信號CBTC系統不同車地通信制式無縫自動切換方法研究

摘要：針對軌道交通線路不同建設周期場景下承載信號CBTC系統的不同車地通信制式自動切換的需求，構建了基于無縫冗余協議的信號CBTC系統傳輸組網方案。通過分析基于WLAN和LTE的車地通信組網架構，提出不同車地通信制式切換的原則和需求，結合可實現無縫自動切換的通信協議，形成基于無縫冗余協議的信號車地通信系統組網方法及信號列控系統數據傳輸的主要流程機制。工程驗證表明，該方法可完成信號CBTC系統數據在不同網絡制式下的自動切換，具有較好的實時性和準確性。

關鍵詞：CBTC系統;車地通信;無縫冗余協議

中圖分類號：U285.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.003

0? ? 引言

基于無線通信的列車運行控制系統（CBTC）是當前城軌列控系統的主流控制方式，其采用的車地通信技術在快速發展中實現了不斷演進。在軌道交通四網融合發展的背景下，新建線路與既有線路互聯互通必將面臨采用不同無線通信制式承載CBTC系統的新場景，如何實現在不同車地通信制式下信號系統的無縫切換成為亟待解決的關鍵問題[1-2]。

根據延伸或改造工程建設需要，國內學者開展了相關研究和工程實踐，采用的主要方法包括與既有線路車地通信采用相同制式[3-4]、全線疊加雙套車地通信設備、采用兩套車載方案等[5]，但相關方法工程建設成本較高，大范圍改造影響正線日常運營，因而并未有效解決技術不斷進步過程中出現的新問題。而在變電站、測控專網等領域通過通信冗余協議較好地解決了不同通信制式的兼容問題[6-7]，并獲得了一定的應用。

鑒于此，本文首先根據不同車地通信承載CBTC信號系統業務場景，針對性分析了當前新建線路主用的基于LTE的車地無線通信和既有線路采用的基于WLAN的車地無線通信系統架構的差異，提出了CBTC系統數據切換的需求，通過分析可實現無縫自動切換的通信協議，形成基于無縫冗余協議的信號車地通信系統組網方法和算法流程，可為工程實踐提供支撐。

1? ? CBTC系統不同車地通信切換需求分析

1.1? ?CBTC系統

CBTC系統（圖1）以移動閉塞來控制在線列車運行間隔，通過實時測定的列車位置信息，根據電子地圖和進路條件，考慮線路、車輛、臨時限速、防護距離等參數實時計算并向列車進行移動授權，移動授權伴隨列車前行而動態更新，擺脫了由地面信號按固定物理區段行車的限制。列車實時位置及相關數據傳輸保障的關鍵即在于車地傳輸通道。車地無線通信系統主要采用第四代移動通信長期演進（LTE-M）與無線局域網（WLAN）兩種無線通信技術。

1.2? ?基于不同車地制式的CBTC系統架構

1.2.1? ? 基于WLAN的CBTC架構

基于WLAN的車地無線通信系統（圖2）工作頻段為2.4 GHz頻段，開放性良好，雙向傳輸數據量大，密度高。通過在軌道交通線路旁布設無線熱點設備來實現數據傳輸，主要的通信介質包括波導管、漏纜等，車載設備由車載天線和對應的通信單元組成，采用雙套冗余網絡來提升網絡服務質量和可靠性。

1.2.2? ? 基于LTE-M的CBTC架構

基于LTE-M的車地無線通信系統（圖3）通常工作在1.8 GHz頻段，具有大容量、低延遲、覆蓋強、高速移動的優點[8]，且相比于WLAN具有更好的抗干擾性，成為近年來主要的通信制式。該系統由核心網、基站系統和車載設備等組成，基站系統由基帶單元（BBU）和射頻單元（RRU）組成。

1.3? ? 自動切換需求分析

當前國內各擁有軌道交通的城市，在建線網已逐步成型，面臨既有線路延伸或新建線路接入貫通的需求，新建線路采用多年前方案或實現既有線路的無線改造均存在較大不合理性，WLAN和LTE-M在同一場景下實現兼容或切換是其中的關鍵技術問題。實現列車在LTE-M與WLAN之間無縫切換需要滿足以下需求：

1）低時延性。車地無線通信切換應滿足信號系統信息傳輸端到端延遲時間不大于150 ms的要求，同時滿足LTE-M和WLAN網絡自身越區切換的技術時效性指標。

2）高可靠性。數據丟包率不大于1%，越區切換成功率不應小于99.92%。

3）操作簡單易維護。設備結構應盡可能簡單，能實現自動無縫切換過程，不影響和改變既有系統的穩定性，不增加系統故障點和維修成本。

2? ? 基于無縫冗余協議的雙路CBTC系統切換方法

2.1? ? 通信無縫冗余協議

通信領域較早實現了無縫冗余的通信功能協議，其主要應用于通信鏈路連接故障時，不需要進行新的通信配置，即可實現通信。國際電工委員會2016年發布的IEC 62439-3中并行冗余（PRP）協議和高可用性無縫冗余（HSR）協議均可實現無縫冗余。

PRP通過在數據鏈路層中組成終端設備的冗余節點實現數據傳輸中鏈路發生變化情況下數據的安全、正常通信過程，可以在不中斷、無延時狀態下完成無線通信切換過程。該協議工作在數據鏈路層，對上層透明，適用性強，其網絡架構如圖4所示。

基于PRP的局域網采用線性并行運行的拓撲結構，收發設備通過節點鏈DANP實現冗余。其中DANP節點鏈將從上層接收到的經過編碼的通信數據幀分別下發向兩個端口，數據幀經過兩個互相獨立的鏈路后傳送給接收端，接收的節點鏈將先接收到的數據幀經處理解譯后發給上層協議，同時棄用后續收到的另一路數據幀，從而實現傳輸通道的無縫冗余管理過程。

HSR協議冗余環網可以看作是將PRP從不同的方向連接后建立起了一個環型的拓撲結構，如圖5所示。HSR協議的終端設備節點通過節點鏈DANH進行環路數據傳輸，通過雙向的節點鏈環路實現冗余。而DANH與DANP在數據處理的流程上相似，均可通過多路廣播和虛擬的局域網技術來保證傳輸質量。

經對比，信號CBTC系統在一定范圍內實現不同車地通信網絡間切換場景過程及無線通道傳輸特性更契合PRP網絡特征，且組網架構更簡單，在同等場景下有助于減少組網過程節點，減少系統故障點。

2.2? ? 雙路CBTC系統場景下車地無縫冗余組網方法

根據CBTC信號系統的典型特征和組網方式，結合PRP協議的結構特性，為解決雙路不同車地通信制式場景下的車地無線通信傳輸問題，在原組網結構中通過PRP節點設備承擔原有系統架構下數據鏈路層的通信過程，對上層協議透明，不會改變已成熟的信號系統車地通信冗余通道的網絡架構。雙路車地通信冗余組網方案如圖6所示。

在綜合考慮組網成本和組網可靠性的場景下，可嘗試使用該組網方案。從網絡結構可以看出，在原車地傳輸通道的基礎上，該組網方案通過將需要傳遞的數據報文經軌旁路由分別轉發給對應的冗余網PRP設備，由PRP設備做協議封裝后分別發送給LTE和WLAN無線傳輸系統通道，LTE和WLAN無線設備的發送及接收設備按照互相獨立的數據傳輸方式完成車地數據的傳遞。列車車載設備收到數據后經PRP設備按照先到先取的原則進行使用，后到的數據則被丟棄。車載向地面軌旁傳遞數據與上相同。

3? ? 基于無縫冗余協議的車地通信信息模型

在列車運行過程中，車地交互的主要信息流包括列車的定位和移動授權等。一般通過軌旁信號應答器提供線路的參數數據，結合列車所裝備的設備融合速度傳感器及雷達測速模塊數據累加計算共同得到列車的定位信息。同時，結合前行列車與地面的數據交互來確定前車的實際位置，并判斷列車前方的安全空閑區段。經過計算后，由列車車載設備（VOBC）向信號軌旁的區域控制器（ZC）發送列車的位置數據信息，ZC綜合計算前方列車進路、前車位置以及其他障礙物等信息得出移動授權，并通過車地無線通信向車載設備（VOBC）傳達移動授權信息。

根據以上過程，形成基于無縫冗余協議的車地通信數據算法流程如圖7所示。

以車地通道下傳CBTC移動授權數據過程為例，其主要流程包括：

1）軌旁區域控制器向列車下達移動授權數據至帶有PRP協議的路由設備，路由設備編碼形成PRP數據報文。

2）軌旁PRP設備復制數據報文，并將數據報文分別通過WLAN和LTE鏈路進行同步發送。

3）車載WLAN和LTE鏈路接收天線分別接收數據報文，通過兩條鏈路送至車載PRP設備。

4）通過車載PRP監視機制判斷該報文是否已接收。未接收，則接收該報文并更新節點鏈;已接收，則轉移該報文至中轉棧并在下個循環前丟棄。

5）監測并判斷網絡通道狀態。網絡有故障，則故障報警，并請求再發數據報文;網絡無故障則去除封裝協議，發送數據經上層協議至設備終端處置。

4? ? 工程驗證

本文主要技術方案在無錫至江陰城際軌道交通工程項目進行了性能測試及工程驗證。無錫至江陰城際軌道交通工程項目與既有無錫地鐵1號線工程貫通運營，其中新建段多為120 km/h高架區段，車地無線通信鏈路選用1.8 GHz頻段的LTE-M車地通信制式，既有無錫地鐵1號線多為80 km/h線路，原采用2.4 GHz頻段的WLAN車地通信制式。為滿足貫通運營需求，需實現在接軌區段的無線無縫切換過程。

通過實驗室測試和試驗線測試后，在無錫至江陰城際軌道交通工程馬鎮站進行了系統性能測試和驗證。如圖8所示，經測試驗證，采用該方案的車地通信數據丟包率小于1%，端到端傳輸平均延遲時間小于30 ms，滿足技術標準要求，可以實現WLAN與LTE車地通道無縫切換，保證通道上承載的CBTC信息安全、可靠傳輸。

5? ? 結論

針對既有線路延伸或新建線路接入線網車地通信不同的場景，通過基于無縫冗余協議的組網方法及設備，結合雙鏈路冗余數據算法流程，能較為有效地實現承載信號CBTC系統的不同車地通信數據無縫切換，且具有較好的通信服務質量和實時性。無縫冗余通信協議工作于數據鏈路層，適用性不限于WLAN與LTE的通信制式，后續可進一步開展5G公專網應用承載場景下的工程驗證，為四網融合背景下完善車地通信系統技術提供支撐。

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收稿日期：2024-02-02

作者簡介：郭碧（1992—），男，甘肅靈臺人，工學碩士，工程師，主要從事軌道交通信號設計研究工作。