地鐵信號系統網絡安全

【摘 要】城市發展的加快，經濟的提升，車輛越來越多，交通擁堵成為隱患。地鐵作為一種安全、可靠、節能、環保的公共交通工具，是解決城市交通擁堵的首選。隨著地鐵的大規模建設，地鐵信號系統也成為了關鍵信息基礎設施，它的網絡安全關乎公眾利益。

【關鍵詞】地鐵;信號系統

1 緒論

近些年來，地鐵在生活中的使用也越來越廣泛，地鐵運行的安全也受到了極大的重視。作為確保地鐵列車安全運行和高效率運行的關鍵系統，信號系統應該要具備有較高的安全性，可靠性和可用性。本文主要探討的是地鐵信號系統網絡安全系統的組成部分。

1.1 研究背景及意義

隨著通信和互聯網技術潮流的襲來，傳統通信行業也得到了更加快速的發展，眾所周知CBTC系統是軌道交通控制系統中最常用的通信方式。CBTC系統與其他傳統的依賴軌道電路向車載設備傳輸數據的制式不同，它是通過與軌道兩側的信號傳輸設備來進行無線通信的，然后列車和車站接地來實現信號傳輸模式，CBTC系統是一個移動阻塞系統。

1.2 國內外研究現狀

國外的CBTC系統研究和使用都比較的早，以美國及加拿大鐵道協會共同研究的ATCS（Advanced Train Control System，先進列車控制系統）為例子，這個系統從上世紀80年代就開始進行了理論研究，90年代進行了階段性的測試，最終它在20年代取得了實際的效果。先進的列車控制系統測量列車的速度，測量距離，并且通過GPS定位列車的位置信息，速度信息，然后通過后臺系統進行數據分析和整理達到列車控制的效果。

2 地鐵信號系統

城市軌道交通信號系統通常由列車自動控制系統（Automatic Train Control，簡稱ATC）組成，ATC系統包括了三個子系統：

列車自動監控系統（Automatic Train Supervision，簡稱ATS）列車自動防護子系統（Automatic Train Protection，簡稱ATP）列車自動運行系統（Automatic Train Operation，簡稱ATO）

這三個子系統是通過信息交換網絡過程閉環系統，實現對地面控制與車上控制相結合、現地控制與中央控制相結合，構成一個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調整以及列車駕駛自動化等功能為一體的列車自動控制系統。

2.1 典型CBTC系統

CBTC系統（Communication Based Train Control System）是一個移動障礙系統。它是將列車線路分解成為若干個的交通單元，并根據了實際情況調整每個單元的長度。通過地面控制中心與車載設備之間的連續通信，則可以獲得列車的識別，位置和速度，從而實時的實現列車的運行狀態。通過計算機分析計算得出安全的行車區間，盡可能縮短兩車之間的距離，盡可能的提高工作的效率。

CBTC系統使用的是IEEE 802.11系列協議。CBTC系統的無線網絡由車載無線設備和在線無線AP（接入點）組成，實現車輛與地面之間的雙向通信。為了保證傳輸信息的安全性，系統中的無線設備應該具備備份和升級的功能。

CBTC系統的特點就是利用無線通信代替傳統的軌道電路進行數據的傳輸，從而實現對列車的實時控制。CBTC系統使用車載單元和軌道之間的TCP/IP協議和以太網接口。

2.2 CBTC系統傳輸方式

2.2.1 天線傳輸方式

天線傳輸模式是通過軌旁無線AP接收和傳輸列車的信息。車載設備負責收集道路狀況無線AP等交通信息或實時接收軌道AP發送的列車控制信息并實時的傳輸;無線網絡包括軌道無線AP，光電轉換器和軌旁交換機。并通過軌旁切換到控制中心總線，最后到達控制中心;控制中心是通過核心交換機連接到控制中心交換機的ATS（自動列車監控系統）總線。這樣可以實時的處理車載設備發送的數據，并且在分析處理后通過無線網絡發送給車載系統。

2.2.2 漏纜覆蓋方式

漏電同軸電纜也被稱為漏電電纜，簡稱漏纜。絕緣介質在潮濕的環境下傳輸衰減小，傳輸性能穩定，保證了系統長期可靠的使用。電纜覆蓋方法基本上與裂紋波導的覆蓋相同，并且傳輸模式也類似。來自汽車天線的信號也可以通過插槽進入泄漏電纜，從而實現CBTC系統的雙向通信。漏電纜覆蓋模式具有更寬的工作頻帶，通常為450 MHz-2 GHz或者更高。

2.3 BSS網絡與ESS網絡

BSS（Basic Service Set，）與ESS（Extend Service Set，）是IEEE802.11標準下的兩種網絡拓撲結構。無線AP被設置為不同設備之間的中心站，設備通過訪問無線AP與外界通信。ESS網絡的主要特征是包含多個BSS網絡的通信，并且可以在各個中心站點之間切換。

在ESS網絡中，多個BSS被用作基本單元來形成無線網絡。可以滿足訪問有線網設備的需要。當火車沿著軌道行進時，它穿過各種BSS網絡并依靠列車上的WGB來檢測附近無線AP的距離和信號強度并選擇最佳通信。在成功連接到BSS網絡后，列車的行駛狀態信息通過WGB發送到無線AP，然后傳送到有線網絡的服務器。地面控制中心對列車所傳輸的數據進行分析處理，并通過無線AP將列車控制信息傳回列車，實現車輛與地面的雙向通信。

3.2 應對措施

在802.11標準中使用CSMA / CA機制。信號對地通信是“及時”的通信，允許數百毫秒，由于干擾允許有限的時間延遲。根據該機制，可以在車輛數據通信的系統設計中進行以下的改進。

3.2.1 采用DSSS直序擴頻技術的CBTC系統

1.當一個網絡受到影響時，另一個網絡仍然有效。特別是在抗干擾和頻率利用方面，使用無干擾雙通道可以同時降低兩種類型頻率受到MIFI干擾的可能性。

2.采用窄帶技術。通過減少原始信道占用的帶寬，可以獲得更高的功率譜密度，并且可以增加物理層以確定信道占用強度閾值。這使其更能抵御來自20-MHz帶寬MIFI和其他商用802.11無線設備的干擾。與此同時，CBTC系統還可以使用更多的物理獨立信道來減少窄帶信道占用的可能性，增加設計方案的靈活性和適應性。

3.使用無線電和地面子系統來增強車輛的前后屏蔽功能，例如駕駛室和駕駛室之間的隔板，以加強屏蔽措施。

基于這些改進后，CBTC系統還可以使用低端信道13+14雙頻，因為信道13目前相對比較空閑。

隨著民用通信技術的飛速發展，信號系統無線通信將面臨更大的挑戰。對于已經建成功并且通行的線路，建議是修改已經建成并通過線路的原始技術。新建好的道路可以考慮使用新的頻段或專有頻段。

除了上述技術上的措施我們還需要加強工作人員的安全意識，對工作人員的培訓落實，還要加強應急的演練培訓。并且要不定期的進行抽查演練。

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作者簡介：

李中原，1963.4，男，漢，河北秦皇島人，大學，高級講師，研究方向：鐵道信號。

（作者單位：江蘇省徐州技師學院）