上海城市軌道交通信號系統(tǒng)車地通信演進(jìn)研究*

朱 俊 陶小婧 張 郁 曾貴華

(1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 201103， 上海； 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上海；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)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(jīng)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?zé)o線通信設(shè)備與軌旁系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息的交換和傳遞來實(shí)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(yùn)營控制中心等區(qū)域都被其覆蓋到。

CBTC系統(tǒng)對通信技術(shù)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(biāo)大于99.999%。雖然DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))在設(shè)計階段一般均采用了雙套冗余結(jié)構(gòu)，可有效防止網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單點(diǎn)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(dǎo)致中央控制信息的中斷，直接影響整個CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行，屬于城市軌道交通運(yùn)營的致命風(fēng)險點(diǎn)，也是故障的零容忍環(huán)節(jié)。

由于車地通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用的是無線傳輸模式，在實(shí)際運(yùn)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(dǎo)致1輛或多輛列車發(fā)生EB(緊急制動)，或因區(qū)域網(wǎng)絡(luò)失效導(dǎo)致運(yùn)營模式降級等情況的發(fā)生，最終導(dǎo)致列車運(yùn)行晚點(diǎn)、運(yùn)輸效率下降。發(fā)生嚴(yán)重的車地?zé)o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(yùn)營，甚至可能威脅到乘客的人身財產(chǎn)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(yùn)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(luò)主要是通過設(shè)置在軌道旁的大量無線接入點(diǎn)與車輛上的車載無線單元設(shè)備進(jìn)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(luò)采用共用的2.4 GHz及1.8 GHz頻段。2.4 GHz頻段屬于非授權(quán)頻段，由于終端智能技術(shù)的發(fā)展及同頻無線產(chǎn)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(yùn)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(jìn))系統(tǒng)，用以承載CBTC的無線通信業(yè)務(wù)。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(shù)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(fù)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(shù)承載車地通信的無線業(yè)務(wù)，缺乏有效的抗干擾機(jī)制，容易受到外界的干擾，導(dǎo)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(dá)到了使用年限，部分電子器件的老化也導(dǎo)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(yùn)營尤其對早晚高峰的運(yùn)營產(chǎn)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(shù)可能面臨的問題

與Wi-Fi技術(shù)相比，LTE 技術(shù)有了非常大的改進(jìn)，特別是具有專用頻段、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)，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(nèi)干擾和系統(tǒng)外干擾2部分，其中：系統(tǒng)內(nèi)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(shù)來控制和消除外來干擾，因此在系統(tǒng)設(shè)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(guān)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(qiáng)同頻無線信號的干擾而引起城市軌道交通無線接收設(shè)備接收靈敏度降低的情況，最終導(dǎo)致無法解調(diào)信號，發(fā)生車地通信中斷。

另外，因?yàn)槭芟抻贚TE頻寬資源，LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)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(shí)時上傳到地面服務(wù)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(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)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(yùn)維技術(shù)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(dǎo)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(yùn)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)迫停現(xiàn)象。維護(hù)單位采用了重啟信號環(huán)網(wǎng)中無線AP (接入點(diǎn))板、重啟環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、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(jìn)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(yán)重影響了2.4 GHz無線頻段的通信質(zhì)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(qiáng)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(yùn)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(yīng)對措施，故障共計造成5 min晚點(diǎn)13列次、清客15列次。

3.3 設(shè)備維護(hù)中面臨的問題

無線通信技術(shù)正處于快速革新階段，從4G(第4代移動通信技術(shù))的全面覆蓋、5G(第5代移動通信技術(shù))的逐漸應(yīng)用到6G(第6代移動通信技術(shù))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(yùn)營后15年甚至更長的時間才進(jìn)入信號系統(tǒng)的大修改造階段。這15年的運(yùn)營期內(nèi)，可能會發(fā)生因建設(shè)時所使用的無線通信技術(shù)被淘汰而導(dǎo)致前代甚至是前前代無線通信設(shè)備停產(chǎn)停修、備品備件缺失的情況，進(jìn)而導(dǎo)致無法滿足設(shè)備的后續(xù)維護(hù)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(shè)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(kuò)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(shù)使用情況下，還有1個全新的技術(shù)模式作為冗余。雙制式的設(shè)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(shè)備發(fā)生故障，理論上都不會導(dǎo)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(yùn)行。而且，通過采用新技術(shù)，也解決了無線通信技術(shù)發(fā)展快引起的相關(guān)問題，保證在信號大修前該線在建設(shè)時所采用新的技術(shù)設(shè)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(shè)備進(jìn)行更新改造，以減少大修改造期間的運(yùn)營管理風(fēng)險。

基于上海城市軌道交通的既有線網(wǎng)和新建線路的實(shí)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(shè)2部分進(jìn)行具體分析。

4.1 既有線路的更新改造方案

針對上海現(xiàn)有的城市軌道交通信號系統(tǒng)，其更新改造應(yīng)著重提升系統(tǒng)的可靠性及可實(shí)施性，并適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，滿足后續(xù)長期高效運(yùn)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(shè)備，消除同頻、臨頻干擾導(dǎo)致車地通信質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。

對于采用Wi-Fi系統(tǒng)進(jìn)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(gòu)的基礎(chǔ)下，更換信號無線覆蓋設(shè)備，并增加1套LTE 車地通信網(wǎng)絡(luò)。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(shè)備不間斷運(yùn)營及數(shù)據(jù)正常通信，還通過雙頻段組網(wǎng)實(shí)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(dǎo)致通信質(zhì)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(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)對運(yùn)營的零干擾。

車地通信系統(tǒng)在保留既有CBTC 骨干網(wǎng)設(shè)備的同時，增加支持LTE-M車地通信的骨干網(wǎng)設(shè)備，并增設(shè)有線骨干網(wǎng)設(shè)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(shè)備包括適用于Wi-Fi與LTE-M的2套軌旁無線設(shè)備與車載，即RRU(射頻拉遠(yuǎn)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(yùn)營控制中心的網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)交換機(jī)。新的網(wǎng)絡(luò)將整體采用多重冗余網(wǎng)架構(gòu)，確保CBTC系統(tǒng)所有軌旁設(shè)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(shè)備，搭建LTE-M和Wi-Fi的雙無線架構(gòu)，使每列車均有4條無線鏈路和軌旁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終形成冗余的車地通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

注：I/O——輸入/輸出。

4.2 新建線路的建設(shè)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(yàn)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(hù)性。在目前的技術(shù)條件下，車地通信系統(tǒng)宜采用LTE-M和Wi-Fi雙冗余架構(gòu)綜合承載線路信號及通信專業(yè)系統(tǒng)的多個業(yè)務(wù)，如CBTC系統(tǒng)、PIS(乘客信息系統(tǒng))、車載視頻監(jiān)控等，以進(jìn)一步控制工程建設(shè)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(dú)立工作，從而達(dá)到2種制式之間的完全隔離且互為冗余。

隨著通信技術(shù)演進(jìn)，5G已在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸CBTC車載系統(tǒng)日志、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到地面服務(wù)器的試驗(yàn)，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(yàn)證借助5G網(wǎng)絡(luò)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(shè)可以考慮采用LTE-M+5G的雙冗余架構(gòu)。新線車地通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(gòu)的同時新建Wi-Fi或5G的架構(gòu)。

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

5 結(jié)語

雙制式車地通信系統(tǒng)的使用，既可提升系統(tǒng)的應(yīng)用性、靈活性及互聯(lián)互通性，提高傳輸速率，增強(qiáng)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕部稍谝欢ǔ潭壬媳苊馐褂眯录夹g(shù)可能帶來的風(fēng)險。這種具備高可用性的雙制式無線通信系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(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(yùn)營。