地鐵信號系統(tǒng)通信控制技術研究

李曉芳

(哈爾濱地鐵集團有限公司運營分公司，哈爾濱 150000)

軌道交通建設投入成本大，運營方式復雜，日常管理中需要運用先進的通信技術。地鐵信號系統(tǒng)通信技術又稱為CBTC，是一個連續(xù)的列車自動控制系統(tǒng)，該技術系統(tǒng)具有獨立性，依靠感應環(huán)線、里程計、測速雷達等各種傳感器獲得列車相對位置信息和速度信息，將CBTC技術應用于軌道交通，可有效監(jiān)控所有列車。CBTC系統(tǒng)的主要結構如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)的組成和結構分布

CBTC技術的優(yōu)點是系統(tǒng)更加簡潔?？刂浦行脑O備是CBTC系統(tǒng)的核心，從功能上看，該系統(tǒng)許多功能已形成了閉環(huán)，無須進行重復分析。該系統(tǒng)十分靈活，無須額外增加設備，可支持雙向運行，實現(xiàn)多條交叉路線的統(tǒng)一管控，可對復雜的運行情況進行同步處理，實現(xiàn)列車的節(jié)能運行。

1 CBTC技術通信子系統(tǒng)架構設計

1.1 地面骨干網(wǎng)設計

地面骨干網(wǎng)由很多個以太網(wǎng)構成，主要功能是給各個不同的子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道，確保數(shù)據(jù)傳輸安全。骨干網(wǎng)采用并行通信方式，當數(shù)據(jù)在傳輸過程中遇到兩個傳輸通道時，也不會相互干擾，從而降低了風險。當使用SDH進行組網(wǎng)時，DCS系統(tǒng)都會設置節(jié)點連接。為保證骨干網(wǎng)安全，一般采用環(huán)狀結構，使用二纖雙向復用段設計，從而減少節(jié)點故障發(fā)生，確保骨干網(wǎng)和其他設備之間的高效通信。

1.2 有線接入網(wǎng)設計

有線接入網(wǎng)主要由路由器和以太網(wǎng)交換機構成，同時和CBTC系統(tǒng)的其他設備連接，主要功能是完成IP數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)傳輸，一般是點到點或端到端的方式?？梢詾榱熊囘B續(xù)不斷地提供數(shù)據(jù)通信，移動性較好，在CBTC系統(tǒng)中發(fā)揮了很大的作用。

1.3 無線通信網(wǎng)設計

為確保軌道交通的正常運行，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定，除了有線網(wǎng)絡外，無線通信系統(tǒng)也是必不可少的。CBTC系統(tǒng)中的無線設備有很多，包括AP、無線通道設備、車載設備等。AP負責確保車載設備和無線通道設備之間的通信穩(wěn)定，同時和有線接入網(wǎng)的另一端相連，有線網(wǎng)則和地面骨干網(wǎng)相通，形成一條完整的通信鏈路。為防止發(fā)生意外，如數(shù)據(jù)丟包等，AP一般采用的間隔為300 M左右，確保列車高速運行中數(shù)據(jù)的實時傳輸和系統(tǒng)的無縫切換。

由圖2可知，為了避免無線單元在使用時出現(xiàn)故障，造成整體傳輸網(wǎng)崩潰，一般情況下，AP都是由兩條無線單元協(xié)同工作，將風險降到最低。為減少故障的恢復時間，列車上都有兩個以上的AP通信客戶端。為減少無線傳輸中的損耗，天線應采用質量高、信號接收強的材料，一般安裝在車體上方，且每輛車都有獨立的車載通信IP。

圖2 無線通信網(wǎng)設計

2 CBTC關鍵技術

2.1 無線快速切換技術

為了讓列車更加高效地行駛，快速切換技術不可或缺。AP在越區(qū)切換時，所要花費的時間一般是500 ms～2 s。如果普通列車按照120 km/h的時速行駛，那么AP在越區(qū)切換時，會有65 m左右的行駛區(qū)間處于無斷開系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)這種情況，將會造成十分嚴重的交通安全事故，所以無線快速切換技術應運而生，該技術可以在區(qū)域切換時確保數(shù)據(jù)不丟失，保證列車安全運行。

如一段隧道長度為300 m，API1和API2可以覆蓋列車的公共區(qū)域。當列車高速運行到API1區(qū)域時，可以和API1保持相關的數(shù)據(jù)連接，當運行到公共區(qū)域時，列車依然可以使用API1進行數(shù)據(jù)交互，同時API還要建立與API2數(shù)據(jù)的連接。當列車運行到API2時，能直接與其連接，并進行數(shù)據(jù)傳輸，不用等待API1斷開。這樣可以將切換時間縮短到50 ms之內(nèi)，確保列車高速運行時的實時通信。

2.2 高可靠性技術

CBTC技術采用雙網(wǎng)冗余設計，通信系統(tǒng)與車載網(wǎng)絡設備等又有物理隔離，不同的傳輸系統(tǒng)、通電系統(tǒng)相互獨立運行，可共同監(jiān)控列車，保證列車的正常行駛。

網(wǎng)絡內(nèi)部冗余拓撲：通常情況下，骨干網(wǎng)由光纖將SDH設備連接。如果骨干網(wǎng)在實際使用中出現(xiàn)問題，SDH網(wǎng)絡可以用最短的時間開啟切換，避免因網(wǎng)絡傳輸問題造成事故。車站處的交換機一般是兩條千兆以上的鏈路，同時與第三條鏈路連接，進行數(shù)據(jù)交換。該設計將第三個交換機作為備用機，一旦使用中的交換機出現(xiàn)誤差或故障，備用的單臺交換機就可以隨時投入使用，避免數(shù)據(jù)中斷。軌道上的AP會主動連接主備控制器，主備控制器能夠通過網(wǎng)絡自行同步信息，即使中心設備主備控制器發(fā)生問題，網(wǎng)絡間的通信還能夠正常進行，不會導致全網(wǎng)列車癱瘓。CBTC系統(tǒng)中，工作人員根據(jù)相關標準來測量AP間距，以保證AP間距不會超出可覆蓋區(qū)域的半徑，使前后AP都可以將負責的區(qū)域覆蓋上。有線通信設備和無線通信設備都在統(tǒng)一的平臺上進行操控，使用該平臺，可以對所有設備進行檢修、排查、定位，在最短的時間內(nèi)找到問題并進行修復，降低維修成本，確保軌道交通正常運行。

CBTC技術靈活方便、安全高效、成本低廉，可廣泛應用于軌道交通，雖然還存在一定的不足，但今后將會越來越完善。