城軌全自動運行系統(tǒng)車地通信制式研究

■ 肖衍

城軌全自動運行系統(tǒng)車地通信制式研究

■ 肖衍

分析全自動運行系統(tǒng)車地無線專用通信技術(shù)特點及新增需求，對我國主流的車地通信制式從可靠性、安全性、系統(tǒng)性能等方面進行比較，指出采用TD-LTE技術(shù)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)綜合承載是全自動運行乃至未來城市軌道交通專用移動通信網(wǎng)絡(luò)演進的方向；提出現(xiàn)階段車地無線通信綜合承載技術(shù)方案，展望其未來技術(shù)發(fā)展趨勢及工程應(yīng)用面臨的問題。

城市軌道交通；全自運行；車地通信；TD-LTE

1 全自動運行系統(tǒng)車地通信

全自動運行（FAO）是指將列車駕駛員執(zhí)行的工作完全交由自動化的、高度集中控制的列車運行系統(tǒng)完成，系統(tǒng)通常具備列車自動喚醒、啟動和休眠、自動出入停車場、自動清洗、自動行駛、自動啟停車、自動開關(guān)車門等功能，提高了軌道交通的整體自動化水平，可實現(xiàn)最佳化運行，代表未來軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向[1-4]。

全自動運行的核心是可靠性、安全性，而車地無線通信是全自動運行安全、可靠工作的前提和根本保證，無論是信號、車輛狀態(tài)、車載視頻監(jiān)控、乘客對中心的緊急語音呼叫，還是緊急文本和乘客信息系統(tǒng)（PIS）信息的下發(fā)都依靠車地通信實現(xiàn)列車控制、監(jiān)測和應(yīng)急處置。我國發(fā)展全自動運行技術(shù)，經(jīng)過了從引進技術(shù)到自主創(chuàng)新的發(fā)展歷程。2008年竣工的北京機場線引進阿爾斯通（信號）和龐巴迪（車輛）技術(shù)建造，其車地通信采用一套無線局域網(wǎng)（WLAN）系統(tǒng)集成了信號、PIS和車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）。上海地鐵10號線是全套引進阿爾斯通技術(shù)建造，車地通信采用2套WLAN系統(tǒng)，信號工作在2．4G頻段、PIS（含車載CCTV）工作在5．8G頻段。計劃2017年竣工的北京地鐵燕房線采用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的自動運行技術(shù)，車地通信以時分長期演進（TD-LTE）綜合承載信號、PIS、車載CCTV、緊急文本和車輛狀態(tài)信息。上述3個自動運行系統(tǒng)均采用TETRA無線數(shù)字集群實現(xiàn)專用無線調(diào)度電話功能，目前國內(nèi)還沒有實現(xiàn)對車地專用語音通信的綜合承載。

2 城軌交通全自動運行系統(tǒng)車地通信技術(shù)特點

2.1 車地無線專用通信業(yè)務(wù)

地鐵車地專用無線通信通常主要包括3類業(yè)務(wù)：第1類是為基于通信列車控制系統(tǒng)（CBTC）提供高可靠的車地通信鏈路，以完成列車的移動授權(quán)和安全防護；第2類是聯(lián)接車輛駕駛室與控制中心、車輛基地的語音通道，以實現(xiàn)列車調(diào)度和應(yīng)急處置；第3類提供中心對車輛的PIS信息下發(fā)及車載視頻監(jiān)控圖像的上傳。針對這3類業(yè)務(wù)，通常采用3套獨立的通信系統(tǒng)分別為每一類業(yè)務(wù)提供服務(wù)：一套2．4G頻段的WLAN系統(tǒng)為CBTC提供車地通信；一套2．4G頻段的WLAN系統(tǒng)為車載PIS系統(tǒng)和車載CCTV服務(wù)；一套TETRA800M無線數(shù)字集群提供車地語音服務(wù)，也能支持小量緊急文本信息的下發(fā)。依靠頻點的合理規(guī)劃、漏纜和天線方向的調(diào)整、協(xié)調(diào)無線AP的安裝位置等方法，減少系統(tǒng)間的相互干擾和系統(tǒng)內(nèi)部同頻干擾。

2.2 全自動運行系統(tǒng)車地通信的新需求

地鐵運營于相對狹小封閉的地下空間內(nèi)，人員密集，屬于易受攻擊與破壞的敏感區(qū)域。傳統(tǒng)駕駛模式下，在車輛客室內(nèi)安裝視頻監(jiān)控攝像頭，列車司機及時了解車廂內(nèi)情況。但全自動運行模式下，運行自動化程度提高，司機職能向設(shè)備和控制中心轉(zhuǎn)移，由控制中心實現(xiàn)車輛調(diào)度，列車自動運行。為保證車輛的安全可靠運行，全自動運行系統(tǒng)中，軌道交通通信系統(tǒng)需要為控制中心調(diào)度人員提供運行車輛前方、內(nèi)部及沿線圖像。尤其是故障情況下，車輛需要在控制中心操作下進行蠕動模式行駛、進入待避線等，都需要視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行輔助。駕駛室需要增強對前方軌道的視頻監(jiān)控，在緊急情況下，輔助控制中心人員進行防災(zāi)救災(zāi)、疏導(dǎo)旅客等，也方便后期調(diào)查取證?？褪覂?nèi)攝像頭數(shù)量也應(yīng)有所增加，另外CCTV需要與車門旁的乘客應(yīng)急電話、緊急手柄及火災(zāi)煙感探測等裝置聯(lián)動，向控制中心主動推送事發(fā)地點的圖像，提升應(yīng)急處置的效率。

傳統(tǒng)駕駛模式下，車輛駕駛室有2名乘務(wù)人員，在行車過程中如遇到緊急情況，如乘客突發(fā)疾病、車輛故障等，乘客可以向列車上乘務(wù)人員反應(yīng)問題，并由乘務(wù)人員采取相關(guān)措施，與就近車站或控制中心聯(lián)系，采取相應(yīng)應(yīng)急措施。實現(xiàn)全自動運行后，原來乘務(wù)人員與乘客進行信息溝通的職能轉(zhuǎn)移到設(shè)備和控制中心。為了實現(xiàn)乘客與控制中心的通話需求，全自動運行系統(tǒng)車輛需要增設(shè)應(yīng)急電話，使旅客能隨時和控制中心雙向通話（全雙工），車載臺設(shè)備具備自動檢測和報告、自動開機關(guān)機的功能。通信專業(yè)實現(xiàn)應(yīng)急電話車地無線通信的冗余。

在軌道交通運營中，車地無線通信承擔著車地列控通信、車地語音通信（含無線列調(diào)和車載應(yīng)急電話）、PIS多媒體通信（含車載CCTV）。由于采用全自動運行系統(tǒng)后，增加列車頭部監(jiān)視前方軌道及客室內(nèi)的車載CCTV功能后，需要更大的傳輸帶寬。 信號系統(tǒng)車地通信對可靠性、安全性要求更高，需要雙網(wǎng)冗余。車輛及車載設(shè)備喚醒時的自檢信息和運行過程中的診斷信息上傳也使信號系統(tǒng)對車地通信傳輸帶寬、質(zhì)量、可靠性提出更高要求?？傊壳败嚨責o線的帶寬受到一定限制，時延較長，其性能難以滿足全自動運行對車地通信的要求。全自動運行系統(tǒng)車地通信帶寬需求見表1。

表1 全自動運行系統(tǒng)車地通信帶寬需求

2.3 全自動運行系統(tǒng)車地通信技術(shù)特點

全自動運行模式下，更加強調(diào)系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用雙網(wǎng)冗余熱備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備冗余配置，防止單點故障引發(fā)的通信故障甚至系統(tǒng)癱瘓。對通信系統(tǒng)的安全性提出更高要求（含功能安全和信息安全）。清晨車輛喚醒階段，車載通信設(shè)備自檢故障會轉(zhuǎn)入故障處理和檢修模式，不允許投入正線運行；正在運行中的系統(tǒng)故障，視情況輕重采取救援、退出運營等相關(guān)措施。數(shù)據(jù)的存儲、空口傳送和處理過程采用加密、鑒權(quán)等相關(guān)措施保證數(shù)據(jù)完整性和信息安全。要求通信系統(tǒng)具有良好的性能，如更短的時延、更高的傳輸帶寬和傳輸質(zhì)量。對不同類型的業(yè)務(wù)傳送的優(yōu)先級不同，優(yōu)先保證列控信息傳送，其次是車輛狀態(tài)、語音，最后是PIS信息。從國內(nèi)外應(yīng)用的案例來看，車地通信朝著綜合承載集成多業(yè)務(wù)的方向發(fā)展，新加坡東北線為全世界第一條實現(xiàn)正線、車輛段全自動運行的重載地鐵線路，其車地通信采用一套無線系統(tǒng)集成了信號和車載視頻監(jiān)控。采用一套系統(tǒng)綜合承載，能夠有效避免系統(tǒng)間的相互干擾，軌旁設(shè)備較少，更進一步保證了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的集成度更高，可降低設(shè)備投資和運營成本，提高系統(tǒng)聯(lián)動的效率，有利于全自動運行的統(tǒng)一指揮和應(yīng)急處置[5-7]。

3 車地通信方案選擇

3.1 我國車地通信主要技術(shù)體制

車地專用無線通信包含W L A N、數(shù)字視頻廣播（DVB-T，含RailView）、TD-LTE等主要技術(shù)體制。

3.1.1 WLAN技術(shù)特點及應(yīng)用

基于I E E E802．11系列的無線通信系統(tǒng)，也稱WLAN，起初是作為有線局域網(wǎng)的延伸，正逐漸發(fā)展成為公共無線局域網(wǎng)。WLAN技術(shù)在帶寬上可滿足需求，但是在列車快速移動時，系統(tǒng)需要較大的控制信息開銷以克服因快速移動帶來的頻移、衰落；帶寬低，易受到外來系統(tǒng)干擾。目前國內(nèi)大多數(shù)軌道交通線路的信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)車地無線系統(tǒng)均采用WLAN技術(shù)。已開通的軌道交通線路主要采用802．11a、802．11g技術(shù)，承載業(yè)務(wù)滿足車地之間15M左右的帶寬需求。

3.1.2 DVB-T（含RailView）技術(shù)特點及應(yīng)用

DVB-T為靜止和移動用戶單向傳輸無線寬帶視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，滿足人們數(shù)字電視業(yè)務(wù)的需求。DVB-T采用碼分正交頻分復(fù)用（COFDM）的信道調(diào)制技術(shù)，同時通過糾錯碼達到頻譜利用效率與傳輸可靠性的平衡。RailView系統(tǒng)是國內(nèi)專門針對軌道交通PIS車地傳輸需求而開發(fā)的一套雙向DVB-T系統(tǒng)，雙向DVB-T技術(shù)在帶寬上可滿足需求。該技術(shù)在重慶和武漢軌道交通部分線路PIS車地無線傳輸系統(tǒng)建設(shè)中得到應(yīng)用，支持車地之間的語音業(yè)務(wù)。在10 MHz專用頻率無線頻率資源條件下，提供16 Mb/s業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)帶寬傳輸。

3.1.3 TD-LTE技術(shù)特點及應(yīng)用

TD-LTE采用我國擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的時分復(fù)用4G移動通信技術(shù)標準，目標是建立一個能夠獲得高傳輸速率、低時延，支持增強型多媒體廣播組播業(yè)務(wù)、基于包優(yōu)化的可演進的無線接入架構(gòu)。為了達到以上目標，TD-LTE系統(tǒng)采用接近于全IP化的扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，集成了適用于寬帶移動通信傳輸?shù)谋姸嘞冗M技術(shù)，如正交頻分復(fù)用（OFDM）、多輸入多輸出（MIMO）、混合自動請求重傳（HARQ）、自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)（ICIC）等。產(chǎn)品成熟度較高，可選擇范圍較大。鄭州地鐵1號線PIS車地無線傳輸系統(tǒng)采用TD-LTE技術(shù)同頻組網(wǎng)，系統(tǒng)使用10 MHz專用頻率資源（1 795～ 1 805 MHz）。上行規(guī)劃帶寬6 Mb/s，用于回傳視頻監(jiān)控圖像；下行規(guī)劃帶寬8 Mb/s，用于PIS車載圖像直播。

3.2 方案比較

WLAN技術(shù)成熟穩(wěn)定，可以減少工程實施的技術(shù)風險；設(shè)備成本低，有利于降低工程造價。使用2．4G公用頻段系統(tǒng)，容易受到外來系統(tǒng)（運營商Wi-Fi熱點、手機Wi-Fi熱點和藍牙等）干擾，深圳、重慶、成都等地都發(fā)生過影響運營的情況。區(qū)間AP部署密集達每200 m一個，越區(qū)切換頻繁，導(dǎo)致軌旁設(shè)備多、可靠性低、越區(qū)切換數(shù)據(jù)吞吐能力顯著下降。不支持多種業(yè)務(wù)的優(yōu)先級調(diào)度，高速移動性能差，目前在100 km/h以內(nèi)。從長遠來看，解決信號系統(tǒng)車地通信的安全性從根本上講還是需要采用專用頻段，以及更加先進的通信技術(shù)。2015年3月，工業(yè)與信息化部發(fā)布了《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》（工信部無［2015］65號）。該文明確指出1．8G頻段可用于交通（城市軌道交通等）領(lǐng)域。采用專用頻段的DVB-T或TD-LTE技術(shù)，能夠避免高架線路周邊電磁環(huán)境及地鐵自身PIS系統(tǒng)對信號系統(tǒng)的干擾，其傳輸帶寬能夠滿足全自動運行的需要。我國率先制定LTE寬帶集群（B-TrunC）標準，TD-LTE能夠支持多媒體集群調(diào)度功能，比DVB-T系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿Ω?，具有高帶寬、時延短、頻譜配置靈活、頻譜利用率高、良好的QoS等級調(diào)度，對高移動性的支持等優(yōu)點，能夠整合車地信號的列控信息、車地語音通信和PIS的車地多媒體通信，未來將使現(xiàn)在的3套系統(tǒng)為1套系統(tǒng)，無論是經(jīng)濟性還是可維護性都有很大改善。采用TD-LTE為代表的4G、5G技術(shù)實現(xiàn)多業(yè)務(wù)綜合承載，是全自動運行乃至未來城市軌道交通專用移動通信網(wǎng)絡(luò)演進的方向。

4 TD-LTE綜合承載方案

采用A、B網(wǎng)冗余組網(wǎng)，每個網(wǎng)絡(luò)均由核心網(wǎng)（EPC）及網(wǎng)管、基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠單元（RRU）、車載無線終端（TAU）組成。 在控制中心或車輛段通信設(shè)備室集中設(shè)置核心網(wǎng)設(shè)備EPC、路由器。通過路由器實現(xiàn)信號系統(tǒng)和PIS（含CCTV）系統(tǒng)業(yè)務(wù)的接入，同時實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的隔離和網(wǎng)絡(luò)安全需求。BBU設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機連接到EPC；通過CPRI協(xié)議連接到設(shè)置在軌旁和車輛段/停車場覆蓋區(qū)的RRU設(shè)備。BBU與RRU采用光纜連接方式，線路采用漏纜覆蓋，車輛段/停車場相關(guān)單體采用天線覆蓋。BBU設(shè)備可集中或分散設(shè)置。這種組網(wǎng)方案已經(jīng)于2014年6月在北京交通大學進行了室內(nèi)測試，同年8月在中國鐵道科學研究院城軌試驗線完成了外場測試，實驗結(jié)果表明綜合承載完全可行。

5 結(jié)束語

全自動運行軌道交通在我國已經(jīng)有了良好的開端，北京燕房線也在自主化系統(tǒng)集成、信號、基于TD-LTE的車地專用無線通信綜合承載、車輛裝備的研發(fā)和制造等方面取得了階段性成果。下一步還有許多工作要做，目前的集成方案還不包括語音，我國制定的LTE寬帶集群標準已經(jīng)成為ITU推薦的PPDR國際標準，B-TrunC空口關(guān)鍵技術(shù)成功推進到3GPP，在R13即將完成標準化。隨著寬帶集群技術(shù)的不斷完善，如何實現(xiàn)對語音通信的集成需要進一步探索。區(qū)域軌道交通逐漸興起，新一輪軌道交通建設(shè)高潮即將到來，以北京新機場線為例最高運行速度達到160 km/h，TD-LTE綜合承載在高速下的工程化應(yīng)用需要做好相關(guān)技術(shù)驗證。

[1] 肖衍，蘇立勇．全自動駕駛信號系統(tǒng)功能需求分析[J]．鐵道通信信號，2014(12)：39-42．

[2] IEC 62290-1 Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/VontrolSystems-Part 1：System Principles and Fundamental Concepts [S]．Geneva：IEC，2007．

[3] IEC 62290-2 Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems-Part 2：Functional Requirements Specification[S]．Geneva：IEC，2011．

[4] 肖衍，蘇立勇． 軌道交通全自動駕駛系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J]．中國鐵路，2015(5)：109-113．

[5] 趙有明，方鳴，劉濰清． 歐洲軌道交通技術(shù)類研究項目綜述[J]． 現(xiàn)代城市軌道交通，2014(1)：1-6．

[6] Annual World Report[EB/OL]． UITP．（2013-12-31）[2015-06-01]． http://metroautomation．org/wpcontent/uploads/2013/09/Annual-World-Report-2013．pdf．

[7] M GHANTOUS-MOUAWAD，WALTER SCH?N，JEAN-LOUIS BOULANGER，et al． Converting a conventional metro line into automated operation：identifying and managing the safety process of the traffic in migration phase[C]//IET System Safety，2006．

肖衍：北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，高級工程?師，北京，100068

責任編輯盧敏

U231

A

1672-061X（2016）06-0026-04

北京市科學技術(shù)委員會2014年科技計劃項目（D141100000814003）