上海城市軌道交通信號系統(tǒng)車地通信演進研究*

朱 俊 陶小婧 張 郁 曾貴華

(1.上海申通地鐵集團有限公司， 201103， 上海； 2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海；3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院， 200240， 上海∥第一作者， 工程師)

1 車地通信系統(tǒng)概述

CBTC(基于通信的列車控制)已經成為目前城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流方式。CBTC系統(tǒng)中的列車控制主要通過車地無線通信設備與軌旁系統(tǒng)設備進行信息的交換和傳遞來實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的傳輸，而管理這個信息傳遞過程的系統(tǒng)就是信號的車地通信系統(tǒng)。車地通信系統(tǒng)對于CBTC系統(tǒng)極其重要，城市軌道交通線路沿線包括車站、車輛段、運營控制中心等區(qū)域都被其覆蓋到。

CBTC系統(tǒng)對通信技術的可靠性及無線信息的傳輸效率要求非常高，要求MTBF(平均故障間隔時間)大于2×105h，可用性指標大于99.999%。雖然DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))在設計階段一般均采用了雙套冗余結構，可有效防止網(wǎng)絡發(fā)生單點故障，但是一旦發(fā)生通信故障或傳輸效率降低等情況，可能會導致中央控制信息的中斷，直接影響整個CBTC系統(tǒng)的運行，屬于城市軌道交通運營的致命風險點，也是故障的零容忍環(huán)節(jié)。

由于車地通信系統(tǒng)網(wǎng)絡采用的是無線傳輸模式，在實際運營中難以避免存在無線通信信號的衰減、丟失和受干擾等情況，由此可能會導致1輛或多輛列車發(fā)生EB(緊急制動)，或因區(qū)域網(wǎng)絡失效導致運營模式降級等情況的發(fā)生，最終導致列車運行晚點、運輸效率下降。發(fā)生嚴重的車地無線通信故障時，不僅僅會影響城市軌道交通系統(tǒng)的正常運營，甚至可能威脅到乘客的人身財產安全。本文提出建立雙制式車地通信系統(tǒng)的方案，以保證城市軌道交通信號系統(tǒng)能穩(wěn)定、安全、高效地運行。

2 車地通信系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀

車地通信系統(tǒng)網(wǎng)絡主要是通過設置在軌道旁的大量無線接入點與車輛上的車載無線單元設備進行數(shù)據(jù)交互。無線通信的故障主要集中為信號數(shù)據(jù)的丟包問題、延時瓶頸問題及信號干擾問題。

現(xiàn)階段上海城市軌道交通的無線通信網(wǎng)絡采用共用的2.4 GHz及1.8 GHz頻段。2.4 GHz頻段屬于非授權頻段，由于終端智能技術的發(fā)展及同頻無線產品的大量使用，壓縮了CBTC車地通信系統(tǒng)的使用空間，對CBTC系統(tǒng)的正常運行造成了很大的影響。為了確保CBTC系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，上海城市軌道交通在近階段信號系統(tǒng)大修改造的5號線、新建的15號線和18號線、在建的14號線均采用了1.8 GHz通信LTE (長期演進)系統(tǒng)，用以承載CBTC的無線通信業(yè)務。正在改造的上海軌道交通2號線，其新增CBTC系統(tǒng)的無線通信也采用了1.8 GHz的LTE系統(tǒng)。現(xiàn)有車地通信系統(tǒng)無線制式的具體使用情況如表1所示。

表1 上海城市軌道交通車地通信無線制式的使用現(xiàn)狀

3 車地通信系統(tǒng)現(xiàn)有問題分析

3.1 信號無線通信問題分析

3.1.1 Wi-Fi(無線保真)的現(xiàn)有問題

上海城市軌道交通線網(wǎng)的CBTC系統(tǒng)中，除了2號線、5號線、14號線、15號線、18號線外，其他線路的車地通信系統(tǒng)都是基于2.4 GHz頻段，并通過軌旁無線單元均勻分布在正線、車輛段、試車線中。隨著無線技術的發(fā)展及普及，各種同頻用戶激增，城市軌道交通的外部干擾源日益復雜，各類安全隱患也逐漸顯現(xiàn)。城市軌道交通使用Wi-Fi技術承載車地通信的無線業(yè)務，缺乏有效的抗干擾機制，容易受到外界的干擾，導致使用安全性降低。

此外，上海軌道交通線路6號線、7號線、8號線、9號線、11號線采用的第一代CBTC系統(tǒng)都基本達到了使用年限，部分電子器件的老化也導致無線通信的性能退化，且存在無線覆蓋能力降低、車載通信故障頻發(fā)等問題，對這些線路的日常運營尤其對早晚高峰的運營產生了一定的影響。因此，這些線路車地通信的可靠性和可用性亟需提高。

3.1.2 LTE技術可能面臨的問題

與Wi-Fi技術相比，LTE 技術有了非常大的改進，特別是具有專用頻段、不易受干擾等優(yōu)點，在一定程度上緩解了外界對城市軌道交通信號無線通信的干擾。但是，移動場景下的無線通信干擾仍難以避免。LTE無線通信面臨的干擾大致可分為系統(tǒng)內干擾和系統(tǒng)外干擾2部分，其中：系統(tǒng)內干擾主要來自于同頻鄰區(qū)干擾，LTE系統(tǒng)一般會通過功控算法、IRC(干擾抑制合并)等技術來控制和消除外來干擾，因此在系統(tǒng)設計完善的情況下，此類干擾的影響不大；系統(tǒng)外干擾一般指來自于LTE系統(tǒng)外部的干擾。對于LTE來說，1.8 GHz頻段的制約主要來自上海無線電管理委員會對無線資源上的分配。國家工業(yè)和信息化部〔2015〕65號《工業(yè)和信息化部關于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》中明確，1.8 GHz頻段不僅可用于軌道交通，還可用于民航、電力、石油等行業(yè)，軌道交通使用1.8 GHz頻段中只有5 MHz為軌道交通地面、高架線路區(qū)間專用，其余15 MHz為行業(yè)共用頻段，由此可能會發(fā)生因附近如民航、電力、石油等其他行業(yè)系統(tǒng)較強同頻無線信號的干擾而引起城市軌道交通無線接收設備接收靈敏度降低的情況，最終導致無法解調信號，發(fā)生車地通信中斷。

另外，因為受限于LTE頻寬資源，LTE網(wǎng)絡傳輸業(yè)務帶寬通常比較小，無法將車輛CBTC系統(tǒng)日志、車輛狀態(tài)統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)實時上傳到地面服務器。目前除了12號線、13號線、16號線使用Wi-Fi無線定時上傳外，其他線路仍采用人工進行數(shù)據(jù)復制的方式。由于列車夜間集中停放在車輛基地，且隨著城市軌道交通智能運維技術的發(fā)展，使得車載日志數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)及車載視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)大量增加，導致LTE單網(wǎng)無法承載大量的數(shù)據(jù)并發(fā)。

3.2 信號無線干擾的典型案例

本文給出1個車地通信受干擾的典型案例，用以說明無線干擾對運營的影響。2020年7月1日，因受干擾信號影響，上海軌道交通9號線洞涇站—佘山站上下行區(qū)段突發(fā)車地通信故障，列車降級限速至20 km/h通過該區(qū)段，多列車出現(xiàn)迫?，F(xiàn)象。維護單位采用了重啟信號環(huán)網(wǎng)中無線AP (接入點)板、重啟環(huán)網(wǎng)交換機、插拔網(wǎng)線等方式，均無法解除該故障。對洞涇站的站臺、站廳、地面等多處進行無線干擾測試后發(fā)現(xiàn)存在類似高斯白噪聲干擾，該干擾嚴重影響了2.4 GHz無線頻段的通信質量。后通過軌旁環(huán)網(wǎng)抓包分析和洞涇站的無線干擾測試，最終確定這次影響列車通信的故障根源為外部寬帶強干擾，致使洞涇站—佘山站上下行區(qū)段的列車通訊中斷，使列車在該區(qū)段無法正常運行。該故障發(fā)生期間，9號線的徐家匯站、漕河涇開發(fā)區(qū)站先后啟動了三級客流應對措施，故障共計造成5 min晚點13列次、清客15列次。

3.3 設備維護中面臨的問題

無線通信技術正處于快速革新階段，從4G(第4代移動通信技術)的全面覆蓋、5G(第5代移動通信技術)的逐漸應用到6G(第6代移動通信技術)的初步研究，歷時不滿10年，而且新一代制式的更新迭代周期明顯短于上一代的換代周期。但對于軌道交通行業(yè)而言，往往在線路開通運營后15年甚至更長的時間才進入信號系統(tǒng)的大修改造階段。這15年的運營期內，可能會發(fā)生因建設時所使用的無線通信技術被淘汰而導致前代甚至是前前代無線通信設備停產停修、備品備件缺失的情況，進而導致無法滿足設備的后續(xù)維護需求、因無備件更換而無法快速解決故障等問題。

此外，由于上海城市軌道交通線網(wǎng)中不同線路所處的規(guī)劃與建設階段有所不同，10余條線路存在很多的通信制式問題，也不利于后續(xù)通信系統(tǒng)的擴展及線路間的互聯(lián)互通。

4 車地通信系統(tǒng)的建議方案

針對上文提到的幾個問題，本文提出建立LTE-M和Wi-Fi雙制式車地通信系統(tǒng)的方案，即：針對車地通信建立2種無線制式的通信系統(tǒng)，以確保信號車地通信系統(tǒng)在至少有1個成熟穩(wěn)定的技術使用情況下，還有1個全新的技術模式作為冗余。雙制式的設計確保了單個無線系統(tǒng)在受到干擾發(fā)生故障時不會影響到另1個制式的無線系統(tǒng)。無論哪個制式的通信設備發(fā)生故障，理論上都不會導致通信的中斷或延時，因而不會影響整個信號系統(tǒng)的正常運行。而且，通過采用新技術，也解決了無線通信技術發(fā)展快引起的相關問題，保證在信號大修前該線在建設時所采用新的技術設備還未被淘汰，也不會面臨備品備件缺失的問題。大修改造時，先對較舊制式的車地通信系統(tǒng)設備進行更新改造，以減少大修改造期間的運營管理風險。

基于上海城市軌道交通的既有線網(wǎng)和新建線路的實際，本文將信號車地通信系統(tǒng)的雙制式方案分為更新改造及新線建設2部分進行具體分析。

4.1 既有線路的更新改造方案

針對上?，F(xiàn)有的城市軌道交通信號系統(tǒng)，其更新改造應著重提升系統(tǒng)的可靠性及可實施性，并適應技術的發(fā)展，滿足后續(xù)長期高效運營的需求。車地通信系統(tǒng)的更新改造首先需要通過更換無線覆蓋的設備，消除同頻、臨頻干擾導致車地通信質量不穩(wěn)定的問題。

對于采用Wi-Fi系統(tǒng)進行車地通信的線路，車地通信系統(tǒng)可以在保留原Wi-Fi系統(tǒng)架構的基礎下，更換信號無線覆蓋設備，并增加1套LTE 車地通信網(wǎng)絡。通過冗余配置，形成Wi-Fi系統(tǒng)和LTE-M系統(tǒng)共同組網(wǎng)的狀態(tài)。由此不僅可在大修改造期間保證設備不間斷運營及數(shù)據(jù)正常通信，還通過雙頻段組網(wǎng)實現(xiàn)了冗余，即使1個頻段的所有信道和帶寬都被干擾信號堵塞，另1個頻段仍然能夠維持正常的車地通信，從而降低車地通信通道的故障率，基本杜絕受同頻、臨頻干擾導致通信質量不穩(wěn)定的情況，在整體上提升了車地通信系統(tǒng)的可靠和可用性，最終實現(xiàn)信號系統(tǒng)對運營的零干擾。

車地通信系統(tǒng)在保留既有CBTC 骨干網(wǎng)設備的同時，增加支持LTE-M車地通信的骨干網(wǎng)設備，并增設有線骨干網(wǎng)設備，確保線網(wǎng)的雙制式冗余狀態(tài)。如圖1所示，雙制式信號車地通信系統(tǒng)的設備包括適用于Wi-Fi與LTE-M的2套軌旁無線設備與車載，即RRU(射頻拉遠單元)、AP、OBRU(車載無線單元)。通過軌旁光纖骨干網(wǎng)鏈接車站、停車場/定修段、運營控制中心的網(wǎng)絡和骨干網(wǎng)交換機。新的網(wǎng)絡將整體采用多重冗余網(wǎng)架構，確保CBTC系統(tǒng)所有軌旁設備都與信號車地通信系統(tǒng)相連。新增無線環(huán)境監(jiān)測設備，搭建LTE-M和Wi-Fi的雙無線架構，使每列車均有4條無線鏈路和軌旁進行數(shù)據(jù)交互，最終形成冗余的車地通信網(wǎng)絡架構。

注：I/O——輸入/輸出。

4.2 新建線路的建設方案

對于新建線路的車地通信系統(tǒng)，建議采用最新的通過驗證的系統(tǒng)和硬件，以全方位地提升系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護性。在目前的技術條件下，車地通信系統(tǒng)宜采用LTE-M和Wi-Fi雙冗余架構綜合承載線路信號及通信專業(yè)系統(tǒng)的多個業(yè)務，如CBTC系統(tǒng)、PIS(乘客信息系統(tǒng))、車載視頻監(jiān)控等，以進一步控制工程建設成本。通過采用2套不同的通信制式，使之成為雙無線系統(tǒng)，各自獨立工作，從而達到2種制式之間的完全隔離且互為冗余。

隨著通信技術演進，5G已在運營商網(wǎng)絡中大規(guī)模部署。與4G網(wǎng)絡相比，5G網(wǎng)絡的傳輸帶寬更大，傳輸時延更小，在海量物聯(lián)、信息傳遞可靠性、安全性等性能也有較大突破。5G的逐漸成熟，也使其在城市軌道交通中的應用范圍有所拓寬，使用場景逐漸增加。近期上海城市軌道交通已考慮通過使用運營商的5G網(wǎng)絡來進行傳輸CBTC車載系統(tǒng)日志、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)實時上傳到地面服務器的試驗，后續(xù)將從基于5G的移動視頻監(jiān)控及定位等方面入手，驗證借助5G網(wǎng)絡作為信號數(shù)據(jù)通信傳輸通道的可行性。因此，鑒于現(xiàn)有2.4 GHz Wi-Fi使用的局限性，在5G成熟的條件下，后續(xù)新線的建設可以考慮采用LTE-M+5G的雙冗余架構。新線車地通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構和具體建造要求與更新改造線路基本一致，相較于更新改造線路，新線需要在新增LTE架構的同時新建Wi-Fi或5G的架構。

未來城市軌道交通無線傳輸將考慮采用更先進的通信技術，其雙制式可進一步向LTE-M+5G雙冗余推進，甚至采用LTE-M+6G或5G+6G，以雙冗余的狀態(tài)實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)演進。

5 結語

雙制式車地通信系統(tǒng)的使用，既可提升系統(tǒng)的應用性、靈活性及互聯(lián)互通性，提高傳輸速率，增強傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，也可在一定程度上避免使用新技術可能帶來的風險。這種具備高可用性的雙制式無線通信系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)“純凈”的CBTC信號系統(tǒng)(即無需后備模式)，保障城市軌道交通的可靠運營。