城市軌道交通CBTC系統數據通信子系統的設計

姜鵬

摘要：城市軌道交通信號系統是支持城市交通運行的重要部分，目前軌道交通線路已經使用基于通信的CBTC系統對列車運行進行控制。CBTC系統可以依托于大容量的連續雙向信號通信來確保軌道交通列車的運行狀態信息、控制信息，并對信息進行穩定傳輸。數據通信子系統可謂CBTC系統的核心模塊，用以實現地面設備與站點設備、車載設備之間的數據交互。數據通信子系統應用深入，涉及范圍廣，面對的環境多變復雜，如果該系統出現問題，則導致故障或者事故，給正常運營帶來損失。科學合理、安全可靠的數據通信子系統設計意義重大。

關鍵詞：城市軌道交通;CBTC;數據通信子系統

當前城市軌道交通高速發展，很多研究都在為軌道交通列車運行的控制系統設計提供支持。列車的控制、調度、管理、運營都與列車控制系統密不可分。近年來，人們對于CBTC控制系統的研究越發深入，并將其廣泛應用到城市軌道交通運行控制中，來支持城市軌道交通的日常運行。研發出有效、有力、穩定、安的城市軌道交通運行控制系統是適應我國當前城市化建設需要的，可以提高城市軌道交通的效率和運輸能力，對安全保障也起到重要的作用。數據通信子系統可謂CBTC控制系統的核心，連接各個子系統，傳遞數據和控制信號。其中車載控制器VOBC可以與控制中心完成通信，進行制動、車門控制、牽引等工作，并對冒進、車門狀態等情況進行安全監督，確保軌道交通列車安全穩定運行。

1? CBTC系統概述

CBTC列車控制系統可按照功能對模塊進行劃分，主要由列車自動監控系統、聯鎖子系統（CI）、自動駕駛系統（ATO）、自動防護系統（ATP）、數據通信子系統幾個模塊組成[1]。CBTC城市軌道列車控制系統的主要工作是根據前面列車的位置和狀態，對后面列車的行進情況進行實時控制，確定后面列車的運行距離和運行速度。前后車之間的數據傳遞須持續不間斷，持續實時進行授權更新。在CBTC軌道列車運行控制系統中，無須預先將前后車距離加以設定，在運行過程中，可以通過前面列車的位置和速度來確定兩者之間保持多大距離，后車位置根據前車狀態確定。兩列車之間要不間斷地更新授權，確保兩列車一直處于安全間隔運行。這樣的調節屬于動態調節，能夠讓整個列車運行系統獲取更大效率和運能。CBTC系統框架如圖1所示。

2? 數據通信子系統設計

2.1設計要求

數據通信子系統設計要求須滿足一系列信息（軌道線路、列車速度、前路狀況、前方列車距離、車站信號、列車序列號、司機序列號、車載設備的狀態、列車所處位置的信息、車門信息、車站狀態、列車是否停穩、運行調整信息）與控制中心進行信息傳輸。使用的數據通信子系統是由有線網絡與無線網絡共同構成的，根據冗余網絡配置原則進行網絡配置。骨干網絡由軌道交通專有傳輸設備和交換設備構建。在信號系統中，軌道列車的車載系統要與控制中心進行無線通信，通過WLAN實現，設備直接接入交換機，與光纜和軌旁無線設備連接。數據通信子系統控制列車權限運行的數據管理，建立數據管理平臺，確保車輛信息在各層級設備之間都可以進行暢通的交互。

數據通信系統所采用的架構為：軌道旁埋設了有線網絡，是由接入網和骨干網共同構成的。骨干網由傳輸設備、交換機構成。接入網則負責連接入通信設備，完成數據的通信傳輸。通過骨干網的各節點將數據通信傳輸設備接入。接入網主要是接入交換機，負責將CBTC系統的列車自動控制子系統（ATS）中的設備會接入骨干網中。軌道列車的車載設備和控制中心的通信設備均為冗余設置。軌道交通車輛段的有線傳輸網和節點連接，形成具有自愈能力的網絡結構，確保骨干網各個節點之間的數據傳輸。為了保證車輛段的數據通信是連續的，車輛段的咽喉處、出入段場線、列檢庫等位置采用無線覆蓋模式。

從技術指標、性能要求的層面來看，無線網絡采用的是開放式IP標準，要求數據通信范圍內固定子系統與移動子系統可進行信息傳輸。系統采用的數據傳輸技術、網絡技術、計算機技術等需要符合通行標準，在傳輸的速度、頻帶、誤碼率、調制解調方式等方面符合國內統一標準[2]。

2.2有線通信系統設計

有線通信子系統包括骨干網與接入網。骨干網將外部系統的設備接入本地網絡，把正接入設備可實現數據互通，所有系統連接成整體，接入網將分布于軌道側的接入點連接入網絡，讓有線網絡和無線網絡相連接，實現數據互通互聯。

骨干網采用的是基于SDH技術的多線程解決方案，保證通信可靠性，依賴光纖保護。SDH在關鍵節點處都會配置多套單板作為冗余備用。一個單板故障，另一個單板可以完成通信工作，整個系統不受影響。為了避免故障，骨干網需要保證隨時可用和可靠性，需要滿足設備冗余、鏈路冗余兩個標準：在設備冗余方面，控制中心與其他系統的通信是非常重要的，其通信暢通與否關系到整個系統的調控。

數據通信系統的接入網由以太網交換機和光電轉換器構成，將設備連接到有線網絡之中，實現數據共享。骨干網中設有專用的LAN，LAN可以訪問設有SDH節點的車站，這些車站與以太網的交換機共同組成接入網，接入網可與其他設備連接，進行數據交換。每個業務需要有足夠的通信容量支撐，并且互相獨立，各司其職。

2.3無線通信系統設計

無線通信網絡的接入點設置與接入點作用相關。接入點是車載通信設備和軌旁設備進行信息交換的設備，要保證信息可以準確實時傳輸。接入點沿著軌道路線以一定距離分布，確保即使是臨近接入點失效了，信號仍然可以完整覆蓋。AP之間要保證無縫切換。接入點分布的影響因素還和連接閾值、定向天線漫游有關。

無線單元布置，基于以下原則：完全冗余，以及軌道內外完全無線覆蓋。

如圖2所示，天線在信號設置上采取冗余設置的目的在于，相鄰節點的信號覆蓋區域有互相重疊的部分的，信號覆蓋整個網絡。冗余方式可以保證無線信號全覆蓋，并且避免某個節點出現故障時信號中斷。

無線通信系統的調制技術要求整個系統具備以下優越性：系統的抗干擾能力強，即使是處于隧道環境中，無線通信也可以通過多徑效應保證數據傳輸。而無線通信子系統是利用寬帶業務進行數據傳輸的，其傳輸速率更高。進行拓展時，容易受到干擾，要考慮引入均衡算消除碼間干擾。系統要保證頻帶利用率高。軌道交通系統的數據通信子系統，采用OFDM系統，各頻帶存在重疊，可以提高頻帶利用率，而頻帶之間又互不干擾，在接收端可以通過解調方式恢復信號，保證信息正確傳輸。整個系統的結構較為簡單，節省資源，成本較低。寬帶系統在通信過程中要求較高，實現難度也更大，成本投入較高。而OFDM系統不需要引入復雜的均衡器，承載的數據量較大。大量數據在不同信道傳輸時，可以用插入前綴來避免干擾。OFDM系統比較容易實現，成本也會更低[4]。

2.4通信系統安全

VOBC和軌道旁設置的控制器都屬于安全部件，可以通過數據通信系統進行穩定安全的數據通信工作，但是數據通信系統屬于非安全系統。節點和節點之間的聯通是安全系統。安全系統或設備在生成報文過程中會在報文里加入冗余碼、序列號，用驗證報文鑒定準確性。對冗余碼和徐磊好的鑒定可通過安全型設備來完成，避免非安全型設備的影響。

軌道旁的安全設備由配備了OPENBSD系統的計算機和加密軟件構成。每個集中站配備了兩臺安全型設備，保證傳輸可靠性。車載加密設備是專用的解密工具，每輛列車配備兩臺安全型設備。每個子系統都可以由加密設備進行保護。所有設備均達到冗余要求，形成安全連接。如圖3所示。

加密性是整個系統安全的重要保障，關系到數據傳輸的安全性。智能交通控制系統建立網關，與外界的軟件連接，系統與外界系統也會存在信息互通。智能控制系統的協議和標準是開放的，為其他應用程序提供服務鑒定。為了保證數據準確，每個連接到數據通信系統的應用都要配置加密器，安裝在端口與程序之間。當數據是正確的，則可以進行傳輸，否則錯誤的數據就會被清除。

結語：上文介紹了CBTC城市軌道交通運行控制系統與數據通信子系統的設計思想，結構和功能。數據通信子系統從功能出發滿足設計需求，針對當前數據通信子系統有線網絡與無線網絡，網絡安全管理問題等進行了研究。數據通信子系統對于整個CBTC系統來講是非常重要的，應不斷完善系統設計，保證網絡安全，實現數據的穩定、實時、準確傳輸，為城市軌道交通系統提供保障。

參考文獻：

[1]尹榮玲.基于城軌CBTC系統中數據通信子系統的分析研究[J].中國新通信，2018，20（04）：19.

[2]張雯柏，朱文發，李立明，閆冰，唐穎棟，馮晨.上海地鐵10號線車地無線通信受擾分析[J].上海工程技術大學學報，2015，29（01）：43-48+56.

[3]欽臻文.數據通信子系統在城市軌道交通CBTC系統中的作用解析[J].科技展望，2015，25（06）：11.

[4]孫路.無錫地鐵2號線CBTC數據通信子系統簡析[J].現代城市軌道交通，2013（03）：4-7.