組合傳輸在城軌信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

荊偉

長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，中國(guó)·吉林 長(zhǎng)春 130000

信號(hào)系統(tǒng)是行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)，在城市軌道交通運(yùn)行管理過程當(dāng)中，為了保證車輛的安全運(yùn)行，要對(duì)車載信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格的管理控制。因此，維護(hù)和管理城市軌道交通車輛的車載信號(hào)系統(tǒng)是一項(xiàng)十分重要的工作，列車保持可靠通信是保證行車安全的重要前提。在中國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中，通常選擇空間WLAN 與LTE 兩種信號(hào)傳輸方式。論文圍繞組合傳輸在中國(guó)城軌信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開了分析探討。

組合傳輸；城軌信號(hào)系統(tǒng)；應(yīng)用研究

1 引言

近年來(lái)，國(guó)鐵和城軌路網(wǎng)不斷建設(shè)，城市空間與城市內(nèi)混合運(yùn)行需求顯現(xiàn)。目前，現(xiàn)有將區(qū)域內(nèi)城際鐵路、市郊鐵路、支線或資源開發(fā)性鐵路整合經(jīng)營(yíng)，作為連接城鎮(zhèn)組團(tuán)間大運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)的趨勢(shì)，有必要對(duì)國(guó)鐵和城鐵交互運(yùn)輸中除換乘方式外的跨線運(yùn)行方式進(jìn)行相關(guān)分析與探討。

2 城軌通信的重要性以及組合傳輸?shù)膽?yīng)用背景與優(yōu)勢(shì)

2.1 城軌通信的重要性

城軌通信的目的就是為了提升城市軌道交通運(yùn)行的安全系數(shù)，為人們帶去安全性能更高的現(xiàn)代化便捷交通方式?，F(xiàn)階段，中國(guó)大多數(shù)城市的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行定期的維護(hù)，以保證其設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。許多城市為了保證車載信號(hào)的正常運(yùn)行，不但會(huì)采用定期維修模式對(duì)軌道信號(hào)進(jìn)行維護(hù)，還會(huì)采用事后的維修模式來(lái)對(duì)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效的處理。就現(xiàn)階段中國(guó)城市軌道交通車載信號(hào)維護(hù)與管理的情況來(lái)看，在技術(shù)方面還存在著很多不足。由于中國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)還不成熟，核心技術(shù)由西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握，因此在對(duì)城軌車載信號(hào)設(shè)備進(jìn)行維修管理的過程當(dāng)中，需要對(duì)各種設(shè)備的具體特征進(jìn)行區(qū)分。雖然設(shè)備使用的時(shí)間越長(zhǎng)，其發(fā)生故障的趨勢(shì)特征會(huì)更加的穩(wěn)定，但是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)涉及到的內(nèi)容是非常多的，所以無(wú)法很好的把握其故障發(fā)生的規(guī)律性。此外，就城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障情況來(lái)看，其故障產(chǎn)生原因還是由于沒有實(shí)現(xiàn)良好的車地通信，從而導(dǎo)致列車在運(yùn)行時(shí)，相關(guān)的控制工作存在很大的盲區(qū)，導(dǎo)致地面控制指令無(wú)法快速準(zhǔn)確的被列車所接收，因而也就無(wú)法保障城軌列車的安全性[2]。良好的車地通信既是保證城市軌道列車安全運(yùn)行的必要前提，也是提高城軌列車行車效率的重要保障。

2.2 組合傳輸?shù)膽?yīng)用背景與優(yōu)勢(shì)

城軌列車在運(yùn)行過程當(dāng)中，由于會(huì)受到軌道電路分?jǐn)喑潭人萍s，因此無(wú)法很好的確定其準(zhǔn)確位置。在中國(guó)傳統(tǒng)的城軌列車信號(hào)系統(tǒng)中，采用的各種設(shè)備，如應(yīng)答器、信號(hào)機(jī)等，無(wú)法保證連續(xù)的車地雙向通信，而不連續(xù)的通信會(huì)造成列車在運(yùn)行過程當(dāng)中，其控制工作存在一定的盲區(qū)，從而導(dǎo)致列車的實(shí)時(shí)位置運(yùn)行狀況不能夠被地面工作人員及時(shí)的獲知[3]。傳統(tǒng)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行安全的方面還存在著技術(shù)方面的不足，因?yàn)檫@種信號(hào)傳輸方式為了達(dá)到行車的安全目的，就只能通過降低列車的運(yùn)行速度以及增大列車的運(yùn)行間距來(lái)實(shí)現(xiàn)，這無(wú)疑降低了中國(guó)軌道交通列車的行車效率。然而，在保持車地通信連續(xù)的情況之下，要想精準(zhǔn)的獲知列車的實(shí)時(shí)位置，那么只需要保證信號(hào)傳輸?shù)膸捵銐虼?，傳輸速度足夠快就可以?shí)現(xiàn)。當(dāng)城軌列車與地面之間的通信能夠保持不間斷時(shí)，地面工作人員就可以及時(shí)的獲知列車的相關(guān)信息，而列車也可以及時(shí)的接收與回饋地面給出的控制指令，從而使列車運(yùn)行的安全性得以提高，同時(shí)，也不會(huì)使列車的行車速度與行車間距受到過分的約束，大大提升城市軌道交通列車的行車效率。近些年來(lái)，中國(guó)通信技術(shù)水平越來(lái)越高，而城市軌道交通列車車載信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)，無(wú)線通信技術(shù)在軌道運(yùn)營(yíng)信號(hào)系統(tǒng)當(dāng)中的使用使得信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)步入了連續(xù)自動(dòng)化時(shí)代[4]。當(dāng)前中國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的利用無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)了列車與地面之間的雙向連續(xù)通信。無(wú)線通信技術(shù)改變了低速的通信帶寬，降低了車地通信的成本，基于無(wú)線局域網(wǎng)的空間WLAN 與LTE 傳輸組合而成的信號(hào)傳輸模式，推動(dòng)了中國(guó)城市軌道交通通信技術(shù)水平的大幅提升。

3 組合傳輸方式介紹

3.1 國(guó)鐵與城軌信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式差異分析

對(duì)國(guó)鐵和城軌信號(hào)系統(tǒng)的各系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者系統(tǒng)功能分配、邏輯處理等方面也存在差異，主要表現(xiàn)在:第一，國(guó)鐵和城軌信號(hào)系統(tǒng)車載ATP 指示內(nèi)容和顯示方式類似，主要包括速度、計(jì)劃、監(jiān)控類信息，在兩者都以較高等級(jí)列控制式、均以車載ATP 指示行車時(shí)其對(duì)司機(jī)的指導(dǎo)差異不大；但在較低等級(jí)列控制式、需按地面顯示指示列車運(yùn)行時(shí)，兩者在地面信號(hào)顯示方式、自動(dòng)閉塞概念方面存在較大差異。第二，國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)由于機(jī)車/動(dòng)車組交路范圍廣泛，線路全部數(shù)據(jù)均由地面存儲(chǔ)，地面向車載發(fā)送包括目標(biāo)距離、目標(biāo)速度的移動(dòng)授權(quán)MA，由車載ATP 計(jì)算出控車曲線；城軌列車由于運(yùn)行范圍不大，車載設(shè)備保存有其走線范圍內(nèi)的地面線路靜態(tài)數(shù)據(jù)，地面向車載發(fā)送移動(dòng)授權(quán)時(shí)給出其線路路徑方向、目標(biāo)點(diǎn)位置等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，由車載設(shè)備根據(jù)定位、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)信息，計(jì)算出控車曲線。由于線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及MA 獲取方法不同，國(guó)鐵和城軌車地信息通信內(nèi)容、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)格式也不相同，目前兩者遵循的規(guī)范和報(bào)文格式并不相同。第三，國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)將安全防護(hù)距離設(shè)在信號(hào)機(jī)外方、城軌信號(hào)系統(tǒng)將安全防護(hù)距離設(shè)在信號(hào)機(jī)內(nèi)方，這導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)安全防護(hù)距離的防護(hù)措施不同，地鐵CI 系統(tǒng)需額外對(duì)安全防護(hù)距離所在區(qū)段進(jìn)行相應(yīng)的鎖閉/解鎖防護(hù)。第四，城軌信號(hào)系統(tǒng)將ATO 的功能集成入信號(hào)系統(tǒng)，而國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)將ATO 作為相對(duì)獨(dú)立單元、可選配置。城軌ATO 使用的控車信息、車地信息通道保持統(tǒng)一；國(guó)鐵信號(hào)ATO 目前使用的控車信息來(lái)源于ATP 信息來(lái)源不同，使用的車地信息通道也不同，增加了系統(tǒng)的軟硬件開銷和復(fù)雜度。此外，城軌對(duì)折返、關(guān)門/站臺(tái)門等的自動(dòng)化水平要求更高，城軌信號(hào)系統(tǒng)對(duì)該方面的適應(yīng)性功能更多。

3.2 設(shè)備層面的互聯(lián)互通方式初探

從技術(shù)發(fā)展方向角度看，系統(tǒng)間功能和技術(shù)融合有利于國(guó)鐵和城軌系統(tǒng)各自的進(jìn)步，為國(guó)鐵和城軌間的互聯(lián)互通創(chuàng)造條件，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互換以提升各類資源利用效率，能適應(yīng)未來(lái)鐵路區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)跨區(qū)整合運(yùn)營(yíng)的要求。

從國(guó)鐵和城軌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式差異分析可以發(fā)現(xiàn)，如果實(shí)現(xiàn)設(shè)備層面國(guó)鐵和城軌系統(tǒng)的互聯(lián)互通，較為可行的方式是選擇兩類系統(tǒng)中差異相對(duì)較小的、基于無(wú)線通信的方式進(jìn)行車地通信的CTCS－3/4 和CBTC 進(jìn)行互連，近期排除非技術(shù)因素可首選基于LTE 的通信方式；列車定位技術(shù)可采用衛(wèi)星定位方式。國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)的列控設(shè)備集成度可進(jìn)一步加強(qiáng)，以減少信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)設(shè)備間的接口、簡(jiǎn)化系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)合關(guān)系；城軌系統(tǒng)采用和國(guó)鐵系統(tǒng)類似的地面地圖信息存儲(chǔ)方式以，以適應(yīng)機(jī)車交路范圍更廣的要求，城軌系統(tǒng)相關(guān)報(bào)文格式與CTCS 報(bào)文格式相統(tǒng)一。國(guó)鐵信號(hào)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)可比照城軌信號(hào)系統(tǒng)統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，車載設(shè)備與列車的接口可統(tǒng)一到繼電+MVB 總線方式。國(guó)鐵系統(tǒng)采用與城軌系統(tǒng)相同的ATP/ATO 車地信息一體化處理方式，避免地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)重復(fù)配置和數(shù)據(jù)通道的多重設(shè)置。

3.3 無(wú)線 AP 的分布分析

在軌道邊的設(shè)置的無(wú)線AP 能夠接受或者發(fā)送所有已經(jīng)經(jīng)過誰(shuí)的信息，但是當(dāng)工作的這一點(diǎn)共覆蓋率提升到了一個(gè)極限后，車載的電臺(tái)便會(huì)與另外的AP 進(jìn)行工作。只有在軌道旁邊設(shè)置了合理的AP 布置方案后，才能有效保證信號(hào)在傳送與接受過程中具有較好的效果。因此，在方案的制定上，一定要綜合的考慮地形，周邊的環(huán)境以及對(duì)AP 進(jìn)行維護(hù)時(shí)的條件等。另外，為了能夠進(jìn)一步的控制多徑效應(yīng)所造成的影響，在AP 的設(shè)置上又需要提升其設(shè)置的密度，但是AP 密度的提升勢(shì)必會(huì)影響到隧道內(nèi)信號(hào)的反射，所以在設(shè)置的過程中，需要對(duì)這兩方面進(jìn)行綜合的考慮，以保證AP 的設(shè)置位置處于最佳。

3.4 組合傳輸?shù)臒o(wú)線覆蓋范圍分析

針對(duì)不同的外界環(huán)境，需要因地制宜的進(jìn)行無(wú)線覆蓋范圍的設(shè)計(jì)。對(duì)于城軌來(lái)講，主要可以分為高架與隧道兩個(gè)方面。其中，在高架段，主要使用的是波導(dǎo)管技術(shù)，而在聯(lián)系段，則主要使用的是空間自由波技術(shù)。這主要是因?yàn)樵诟呒軈^(qū)域，由于會(huì)受到較多的外界干擾，同時(shí)漏纜能夠十分方便的裝在水泥道床上，從而有效的保證了在高架區(qū)域上無(wú)線傳輸?shù)目煽啃?。?duì)于隧道來(lái)講，由于其并不會(huì)受到外界太多的干擾，可以較為方便的完成空間自由波的安裝所以可以選擇在隧道中使用空間自由波技術(shù)。而對(duì)于停車場(chǎng)等位置，也可以使用空間自由波技術(shù)以有效的節(jié)約成本，保證通信的可靠.

3.5 對(duì)外接口方案設(shè)計(jì)

由于信號(hào)系統(tǒng)的子系統(tǒng)較多，每個(gè)子系統(tǒng)的對(duì)外接口形式也都不同。例如，與ATS 系統(tǒng)可采用以太網(wǎng)接口，使用非涉安的私有協(xié)議。但是CI 和ZC 均屬于SIL4 的系統(tǒng)，針對(duì)這類安全至關(guān)重要的系統(tǒng)，很可能只具備采用安全協(xié)議才能進(jìn)行以太網(wǎng)信息交互的條件。故常見有以下兩種接口方案。

接口方式一：大數(shù)據(jù)平臺(tái)分別跟各個(gè)子系統(tǒng)接口，子系統(tǒng)接口之間進(jìn)行進(jìn)程隔離或者線程隔離。這種方式適合無(wú)信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程。優(yōu)點(diǎn)是可靠性較高，單個(gè)子系統(tǒng)接口的故障不影響其他接口信息的采集。缺點(diǎn)是接口開發(fā)工作量大，需要單獨(dú)跟各子系統(tǒng)接口定制協(xié)議。

接口方式二：大數(shù)據(jù)平臺(tái)只跟信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口。由維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與各子系統(tǒng)接口，然后維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將其他子系統(tǒng)接口信息轉(zhuǎn)發(fā)至大數(shù)據(jù)平臺(tái)。優(yōu)點(diǎn)是接口形式簡(jiǎn)單，開發(fā)和部署工作量小，缺點(diǎn)是可靠性相對(duì)較差，接口一旦故障則會(huì)丟失所有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，筆者在論文中對(duì)其進(jìn)行了全面的剖析，希望能夠給予大家一些啟發(fā)。城市軌道交通信息系統(tǒng)是保證行車安全的重要設(shè)備，在列車運(yùn)行的過程當(dāng)中，必須要保持和地面的良好通信，加強(qiáng)行車控制，才能夠有效的規(guī)避行車風(fēng)險(xiǎn)，減少作業(yè)事故的發(fā)生率。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，通過將空間自由波和漏纜傳輸模式結(jié)合而成的組合傳輸方式，大大的提高了中國(guó)城市軌道交通列車與地面通信的質(zhì)量和通信效率。