城市軌道交通信號系統中的無線通信

楊 浩

貴陽市城市軌道交通集團有限公司 貴州 貴陽 550000

城市軌道交通信號系統是“信號、聯鎖、閉塞”的總稱,是由各類信號顯示、軌道區段檢測設備、道岔轉轍裝置等主體設備及其他有關附屬設施構成的一個完整的體系,以“故障-安全”為原則,用于列車進路控制、列車間隔控制、調度指揮、信息管理、設備工況監測及維護管理等。

其主要功能有：

(1)保證列車運行安全；

(2)擴大線路通過能力；

(3)提高運營組織效率；

(4)實現行車指揮和列車運行現代化；

(5)降低職工工作力度等。

1 CTBC系統

為保證列車的運行安全,同一個區域內不得駛入兩列以上的列車,這就是閉塞,它是城市軌道交通列車運行安全的基本要求。

在信號系統中,閉塞方式由很多種,其中空間閉塞方式可以分為：固定閉塞、準移動閉塞(邏輯/虛擬閉塞)、移動閉塞；移動閉塞的定義是線路沒有被固定劃分的閉塞分區,列車間的間隔是動態的、并隨前一列車的移動而移動,該間隔是按后續列車在當前速度下的所需制動距離、加上安全裕量計算和控制的,確保不追尾,制動的起始和終點是動態的,對列車的控制一般采用一次拋物線制動曲線的方式。隨著城市軌道交通運營密度、速度和客流的快速增長,基于通信的列車控制(CBTC)移動閉塞是最佳的列車自動控制系統。

近年來國內城市軌道交通信號系統都采用基于無線通信的移動閉塞制式CBTC,各信號系統承包商所要實現的功能是一致的,其系統組成方式基本相同,只是實現車、地雙向通信技術方案和手段不同。

2 車-地無線通信

CBTC可以使用多種的車-地雙向通信系統,目前我國主要使用無線自由波、波導管、漏纜或三種互相組合的傳輸方式。

2.1 車-地無線參數要求 根據現有軌道交通運營現狀,為保證CBTC系統車-地之間實現高速、實時、雙向的連續通信,通常設置冗余的兩張網絡,且每張網絡均應滿足以下要求：

(1)高速性能

列車時速達到120 km/h時,車-地無線網絡仍能滿足列車運行控制對信息傳輸時延、丟包率、越區切換時間和場強覆蓋率的要求。

(2)傳輸時延

在不考慮數據包丟失的情況,從發送方發出信息到接收方收到信息之間的信息傳輸時延不大于150ms。

(3)無線傳輸速率

DCS系統所支持的平均車、地信息傳輸速率不低于1Mbps。

(4)丟包率

車頭、車尾單側的丟包率小于1%。

(5)接收信號強度

采用無線自由波傳輸信息時,AP覆蓋范圍內接收信號強度高于-65d Bm的概率不低于95%。

(6)切換時間

車載無線設備漫游切換時間的平均值低于100ms,漫游時間不超過150ms的概率不低于95%。

2.2 車-地無線抗干擾要求 根據城市軌道交通運營環境進行分析,其可能存在以下干擾源：

(1)同頻干擾；

(2)多徑干擾；

(3)諧波和雜波干擾；

(4)電磁干擾等。

針對上述各種干擾源,車地無線通信在頻率選擇、信道選擇和系統設計方面營進行充分考慮,可采用相應抗干擾措施來減少和避免外界的其他干擾。

(1)無線鏈路預算；

(2)使用高增益定向天線；

(3)頻率分集與雙頻冗余；

(4)空間分集；

(5)濾波裝置設計；

(6)自動重傳協議等；

2.3 車-地無線網絡安全要求 車-地無線網絡作為信號系統的專用通道,其各種終端、設備的部署、組網設計均合理有效,與互聯網(Internet)不作任何連接,信息的內容、流向、格式均有嚴格定義和要求；根據信號系統對城市軌道交通運營的影響范圍,信號系統的網絡安全保護等級應為三級,其車-地無線通信應滿足三級等保的要求；車-地無線可采用以下保證安全的措施：

(1)有效管理無線網絡的SSID；

(2)過濾MAC地址；

(3)過濾協議；

(4)分配IP；

(5)AES加密等。

3 車-車無線通信

信號系統是城市軌道交通安全、有效運營的保障,基于車-地無線通信的的列車控制系統(CBTC)主要由地面區域控制器(ZC)獲取現場信息,計算列車的移動授權,發送至車載控制器(VOBC),控制列車的運行；隨著信號系統的發展以及5G無線通信技術的完善,對信號系統的運營靈活性有了更高的要求,傳統的CBTC系統接口過于復雜,某種程度上不利于維護,且設備數量多導致車-地無線通信數據流量大,難以進一步縮短通信延時,所以基于車-車通信的列車控制系統將成為今后城市軌道交通信號系統的主流。

基于車-車通信的列車控制系統將由車載控制器(VOBC)獲取其他列車的信息,同時控制道岔的轉換以及計算自身的移動授權,對無線通信的質量要求很高,而5G移動通信超高速率、超低延時、超大容量的特點,能夠滿足車-車通信的數據傳輸要求,基于車-車通信的列車控制系統也將在此基礎上會快速發展。