實時獲取車輛TCMS收集的各子系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。車頭車尾TCMS發(fā)送模塊應(yīng)具備通過雙網(wǎng)分別向車輛調(diào)度子系統(tǒng)主備中心多臺應(yīng)用服務(wù)器同時發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。即車頭TCMS向車輛調(diào)度服務(wù)器A、B機同時發(fā)送數(shù)據(jù);車尾TCMS也同時向車輛調(diào)度服務(wù)器A和B機發(fā)送數(shù)據(jù)。車輛調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部主備機制,決定是否處理數(shù)據(jù)。根據(jù)車輛各子系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量評估,車地?zé)o線單路網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)不低于2 Mbps。車地通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 車地通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 車輛調(diào)度系統(tǒng)與TCMS間的網(wǎng)絡(luò)連接

TCMS通過車載交換機與防火墻共同實現(xiàn)VRRP及NAT功能,實現(xiàn)TCMS內(nèi)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)雙端冗余傳輸,同時車輛的VCU(或HMI)通過交換機與車輛調(diào)度系統(tǒng)進行通信。

2.3 RSD與TCMS通信規(guī)則

車地通信中的VCU(或HMI)主從定義與TCMS定義主從VCU(或HMI)位置保持一致。列車TCMS正常情況只有1個主VCU(或HMI)與車輛調(diào)A、B服務(wù)器進行通信,向車輛調(diào)發(fā)送信息。TCMS實現(xiàn)列車狀態(tài)信息和故障信息的上傳;車輛調(diào)實現(xiàn)車輛狀態(tài)信息和故障信息的顯示,RSD與TCMS網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。

圖4 RSD與TCMS網(wǎng)絡(luò)連接

通過LTE綜合承載網(wǎng)業(yè)務(wù)拓展來最終實現(xiàn)車輛調(diào)狀態(tài)監(jiān)測信息、故障報警信息的落地,并且為了實現(xiàn)對車輛非安全設(shè)備的可靠安全控制功能,車輛調(diào)控制命令從車輛服務(wù)器下發(fā),經(jīng)過CBTC業(yè)務(wù)通道傳輸,最終通過信號控制紅藍網(wǎng)下發(fā)到TCMS。

車輛調(diào)度系統(tǒng)與TCMS網(wǎng)絡(luò)具體連接如下。

1)車輛的A1車與A2車的TCMS通信模塊分別與本單元的綜合承載TAU連接,車輛承包商負(fù)責(zé)與TAU之間的連接,包含網(wǎng)線及車輛側(cè)M12連接器。

2)通信承包商負(fù)責(zé)提供綜合承載TAU至車頂及車側(cè)天線的連接,及TCMS與TAU之間連接中TAU側(cè)的M12連接器。

3)協(xié)議架構(gòu):車輛調(diào)度系統(tǒng)與TCMS系統(tǒng)接口采用UDP協(xié)議傳輸,應(yīng)用數(shù)據(jù)為車輛調(diào)度系統(tǒng)所需的全部車輛控制指令及狀態(tài)信息,單包2 000～3 000 ms發(fā)送1次車輛狀態(tài)信息至車輛調(diào)度系統(tǒng)A和B服務(wù)器。

2.3.1 接口功能規(guī)則

車輛調(diào)度系統(tǒng)服務(wù)器主備互為熱備冗余關(guān)系,均可接收車輛信息。正常情況A1端數(shù)據(jù)同時發(fā)往2臺車輛調(diào)度服務(wù)器,A2端數(shù)據(jù)也同時發(fā)往2臺車輛調(diào)度服務(wù)器,2個服務(wù)器互為主備,熱備冗余,4條鏈路互為冗余,具體接口協(xié)議如表1所示。

2.3.2 通信協(xié)議規(guī)則

車輛TCMS兩端分別同時向車輛調(diào)度系統(tǒng)服務(wù)器A和B發(fā)送信息。由于兩端發(fā)送的報文信息是一致的,故地面服務(wù)器監(jiān)督與TCMS通信,默認(rèn)接收、解析并記錄A1端信息,當(dāng)A1端通信故障時切換到接收、解析并記錄A2端發(fā)送的信息,通信協(xié)議規(guī)則如表2所示。

表2 通信協(xié)議規(guī)則

2.3.3 信號包頭格式及包尾校驗碼規(guī)則

數(shù)據(jù)總共分為6個包傳輸,每個數(shù)據(jù)包1 060個字節(jié),具體格式如下:TRDP包頭(40個字節(jié))、信號需要的包頭(16個字節(jié))、實際數(shù)據(jù)區(qū)(1 000個字節(jié))、CRC校驗(2個字節(jié))、空格(2個字節(jié),為了TRDP報文長度為4的整數(shù)倍,不計入驗證長度)。

1)6個數(shù)據(jù)包按照A-F包區(qū)分,A-F的標(biāo)識在信號包頭中第8個字節(jié)用ASCII碼,轉(zhuǎn)成十六進制表現(xiàn),如A包41,B包42等。

2)CRC校驗:從信號報文頭部開始至報文數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束,采用CRC-CCITT校驗方式,校驗初始值0x0000。

TCMS的數(shù)據(jù)包傳輸時所有車目的地端口默認(rèn)按照17 224發(fā)送,由車輛調(diào)度系統(tǒng)按照每列車IP區(qū)分后分端口發(fā)送至車輛調(diào)度系統(tǒng)服務(wù)器,實現(xiàn)按照端口區(qū)分車輛。信號包頭格式以及包尾校驗碼要求如表3所示。

表3 信號包頭格式及包尾校驗碼

2.3.4 以太網(wǎng)列車通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)則

以太網(wǎng)電纜應(yīng)采用符合ISO/IEC 11801的超5類屏蔽雙絞線[2]。終端設(shè)備與交換機設(shè)備之間以太網(wǎng)線纜采用直連線。

以太網(wǎng)連接器采用符合IEC 62076-2-101的M12D型編碼連接器。在設(shè)備端采用插孔,電纜端采用插針。臨時設(shè)備(例如PTU)可采用RJ45連接器。

RJ45連接器選用星線構(gòu)形;傳輸介質(zhì)選用ISO/IEC 11801規(guī)定的超5類屏蔽雙絞線;支持最大傳輸距離100 m;最大傳輸碼率100 Mbit/s;物理尋址選用組播方式。

3 RSD系統(tǒng)與TCMS采用LTE網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

1)通信速率有了提高,下行峰值速率為100 Mbps、上行為50 Mbps。

2)提高了頻譜效率,下行鏈路5(bit/s)/Hz,上行鏈路2.5(bit/s)/Hz。

3)以分組域業(yè)務(wù)為主要目標(biāo),系統(tǒng)在整體架構(gòu)上將基于分組交換。

4)QoS保證。通過系統(tǒng)設(shè)計嚴(yán)格的QoS機制,保證實時業(yè)務(wù)(如VoIP)的服務(wù)質(zhì)量。

5)系統(tǒng)部署靈活,能夠支持1.25～20 MHz的多種系統(tǒng)帶寬,保證了將來在系統(tǒng)部署上的靈活性。

6)降低無線網(wǎng)絡(luò)時延:子幀長度0.5 ms和0.675 ms,解決了向下兼容的問題,并降低了網(wǎng)絡(luò)時延。

7)增加了邊界比特速率,在保持目前基站位置不變的情況下增加邊界比特速率。

8)強調(diào)向下兼容,支持已有的3G系統(tǒng)和非3GPP規(guī)范系統(tǒng)的協(xié)同運作。

4 RSD系統(tǒng)與TCMS之間的信息安全保障

無線通信的開放性、網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復(fù)雜性,使得無線通信系統(tǒng)更容易受到其他用戶的安全攻擊[3]。因此,RSD系統(tǒng)與TCMS之間的信息有效性、可靠性、保密性等顯得十分重要。

RSD與TCMS之間的通信采用LTE模式,該模式基于傳統(tǒng)的加密解密體系,在上層協(xié)議中保證系統(tǒng)的安全。

LTE采用物理層安全技術(shù)作為信息安全保障,利用編碼的方式,對傳統(tǒng)的信道糾錯編碼進行修改,使其同時兼具糾錯能力與保密能力。該方式充分利用無線信道的非完美特點(噪聲、衰落以及干擾)設(shè)計適合安全通信的信道編碼,不僅能夠為合法信道進行糾錯,而且能夠保證信息安全,阻止竊聽者接收到有效信息。

5 結(jié)束語

全自動駕駛模式的開發(fā)能精準(zhǔn)把握列車動態(tài),有效控制列運行車和優(yōu)化行車管理策略,大大地推動了城軌交通的發(fā)展[4]。TCMS作為整車控制系統(tǒng),通過LTE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了與RSD系統(tǒng)之間的信息傳遞,使車地數(shù)據(jù)可靠,為保障列車安全、穩(wěn)定、高效運行奠定了基礎(chǔ),大大降低了相關(guān)成本,節(jié)省了大量時間,實現(xiàn)了列車運行及車載設(shè)備等信息的集中管理,并為后續(xù)“車車通信”的發(fā)展提供了新的思路。該通信模式在深圳16號線車輛調(diào)系統(tǒng)建設(shè)中得到了驗證,實際應(yīng)用表現(xiàn)良好。