基于PRP技術(shù)的車地?zé)o線通道冗余技術(shù)應(yīng)用研究

摘要：本文基于PRP（平行冗余協(xié)議，Parallel Redundancy Protocol）技術(shù)原理，對軌道交通信號系統(tǒng)車地通信無線通道冗余技術(shù)的應(yīng)用展開研究，尤其對該技術(shù)在真實地鐵運營線路——八通線的通州北苑至八里橋區(qū)間進行的動車測試進行詳細闡述，旨在驗證以PRP技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)車地通信雙鏈路承載CBTC業(yè)務(wù)，以期為城市軌道交通信號系統(tǒng)既有線路車地通信的改造和優(yōu)化提供重要的依據(jù)，并為同場景的地鐵信號系統(tǒng)項目提供參考。

關(guān)鍵詞：車地?zé)o線通道冗余技術(shù)；PRP；城市軌道交通信號系統(tǒng)；CBTC

一、研究背景

隨著通信技術(shù)的進步和發(fā)展，基于通信的列車運行控制（Communication-based Train Control， CBTC）成為城市軌道交通列控系統(tǒng)的主流。然而，由于CBTC運營場景復(fù)雜多變，無線通信鏈路極易受到電磁環(huán)境和惡劣天氣等環(huán)境條件的影響，使得無線通信服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生較大的變化，甚至影響到列車控制業(yè)務(wù)。實現(xiàn)信號DCS子系統(tǒng)車地?zé)o線通道冗余，對于保障列車的可靠、高效運行具有重要意義。因此，本項目的目的在于研究信號DCS子系統(tǒng)車地?zé)o線通道冗余技術(shù)，在既有2.4G-Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)不變的情況下，新增一套其他制式的無線網(wǎng)絡(luò)，將兩種不同制式的無線網(wǎng)絡(luò)共同用于車地通信，以增強車地?zé)o線系統(tǒng)的抗干擾能力與可用性。

二、研究內(nèi)容

本項目以“北京地鐵1－八通線通州北苑站－八里橋站區(qū)間”為示范，研究信號DCS子系統(tǒng)車地?zé)o線通道冗余并用技術(shù)，實現(xiàn)典型線路軌旁2.4G-Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)在新增EUHT無線網(wǎng)絡(luò)后的冗余并用，以提升北京地鐵八通線部分區(qū)段車地通信的抗干擾性能，降低信號系統(tǒng)故障率，提高運營效率。在依托PRP技術(shù)的基礎(chǔ)上，信號雙網(wǎng)在列車和控制中心各設(shè)置一套PRP設(shè)備，兩臺PRP設(shè)備之間同時連接兩條無線鏈路；在北苑－八里橋區(qū)間安裝EUHT基站設(shè)備。

PRP設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)雙發(fā)選收的功能。例如，當(dāng)車載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包給軌旁設(shè)備時，數(shù)據(jù)包到達車載PRP后會被復(fù)制為兩份，一份通過Wi-Fi發(fā)送，另一份通過EUHT發(fā)送；軌旁PRP設(shè)備會將最先接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給軌旁信號設(shè)備，將后收到的數(shù)據(jù)包丟棄。

軌旁信號設(shè)備給車載信號設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包時也采用相同的雙發(fā)選收機制。以單網(wǎng)為例，具體架構(gòu)如圖1所示。軌旁發(fā)給車載方向的數(shù)據(jù)包A經(jīng)過軌旁PRP設(shè)備后，PRP設(shè)備將數(shù)據(jù)包A分別通過既有Wi-Fi和EUHT鏈路傳輸?shù)綄Χ塑囕dPRP設(shè)備，對端車載PRP設(shè)備將兩條無線鏈路中先收到的一份數(shù)據(jù)包A轉(zhuǎn)發(fā)給車載終端。

三、應(yīng)用實例

在北京地鐵八通線（通州北苑－八里橋區(qū)間）現(xiàn)場環(huán)境中，驗證EUHT 5.8G及Wi-Fi 2.4G紅、藍網(wǎng)同時/分別進行車地通信傳輸時的性能指標是否滿足北京地鐵CBTC業(yè)務(wù)的車地通信傳輸需求。

（一）測試網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在PRP動車測試前，按照以下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖進行機房臨時網(wǎng)絡(luò)拓撲搭建，測試的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。

（二）測試交路

本次現(xiàn)場測試按照交路1和交路2的順序進行動車實驗。在執(zhí)行交路1之前，將實驗測試環(huán)境準備就緒。

交路1：土橋車輛段－gt;通州北苑下行站臺－gt; 管莊上行站臺－gt;果園上行站臺－gt;果園20G折返－gt;果園下行站臺－gt;通州北苑下行站臺－gt;八里橋下行站臺－gt;管莊上行站臺－gt;八里橋上行站臺－gt;通州北苑上行站臺－gt;果園上行站臺。

交路2：果園上行站臺－gt;果園20G折返－gt;果園下行站臺－gt;通州北苑下行站臺－gt;八里橋下行站臺－gt;管莊1/2#反位-gt;管莊上行站臺－gt;八里橋上行站臺－gt;通州北苑上行站臺－gt;果園上行站臺。

（三）測試內(nèi)容

1.無線場強測試

測試EUHT覆蓋區(qū)域的無線場強的指標，包括覆蓋邊緣場強RSSI；執(zhí)行區(qū)間為交路1和交路2。

EUHT無線車地?zé)o線通信系統(tǒng)滿足以下指標：

覆蓋邊緣場強RSSI不低于-75dBm;

2.端到端車地通信質(zhì)量測試

（1）當(dāng)測試列車按照交路1行駛至果園下行站臺時，斷開車載PRP設(shè)備至EUHT的物理鏈路，通過端到端工具測試Wi-Fi2.4G單鏈路時的車地通信性能指標。

測試預(yù)期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（2）當(dāng)列車按照交路1折返后回到通州北苑下行站臺后，恢復(fù)車載PRP設(shè)備至EUHT車地通信物理鏈路，同時斷開車載PRP至車載modem的物理鏈路，通過IxChariot測試EUHT單鏈路時的車地通信性能指標。

測試預(yù)期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（3）當(dāng)測試列車按照交路2由通州北苑上行站臺繼續(xù)行駛一圈至通州北苑上行站臺后，恢復(fù)車載PRP至車載modem的物理連線，通過IxChariot測試EUHT和Wi-Fi2.4G雙鏈路時的車地通信性能指標。

測試預(yù)期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（4）雙鏈路倒切測試，即不同頻次的重復(fù)4.4.2.1和4.4.2.2的操作，驗證在EUHT和Wi-Fi2.4G雙鏈路交替倒切的過程中，驗證列車通信質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性指標。當(dāng)列車從僅Wi-Fi2.4G信號覆蓋區(qū)域行駛過渡至EUHT信號覆蓋區(qū)域時（先確定車載ESU是否入網(wǎng)），即從果園下行站臺行駛至通州北苑下行站臺期間，車載將PRP至MRE的M12連接線斷開，通過IxChariot測試鏈路倒切時的車地通信性能指標。當(dāng)列車駛出EUHT覆蓋區(qū)域前（ESU脫網(wǎng)前），需恢復(fù)已拆除的連線，通過IxChariot測試鏈路倒切時的車地通信性能指標。

測試預(yù)期：列車行駛過程中無EB；吞吐量（100kbps）、最大時延（≤150ms）、最大丟包率（lt;1%）。

（5）連續(xù)斷掉區(qū)間的3個EUHT軌旁基站設(shè)備，驗證列車從EUHT覆蓋區(qū)域行駛至連續(xù)EUHT基站的斷開區(qū)域，列車EUHT網(wǎng)絡(luò)丟失通信；當(dāng)列車駛出EUHT軌旁基站中斷區(qū)域后，列車恢復(fù)EUHT車地通信網(wǎng)絡(luò)。

測試預(yù)期：Wi-Fi2.4G網(wǎng)絡(luò)車地通信無中斷，列車在行駛過程中不EB。

（四）測試結(jié)果

1.無線覆蓋測結(jié)果符合要求，強度都大于-75dBm。

2.車地通信質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，如表1所示。

從上表可以看出，在PRP方案的傳輸模式下，利用EUHT 5.8G及Wi-Fi 2.4G紅、藍網(wǎng)同時或分別進行車地通信傳輸時的性能指標均符合預(yù)期，滿足北京地鐵CBTC業(yè)務(wù)的車地通信傳輸需求。

四、結(jié)束語

通過PRP方案疊加Wi-Fi和EUHT兩種無線通道，為每條車地通信鏈路同時提供兩種不同制式的無線通道，在一種制式的無線鏈路故障情況下，仍可以用另一個無線鏈路傳輸，實現(xiàn)信號應(yīng)用的“無縫”切換，從而大幅提升車地通信的可用性。軌旁新增EUHT無線網(wǎng)絡(luò)可僅在Wi-Fi系統(tǒng)不穩(wěn)定的區(qū)域設(shè)置；PRP方案可在兩條不同制式的無線鏈路間無縫切換，支持線路部分區(qū)域單制式網(wǎng)絡(luò)覆蓋、部分區(qū)域雙制式網(wǎng)絡(luò)覆蓋的方式。本次八通線通州北苑至八里橋區(qū)間的動車試驗測試成果為提升北京地鐵車地通信系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量提供了重要技術(shù)支撐，將為既有線路車地通信的改造和優(yōu)化提供重要的依據(jù)，具有很高的實用價值和推廣應(yīng)用前景，將在一段時期內(nèi)為既有無線系統(tǒng)建設(shè)優(yōu)化和補強的改造起到規(guī)范及指導(dǎo)作用。

作者單位：陶賓賓 北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司

王輝 卡斯柯信號有限公司

王繼承 京投新岸線技術(shù)有限公司

陳吉 北京地鐵運營技術(shù)咨詢股份有限公司

參考文獻

[1]楊震.基于PRP提升CBTC車地?zé)o線通信可靠性的方案研究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2023（9）：83-86.

[2]王壯.城市軌道交通信號系統(tǒng)車地?zé)o線冗余方案探究[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2022（10）：56-61.

[3]董國良.論EUHT技術(shù)特點及在北京地鐵的應(yīng)用[J].智慧軌道交通，2022（6）：77-81.

[4]郭敏.淺析EUHT在地鐵無線中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（28）：23-23.

[5]姜博.基于EUHT的鐵路站車WiFi車-地通信系統(tǒng)測試方案設(shè)計[J].鐵道通信信號，2017（2）：70-73.

[6]簡捷.基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2018，42（2）：76-83

[7]湯春燕.上海地鐵泰雷茲CBTC系統(tǒng)車地通信故障原因及對策[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2021（4）：83-88.

[8]代繼龍.新一代CBTC系統(tǒng)方案研究與關(guān)鍵技術(shù)探索[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2016，13（6）：41-44.

[9]顧裕.城市軌道交通車地?zé)o線通信的應(yīng)用初探[J].當(dāng)代化工研究，2017（12）：144-145.

陶賓賓（1986-），男，北京，本科，信號工程師、中級網(wǎng)絡(luò)工程師；

王輝（1987-），男，北京，本科，工程師；

王繼承（1988-），男，北京，本科，信息系統(tǒng)項目管理師（高級）、PMP，研究方向：軌道交通車地?zé)o線通信技術(shù)、EUHT無線通信技術(shù)；

陳吉（1981-），男，北京，本科，高級經(jīng)濟師，注冊咨詢工程師。