信號(hào)CBTC系統(tǒng)不同車地通信制式無縫自動(dòng)切換方法研究

摘要：針對(duì)軌道交通線路不同建設(shè)周期場(chǎng)景下承載信號(hào)CBTC系統(tǒng)的不同車地通信制式自動(dòng)切換的需求，構(gòu)建了基于無縫冗余協(xié)議的信號(hào)CBTC系統(tǒng)傳輸組網(wǎng)方案。通過分析基于WLAN和LTE的車地通信組網(wǎng)架構(gòu)，提出不同車地通信制式切換的原則和需求，結(jié)合可實(shí)現(xiàn)無縫自動(dòng)切換的通信協(xié)議，形成基于無縫冗余協(xié)議的信號(hào)車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法及信號(hào)列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕鞒虣C(jī)制。工程驗(yàn)證表明，該方法可完成信號(hào)CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)制式下的自動(dòng)切換，具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：CBTC系統(tǒng);車地通信;無縫冗余協(xié)議

中圖分類號(hào)：U285.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）是當(dāng)前城軌列控系統(tǒng)的主流控制方式，其采用的車地通信技術(shù)在快速發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了不斷演進(jìn)。在軌道交通四網(wǎng)融合發(fā)展的背景下，新建線路與既有線路互聯(lián)互通必將面臨采用不同無線通信制式承載CBTC系統(tǒng)的新場(chǎng)景，如何實(shí)現(xiàn)在不同車地通信制式下信號(hào)系統(tǒng)的無縫切換成為亟待解決的關(guān)鍵問題[1-2]。

根據(jù)延伸或改造工程建設(shè)需要，國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究和工程實(shí)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(shè)備、采用兩套車載方案等[5]，但相關(guān)方法工程建設(shè)成本較高，大范圍改造影響正線日常運(yùn)營，因而并未有效解決技術(shù)不斷進(jìn)步過程中出現(xiàn)的新問題。而在變電站、測(cè)控專網(wǎng)等領(lǐng)域通過通信冗余協(xié)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(yīng)用。

鑒于此，本文首先根據(jù)不同車地通信承載CBTC信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，針對(duì)性分析了當(dāng)前新建線路主用的基于LTE的車地?zé)o線通信和既有線路采用的基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)架構(gòu)的差異，提出了CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換的需求，通過分析可實(shí)現(xiàn)無縫自動(dòng)切換的通信協(xié)議，形成基于無縫冗余協(xié)議的信號(hào)車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法和算法流程，可為工程實(shí)踐提供支撐。

1? ? CBTC系統(tǒng)不同車地通信切換需求分析

1.1? ?CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)（圖1）以移動(dòng)閉塞來控制在線列車運(yùn)行間隔，通過實(shí)時(shí)測(cè)定的列車位置信息，根據(jù)電子地圖和進(jìn)路條件，考慮線路、車輛、臨時(shí)限速、防護(hù)距離等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算并向列車進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)，移動(dòng)授權(quán)伴隨列車前行而動(dòng)態(tài)更新，擺脫了由地面信號(hào)按固定物理區(qū)段行車的限制。列車實(shí)時(shí)位置及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸保障的關(guān)鍵即在于車地傳輸通道。車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用第四代移動(dòng)通信長期演進(jìn)（LTE-M）與無線局域網(wǎng)（WLAN）兩種無線通信技術(shù)。

1.2? ?基于不同車地制式的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1? ? 基于WLAN的CBTC架構(gòu)

基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)（圖2）工作頻段為2.4 GHz頻段，開放性良好，雙向傳輸數(shù)據(jù)量大，密度高。通過在軌道交通線路旁布設(shè)無線熱點(diǎn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要的通信介質(zhì)包括波導(dǎo)管、漏纜等，車載設(shè)備由車載天線和對(duì)應(yīng)的通信單元組成，采用雙套冗余網(wǎng)絡(luò)來提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和可靠性。

1.2.2? ? 基于LTE-M的CBTC架構(gòu)

基于LTE-M的車地?zé)o線通信系統(tǒng)（圖3）通常工作在1.8 GHz頻段，具有大容量、低延遲、覆蓋強(qiáng)、高速移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[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(tǒng)由核心網(wǎng)、基站系統(tǒng)和車載設(shè)備等組成，基站系統(tǒng)由基帶單元（BBU）和射頻單元（RRU）組成。

1.3? ? 自動(dòng)切換需求分析

當(dāng)前國內(nèi)各擁有軌道交通的城市，在建線網(wǎng)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?qū)崿F(xiàn)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(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)兼容或切換是其中的關(guān)鍵技術(shù)問題。實(shí)現(xiàn)列車在LTE-M與WLAN之間無縫切換需要滿足以下需求：

1）低時(shí)延性。車地?zé)o線通信切換應(yīng)滿足信號(hào)系統(tǒng)信息傳輸端到端延遲時(shí)間不大于150 ms的要求，同時(shí)滿足LTE-M和WLAN網(wǎng)絡(luò)自身越區(qū)切換的技術(shù)時(shí)效性指標(biāo)。

2）高可靠性。數(shù)據(jù)丟包率不大于1%，越區(qū)切換成功率不應(yīng)小于99.92%。

3）操作簡(jiǎn)單易維護(hù)。設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無縫切換過程，不影響和改變既有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不增加系統(tǒng)故障點(diǎn)和維修成本。

2? ? 基于無縫冗余協(xié)議的雙路CBTC系統(tǒng)切換方法

2.1? ? 通信無縫冗余協(xié)議

通信領(lǐng)域較早實(shí)現(xiàn)了無縫冗余的通信功能協(xié)議，其主要應(yīng)用于通信鏈路連接故障時(shí)，不需要進(jìn)行新的通信配置，即可實(shí)現(xiàn)通信。國際電工委員會(huì)2016年發(fā)布的IEC 62439-3中并行冗余（PRP）協(xié)議和高可用性無縫冗余（HSR）協(xié)議均可實(shí)現(xiàn)無縫冗余。

PRP通過在數(shù)據(jù)鏈路層中組成終端設(shè)備的冗余節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中鏈路發(fā)生變化情況下數(shù)據(jù)的安全、正常通信過程，可以在不中斷、無延時(shí)狀態(tài)下完成無線通信切換過程。該協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)上層透明，適用性強(qiáng)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

基于PRP的局域網(wǎng)采用線性并行運(yùn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，收發(fā)設(shè)備通過節(jié)點(diǎn)鏈DANP實(shí)現(xiàn)冗余。其中DANP節(jié)點(diǎn)鏈將從上層接收到的經(jīng)過編碼的通信數(shù)據(jù)幀分別下發(fā)向兩個(gè)端口，數(shù)據(jù)幀經(jīng)過兩個(gè)互相獨(dú)立的鏈路后傳送給接收端，接收的節(jié)點(diǎn)鏈將先接收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)處理解譯后發(fā)給上層協(xié)議，同時(shí)棄用后續(xù)收到的另一路數(shù)據(jù)幀，從而實(shí)現(xiàn)傳輸通道的無縫冗余管理過程。

HSR協(xié)議冗余環(huán)網(wǎng)可以看作是將PRP從不同的方向連接后建立起了一個(gè)環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。HSR協(xié)議的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)鏈DANH進(jìn)行環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸，通過雙向的節(jié)點(diǎn)鏈環(huán)路實(shí)現(xiàn)冗余。而DANH與DANP在數(shù)據(jù)處理的流程上相似，均可通過多路廣播和虛擬的局域網(wǎng)技術(shù)來保證傳輸質(zhì)量。

經(jīng)對(duì)比，信號(hào)CBTC系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同車地通信網(wǎng)絡(luò)間切換場(chǎng)景過程及無線通道傳輸特性更契合PRP網(wǎng)絡(luò)特征，且組網(wǎng)架構(gòu)更簡(jiǎn)單，在同等場(chǎng)景下有助于減少組網(wǎng)過程節(jié)點(diǎn)，減少系統(tǒng)故障點(diǎn)。

2.2? ? 雙路CBTC系統(tǒng)場(chǎng)景下車地?zé)o縫冗余組網(wǎng)方法

根據(jù)CBTC信號(hào)系統(tǒng)的典型特征和組網(wǎng)方式，結(jié)合PRP協(xié)議的結(jié)構(gòu)特性，為解決雙路不同車地通信制式場(chǎng)景下的車地?zé)o線通信傳輸問題，在原組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中通過PRP節(jié)點(diǎn)設(shè)備承擔(dān)原有系統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)鏈路層的通信過程，對(duì)上層協(xié)議透明，不會(huì)改變已成熟的信號(hào)系統(tǒng)車地通信冗余通道的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雙路車地通信冗余組網(wǎng)方案如圖6所示。

在綜合考慮組網(wǎng)成本和組網(wǎng)可靠性的場(chǎng)景下，可嘗試使用該組網(wǎng)方案。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出，在原車地傳輸通道的基礎(chǔ)上，該組網(wǎng)方案通過將需要傳遞的數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)軌旁路由分別轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的冗余網(wǎng)PRP設(shè)備，由PRP設(shè)備做協(xié)議封裝后分別發(fā)送給LTE和WLAN無線傳輸系統(tǒng)通道，LTE和WLAN無線設(shè)備的發(fā)送及接收設(shè)備按照互相獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸方式完成車地?cái)?shù)據(jù)的傳遞。列車車載設(shè)備收到數(shù)據(jù)后經(jīng)PRP設(shè)備按照先到先取的原則進(jìn)行使用，后到的數(shù)據(jù)則被丟棄。車載向地面軌旁傳遞數(shù)據(jù)與上相同。

3? ? 基于無縫冗余協(xié)議的車地通信信息模型

在列車運(yùn)行過程中，車地交互的主要信息流包括列車的定位和移動(dòng)授權(quán)等。一般通過軌旁信號(hào)應(yīng)答器提供線路的參數(shù)數(shù)據(jù)，結(jié)合列車所裝備的設(shè)備融合速度傳感器及雷達(dá)測(cè)速模塊數(shù)據(jù)累加計(jì)算共同得到列車的定位信息。同時(shí)，結(jié)合前行列車與地面的數(shù)據(jù)交互來確定前車的實(shí)際位置，并判斷列車前方的安全空閑區(qū)段。經(jīng)過計(jì)算后，由列車車載設(shè)備（VOBC）向信號(hào)軌旁的區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送列車的位置數(shù)據(jù)信息，ZC綜合計(jì)算前方列車進(jìn)路、前車位置以及其他障礙物等信息得出移動(dòng)授權(quán)，并通過車地?zé)o線通信向車載設(shè)備（VOBC）傳達(dá)移動(dòng)授權(quán)信息。

根據(jù)以上過程，形成基于無縫冗余協(xié)議的車地通信數(shù)據(jù)算法流程如圖7所示。

以車地通道下傳CBTC移動(dòng)授權(quán)數(shù)據(jù)過程為例，其主要流程包括：

1）軌旁區(qū)域控制器向列車下達(dá)移動(dòng)授權(quán)數(shù)據(jù)至帶有PRP協(xié)議的路由設(shè)備，路由設(shè)備編碼形成PRP數(shù)據(jù)報(bào)文。

2）軌旁PRP設(shè)備復(fù)制數(shù)據(jù)報(bào)文，并將數(shù)據(jù)報(bào)文分別通過WLAN和LTE鏈路進(jìn)行同步發(fā)送。

3）車載WLAN和LTE鏈路接收天線分別接收數(shù)據(jù)報(bào)文，通過兩條鏈路送至車載PRP設(shè)備。

4）通過車載PRP監(jiān)視機(jī)制判斷該報(bào)文是否已接收。未接收，則接收該報(bào)文并更新節(jié)點(diǎn)鏈;已接收，則轉(zhuǎn)移該報(bào)文至中轉(zhuǎn)棧并在下個(gè)循環(huán)前丟棄。

5）監(jiān)測(cè)并判斷網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)有故障，則故障報(bào)警，并請(qǐng)求再發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文;網(wǎng)絡(luò)無故障則去除封裝協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)上層協(xié)議至設(shè)備終端處置。

4? ? 工程驗(yàn)證

本文主要技術(shù)方案在無錫至江陰城際軌道交通工程項(xiàng)目進(jìn)行了性能測(cè)試及工程驗(yàn)證。無錫至江陰城際軌道交通工程項(xiàng)目與既有無錫地鐵1號(hào)線工程貫通運(yùn)營，其中新建段多為120 km/h高架區(qū)段，車地?zé)o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(hào)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(yùn)營需求，需實(shí)現(xiàn)在接軌區(qū)段的無線無縫切換過程。

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和試驗(yàn)線測(cè)試后，在無錫至江陰城際軌道交通工程馬鎮(zhèn)站進(jìn)行了系統(tǒng)性能測(cè)試和驗(yàn)證。如圖8所示，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，采用該方案的車地通信數(shù)據(jù)丟包率小于1%，端到端傳輸平均延遲時(shí)間小于30 ms，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以實(shí)現(xiàn)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(jié)論

針對(duì)既有線路延伸或新建線路接入線網(wǎng)車地通信不同的場(chǎng)景，通過基于無縫冗余協(xié)議的組網(wǎng)方法及設(shè)備，結(jié)合雙鏈路冗余數(shù)據(jù)算法流程，能較為有效地實(shí)現(xiàn)承載信號(hào)CBTC系統(tǒng)的不同車地通信數(shù)據(jù)無縫切換，且具有較好的通信服務(wù)質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。無縫冗余通信協(xié)議工作于數(shù)據(jù)鏈路層，適用性不限于WLAN與LTE的通信制式，后續(xù)可進(jìn)一步開展5G公專網(wǎng)應(yīng)用承載場(chǎng)景下的工程驗(yàn)證，為四網(wǎng)融合背景下完善車地通信系統(tǒng)技術(shù)提供支撐。

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收稿日期：2024-02-02

作者簡(jiǎn)介：郭碧（1992—），男，甘肅靈臺(tái)人，工學(xué)碩士，工程師，主要從事軌道交通信號(hào)設(shè)計(jì)研究工作。