淺談基于無(wú)線的車-地通信系統(tǒng)

張文洲

*廣州市地下鐵道總公司 助理工程師，510380 廣州

在城市軌道交通系統(tǒng)中，移動(dòng)閉塞模式代表了信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，與傳統(tǒng)的模式相比，其追蹤列車的安全間隔距離最小，具有最大限度地提高線路運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

基于無(wú)線通信技術(shù)的CBTC信號(hào)系統(tǒng)，不依靠軌道電路檢測(cè)列車位置向車載設(shè)備傳遞信息，而是利用無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)車載設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)的通信設(shè)備與車站或列車控制中心實(shí)現(xiàn)信息交換，完成對(duì)列車速度的控制，故其具備高可靠性、高效性、抗干擾性等特點(diǎn)。

1 CBTC信號(hào)系統(tǒng)的基本原理

列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的地面設(shè)備周期性地接收本系統(tǒng)控制范圍內(nèi)所有列車傳來(lái)的列車識(shí)別號(hào)、位置、方向和速度等信息。相應(yīng)地，列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的地面設(shè)備根據(jù)接收到的列車信息，確定各列車的移動(dòng)授權(quán)，并向本系統(tǒng)控制范圍內(nèi)的每列列車周期性地傳送移動(dòng)授權(quán)。其中，移動(dòng)授權(quán)由前行列車的位置來(lái)確定，移動(dòng)授權(quán)將隨著前行列車的移動(dòng)而逐漸前移。列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的車載設(shè)備根據(jù)接收到的移動(dòng)授權(quán)以及列車速度、線路參數(shù)、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間等信息，動(dòng)態(tài)地計(jì)算出列車的緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線和緊急制動(dòng)曲線，以確保列車不會(huì)超越現(xiàn)有的移動(dòng)授權(quán)點(diǎn)。因此在移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中，列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)計(jì)算出的防護(hù)點(diǎn)不是在軌道區(qū)段的分界點(diǎn)，而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置，它會(huì)隨著列車的移動(dòng)而移動(dòng)。

2 基于無(wú)線的車-地通信系統(tǒng)的構(gòu)成

以廣佛線的無(wú)線通信系統(tǒng)為例，基于無(wú)線的車-地通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廣佛線基于無(wú)線的車-地通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

列車控制系統(tǒng)可以在軌旁、中心和車載設(shè)備之間進(jìn)行通信，通信使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)際協(xié)議尋址機(jī)制。系統(tǒng)使用一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，此局域網(wǎng)針對(duì)列車控制應(yīng)用程序的要求專門定制而成。系統(tǒng)具有足夠的固有容量，即便將來(lái)軌旁到列車間的應(yīng)用程序增加同樣適用。

圖2 無(wú)線車載設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 無(wú)線系統(tǒng)車載設(shè)備

車載設(shè)備結(jié)構(gòu)包括2個(gè)無(wú)線列車單元 (均包含安全相關(guān)的列車控制)，分別位于列車前端和后端。每個(gè)列車單元包含1臺(tái)計(jì)算機(jī)及總計(jì)4個(gè)局域網(wǎng)無(wú)線收發(fā)器。收發(fā)器分別連接列車頭、尾的天線陣列。列車控制與無(wú)線系統(tǒng)采用高速以太網(wǎng)接口，即在列車頭、尾二端設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部實(shí)現(xiàn)互連的短電纜，參見(jiàn)圖2中的箭頭。

1．車載無(wú)線列車單元。每列車的通信系統(tǒng)包括2個(gè)完全冗余的無(wú)線列車單元，作為軌旁接入點(diǎn)的通信客戶端，分別安裝在靠近每列車的前駕駛室和后駕駛室的指定機(jī)架中，無(wú)線列車單元包含電源轉(zhuǎn)換器和列車無(wú)線網(wǎng)卡。

2．車載無(wú)線網(wǎng)卡。每個(gè)無(wú)線列車單元包括2個(gè)冗余的車載無(wú)線網(wǎng)卡，并以分載的方式工作，提供列車控制的數(shù)據(jù)傳輸。此無(wú)線網(wǎng)卡與軌旁無(wú)線網(wǎng)卡型號(hào)相同，其固化軟件基于無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，只是進(jìn)行了細(xì)微的修改，具備與最高列車行駛速度相適應(yīng)的快速漫游能力。

3．車載通信鏈路。列車單元通過(guò)一個(gè)安裝在列車上的專用以太網(wǎng)來(lái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。此通信纜線、接頭和跳線 (車廂之間)的安裝須由客戶和/或車輛生產(chǎn)商同意、支持并執(zhí)行。列車單元以熱備冗余的模式持續(xù)進(jìn)行工作，事實(shí)上對(duì)于列車控制的相關(guān)數(shù)據(jù)，則以負(fù)載和數(shù)據(jù)分?jǐn)偟哪Ｊ竭M(jìn)行工作。

4．車載天線。每個(gè)無(wú)線列車單元的無(wú)線網(wǎng)卡與一組 (2個(gè))車載天線相連。天線安裝在駕駛室上方，位于車輛駕駛室的復(fù)合材料面板后面，朝車輛較近的車頭方向。每個(gè)無(wú)線列車單元采用2個(gè)天線是為了增強(qiáng)其通信性能。

2.2 無(wú)線系統(tǒng)軌旁設(shè)備

軌旁接入點(diǎn)以及所有的接口設(shè)備都安裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)。接入點(diǎn)為列車控制數(shù)據(jù)提供雙向 (上行和下行)通信。接入點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鐵路應(yīng)用的要求，易于進(jìn)行維護(hù)。接入點(diǎn)的尺寸可根據(jù)組件對(duì)空間的需求和實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)最終確定。軌旁接入點(diǎn)的機(jī)箱應(yīng)安裝在隧道壁上，位置應(yīng)接近軌旁天線。

軌旁接入點(diǎn)包括一個(gè)完全冗余的無(wú)線單元，以列車控制分載的方式進(jìn)行工作。為維護(hù)方便，無(wú)線單元采用標(biāo)準(zhǔn)化的無(wú)線局域網(wǎng)組件。軌旁接入點(diǎn)連接到一個(gè)天線裝置上，天線2個(gè)一組安裝在安裝機(jī)架上。為了在隧道安裝后可承受預(yù)期的風(fēng)力載荷，天線支架應(yīng)安裝在靠近隧道壁和隧道頂?shù)奈恢?在露天場(chǎng)所則需要安裝支撐桿。

軌旁天線選擇。由于定向天線為窄波束、高增益天線，覆蓋較長(zhǎng)的直線軌道區(qū)段，適合線性路徑拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此軌旁天線應(yīng)選擇定向天線。在列車上，定向天線安裝在機(jī)車?yán)?，防止被洗車設(shè)備損壞。每個(gè)接入點(diǎn)使用2個(gè)發(fā)射方向相反的單向天線，可為一個(gè)包含最小數(shù)目接入點(diǎn)的指定距離提供無(wú)線服務(wù)。每個(gè)接入點(diǎn)2個(gè)天線的組合向一個(gè)特定區(qū)域提供無(wú)線服務(wù)。在曲線軌道的特定區(qū)段可選擇扇形天線，因?yàn)樗鼤?huì)提供一個(gè)更寬范圍的無(wú)線電頻率覆蓋。即便要求系統(tǒng)具有無(wú)線漫游功能，基于方向和速度的考慮，定向天線仍是最好的選擇。

軌旁頻率覆蓋范圍。一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)包括無(wú)線服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、接入交換機(jī)和光纜。每個(gè)接入點(diǎn)使用相同的無(wú)線頻率，服務(wù)于各自所在軌道的2個(gè)方向。軌道沿線頻率通常遵循一個(gè)固定的序列，通常使用3個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)頻率和一個(gè)備用頻率，這個(gè)備用頻率用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的特定情況。為提高網(wǎng)絡(luò)健壯性、避免疊加影響和降低噪音，相同頻率的覆蓋區(qū)域彼此分開(kāi)，不同頻率的覆蓋區(qū)域相互重疊，如圖3所示。軌旁接入點(diǎn)的布置方式。軌道沿線的每個(gè)接入點(diǎn)主要屬于2個(gè)完全冗余的系統(tǒng)通道。每個(gè)系統(tǒng)通道使用自身的光以太網(wǎng)通信，該網(wǎng)絡(luò)為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。當(dāng)一個(gè)單獨(dú)的接入點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到通信性能。

圖3 軌旁接入點(diǎn)和頻率的大致排列

圖4 軌旁頻率覆蓋示意圖

3 基于無(wú)線通信的CBTC列車控制系統(tǒng)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

1．運(yùn)行間隔縮短。運(yùn)行間隔是指在線路上某點(diǎn)處前后運(yùn)行的兩列車之間的間隔。在無(wú)線CBTC系統(tǒng)中，一個(gè)列車車載設(shè)備探測(cè)到軌道上的應(yīng)答器從而確定列車的位置。通過(guò)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)查找它們的位置，并測(cè)量自前一個(gè)探測(cè)到的應(yīng)答器起，已走的距離。列車車載設(shè)備通過(guò)雙向無(wú)線通信向軌旁設(shè)備報(bào)告本列車的位置。按照廣佛線的設(shè)計(jì)，該線的無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)具備，在隧道中的2個(gè)相鄰接入點(diǎn)之間可運(yùn)行2列車。

2．硬件數(shù)量相對(duì)減少，施工維修也更為簡(jiǎn)單。無(wú)線CBTC系統(tǒng)中軌旁的設(shè)備只有軌旁無(wú)線單元、軌旁接入點(diǎn)。同時(shí)，列車占用檢測(cè)系統(tǒng)也集成到系統(tǒng)中，以保護(hù)工程車和非通信列車。較少的軌旁設(shè)備意味更簡(jiǎn)單的維護(hù)過(guò)程和更低的生命周期成本。且系統(tǒng)擴(kuò)展性能好，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有擴(kuò)展和改造靈活的特點(diǎn)，這使得今后對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和更改作業(yè)比較簡(jiǎn)單。

3．傳輸方式更為優(yōu)越。傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)軌道電路實(shí)現(xiàn)地面控制系統(tǒng)向列車傳輸信息的單向傳輸。而無(wú)線CBTC系統(tǒng)不依靠軌道電路檢測(cè)列車位置和向車載設(shè)備傳遞信息，它是利用無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)軌旁與車載ATP/ATO之間的直接信息交換，完成對(duì)列車的控制。無(wú)線CBTC系統(tǒng)可提供雙向高速大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，信息傳輸獨(dú)立于軌道電路，受外界各種物理因素干擾小，運(yùn)行可靠。

4．系統(tǒng)的靈活性強(qiáng)和安全性高。無(wú)線CBTC系統(tǒng)，能夠有效處理不同速度、制動(dòng)性能及長(zhǎng)度的列車，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出列車不能完成預(yù)期性能的故障，從而使系統(tǒng)或者調(diào)度員及時(shí)做出反應(yīng)，調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀況。

3.2 缺點(diǎn)

1．無(wú)線系統(tǒng)室外設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定問(wèn)題。室外設(shè)備經(jīng)常損壞。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，處于室外的無(wú)線網(wǎng)卡經(jīng)常由于環(huán)境因素的影響出現(xiàn)問(wèn)題，不能正常發(fā)送無(wú)線信號(hào)，造成列車丟失無(wú)線信息影響運(yùn)營(yíng)。

2．頻率干擾。頻率干擾問(wèn)題分為同頻干擾和鄰頻干擾。其中，同頻干擾是指無(wú)用信號(hào)的載頻與有用信號(hào)的載頻相同，并對(duì)接收同頻有用信號(hào)的接收機(jī)造成的干擾。鄰頻干擾是指干擾臺(tái)鄰頻道功率落入接收鄰頻道接收機(jī)通帶內(nèi)造成的干擾。頻率干擾問(wèn)題是無(wú)法徹底根除的，只有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貏澐诸l率，并不斷引入最新或更合適的抗干擾技術(shù)，才能將干擾問(wèn)題減少到最小。

3．軟件維護(hù)問(wèn)題以及工程協(xié)調(diào)配合問(wèn)題。軟件維護(hù)制約著系統(tǒng)的可用性，有些公司在合同談判或者投標(biāo)的時(shí)候，隱含詞語(yǔ)，回避軟件維護(hù)工作，造成后續(xù)設(shè)備維護(hù)單位工作被動(dòng)。甚至需要大量投入，還要影響正常運(yùn)營(yíng)。這就需要我們從多方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇供貨廠家時(shí)要慎重，考慮服務(wù)意識(shí)比較好的供貨商，這樣有利于系統(tǒng)的調(diào)試開(kāi)通和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

總之，相對(duì)于傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)，無(wú)線CBTC系統(tǒng)以更短的行車間隔，更少的硬件數(shù)量，更為簡(jiǎn)單的施工維修，更為優(yōu)越的傳輸方式，更高的靈活性和安全性等優(yōu)勢(shì)將在城市軌道交通中發(fā)揮更大的作用，代表了城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

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