地鐵信號系統通信控制技術研究

陳 潔，張 強

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

城市軌道交通系統基礎設施建設需要較高的成本，為了控制建設及運營成本，應采取高速、高密度運營方式，借助先進的通信設備來進行控制與調度管理。很多新地鐵軌道線路建設時，將基于通信的列車控制技術應用在信號系統中，建立起列車與地面間的數據通信渠道，可以更好地確保高速行駛條件下的運營安全，進一步縮短行車間隔并提升運營效率。基于無線通信的地鐵軌道列車自動控制定位中，列車和地面通信設備間采用全雙工大容量方式進行信息傳送，可以對列車實現更為準確的控制，也可以降低軌道旁的設備使用數量，有利于節省投資并提升運行安全性[1]。

1 基于通信的地鐵列車信號控制技術

1.1 基于通信的列車控制

以連續式列車控制作為基礎，通過多年的研究與實踐，基于通信的列車控制技術已經取得了長足的發展。根據列車與地面傳輸信息方式對其進行劃分，可劃分為無線、環線等多種類型，不再采用軌道電路來對閉塞分區是否被占用進行判斷，不存在固定閉塞的局限性。與傳統軌道電路列車控制系統相比，基于通信的列車控制系統具有如下優勢。

（1）結構更為簡潔。從控制系統硬件結構方面來看，將控制中心設備作為核心，地鐵列車和車站中設備均為執行機構，實現通信控制設備的一體化，聯鎖、閉塞以及超帶等均可通過軟件來實現，不需要再進行分隔。

（2）更加靈活。控制系統不需要再增設其他設備，可采用雙向運行，不會因地鐵列車反向運行而造成系統安全性降低。基于通信的列車控制系統在運行過程中，采用差異化的調度策略實現對多條交叉線路進行處理與控制，應對咽喉區段地鐵列車復雜的情況存在一定優勢，可應用于同時運行的不同編組、不同性能的列車。

（3）更加高效。采取移動閉塞運地模式，能夠有效縮短列車運行間隔，優化列車駕駛節能算法，有利于降低能耗。采用基于通信的列車控制系統，地鐵在軌道線路上的位置是由車輛本身來確定，再通過地車通信系統將數據信息實時發送給列車控制設備。該技術與傳統列車位置檢測方法有所差異，可進行車載設備與軌旁設備間的雙向通信，具有較大的信息傳輸量[2-5]。

1.2 列車自動控制技術

控制系統有兩種制式，一種是基于數字軌道的準移動閉塞，另一種是基于感應環線和無線通信的移動閉塞。移動閉塞具有較高的安全性、可靠性，可對運營間隔進行優化，車輛與地面間采用無線傳播方式實現雙向通信。車載控制器會周期性地向地面區域控制器發出地鐵車輛位置信號報告，控制器接收到報告信息后會將行駛方向上的上列車輛無線接入設備視作授權終點，再將該信息再次下發至車載控制器，車輛可以按即定速度曲線行駛，這樣就可以起到運營間隔優化的作用。自動防護（Automatic Train Protection，ATP）車輛碰撞及脫軌為車輛控制的核心，實現對安全間隔、超速的防護和車門控制。自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）車輛運行及站臺停靠操作需要在ATP控制系統安全件下應用，從而實現對車速的控制和對列車運行的調整，提升旅客舒適度并降低駕駛人員勞動強度。此外，列車自動控制系統（Automatic Train Control，ATC）是對車輛安全和有效運行進行管理的子系統。

1.3 列車自動監控技術

對子系統和其他系統通信接口進行監控，由列車數據系統進行上傳報告，實時顯示運列車實際位置，對列車運行等級和停站時間進行調整，合理配置運行間隔。采用通信渠道對到站列車進行調度掌握，采用區域控制器實現區域的關閉或開放控制。對監控系統設置不同控制等級，將異常情況和設備故障帶來的影響降到最低。一般情況下，監控中心對全線進行監測與控制，如果發現監控出現故障，將自動切換至主機服務器、通信服務器。站級列車監控設備若存在故障，可通過進路和折返進路，也可由本地控制站來進行人工進路控制和根據站間進行閉塞行車。

監控系統不需要操作人員干預，可根據調度需要增設和監督列車，合理移出結束運營列車。監控系統收到區域控制及車載控制器運行信息后，可以對系統存在的問題進行遠程診斷，為解決故障提供技術支持。監控系統具有自檢測試功能，啟動時可以對系統進行測試，查看是否可以按照設計要求正常工作，出現供電故障時可自動發出關閉命令，電源供電恢復時可自動重啟軟件，具有主、備冗余設計，相互隔離可避免非正常操作對系統帶來不利影響。出現系統故障時，則會將主用設備切換至備用，同時發出報警信號。

1.4 數據通信系統技術

不同通信設備間進行雙向、安全的數據信息交互需要借助于開放的通信接口和完善的體系架構，通過安全算法對消息進行保護，滿足對數據傳輸延遲和數據傳輸率的要求。基于通信的地鐵信號系統，在任何狀況下都不可以存在系統故障，高安全、高可靠是對控制系統的基本要求，同時需具備很好的故障自愈能力。有線通信采用以太網標準，由接入網和骨干網兩部分構成。無線接點可以與列車進行雙向通信，采用多模光纖來與接入交換機進行數據交互。無線通信是軌旁有線和列車保持通信的關鍵渠道，由無線接入點、空間無線通道以及車載單元構成，可以實現可靠、高效和安全的雙向通信。接入點與交換機進行連接，并延伸至軌旁接入網絡中，再與骨干網絡進行數據互聯，接入點另一端通過天線傳輸信號與車載單元進行通信。通信系統由地面有線網、車-地無線網、車載有線網構成，其中有線網采用以太網技術，數據丟包和延時問題多存在于車-地通信系統。

2 數據通信系統的總體設計架構

2.1 地面骨干網系統設計

對多個獨立以太專用網起到承載作用，為每個子系統提供單獨通道，提供滿足數據傳輸需要的帶寬。有線骨干線具備雙網并行冗余設計，信息報文可以通過獨立的通信網絡傳輸至終端，確保達到冗余通信要求且具備暫時故障自我恢復能力。有線骨干網采用同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等技術，采用光纖進行通信連接來建立起拓撲結構，將通信設備集中站、車輛段等作為網絡節點。子系統的數據傳輸數率、報文傳輸時間等性能參數要達到車輛控制要求，并滿足國際相關通信標準。

在SDH組網方式中，每個集中站通信系統中均要設置一個SDH，結合不同的組網方式還可將其劃分為普通節點、交叉節點。以基于通信的地鐵列車為例，SDH網絡多采用環狀結構，以二纖雙向復用段來對節點故障或光纖故障進行保護時，不可對其他SDH節點設備通信帶來影響。圖1顯示了光纖損壞條件下SDH節點n至n+2的數據流方向，通過雙纖通道倒換環來進行保護。

圖1 SDH復用段共享保護環

在正常工作情況下，通信網絡呈現閉合環狀，復用段共享保護環將傳送通道分為工作通路、保護通路，每個通路各占一半。一般業務可經過工作通路來進行傳輸，保護通路為空閑狀態。此外，也對低等級業務數據進行傳輸，節點數量不大于16個。

在保護倒換情況下，如果通信光纜出現故障，光纜兩邊的兩個節點切換為VC-4發送方向。業務數據信息不再經過正常工作路徑來進行傳輸，采用環網另一方向路徑進行傳輸。保護路徑獲取到VC-4對其進行本地處理后，再將其復制到工作路徑，可視作正常數據進行處理。其他節點處于通過狀態，表明轉發保護路徑獲取到數據信息，可將工作路徑作為正常模式進行處理。從n節點發送至n+2節點的數據信息，正常情況下將最短路徑改變為從n節點發送至n+1、n+3節點，通過n+1節點來接收，再切換至工作路徑進行處理。由n節點流向n+1節點的數據流量改變為在保護路徑中由n節點發送至n+1、n+3節點，節點為通過狀態下不需要進行過濾，交由n+2節點來接收，再改變至工作路徑的n+3節點來進行處理。相同地點一根或兩根光纖出現故障時，則具有相同的動作。VC-4保護路徑可應用于數據信息傳輸，有利于提升帶寬，但保護機制為有效狀態時不能作為數據傳輸通道。故障點被修復好以后，環中每個節點將業務倒換回復至正常狀態，可以為下次故障提供保護倒換，將倒換時間控制在50 ms以內，與業務數量無直接關系。復用段共享保護環可對線路和節點故障進行有效保護，倒換機理較為簡易，不再采用自動保護倒換（Automatic Protection Switching，APS）協議作為技術支持。由于每條業務需要占用環上1條完整的數據通道，因此總業務量會受制于系統容量的大小。

2.2 有線接入網系統設計

采用以太網來承載IP數據包，實現端到端的數據傳輸，保證以太網交換機相互間的列車可進行連續的數據通信。以太網交換機為相同的LAN，如果列車不經過以太網交換機區間進行切換，可采用單獨IP子網來滿足性能要求。接入網由路由器、光電轉換器、交換機等構成，可以與系統設備接口進行連接。每個子系統通信設備均可接入至SDH骨干網，還可為區域控制器、監測系統等提供信息傳輸通道。和骨干網相同，接入網采用相同的車-地子通信系統，可達到地鐵列車控制要求，符合國際相關標準[6]。

2.3 無線通信網系統設計

將WLAN無線標準應用車-地無線通信，地面通信設備通過系統接口服務器與車-地無線通信網進行數據連接。通信網采用雙網進行設計，配置不同的無線信道。在車頭和車尾安裝有車載無線通信單元，實現通信設備的冗余備份。通信設備間切換時間與無縫切換要達到列車控制要求，同時還要達到國際標準要求。移動切換時，確保通信系統間要做到無縫切換，車載移動通信切換時間不超過100 ms。車-地無線通信為軌旁有線與列車通信的基礎條件，含有軌旁無線接入點、無線通道和車載通信單元，可實現高效率、安全的雙向通信。軌旁無線接入采用交換機來接入至網絡，軌旁接入網會與骨干網保持連接，接入點另一端通過天線來發送信號，與車載通信單元進行通信。

2.4 定位系統設計

定位系統可以更好地保證安全列車間隔，通過對運營列車進行計算，確定當前列車與前行列車尾部的距離，從而對車輛速度進行有效控制。在地鐵沿線安裝無線基站，通過不斷發射帶有位置信息擴頻信號，地鐵列車獲取到信號后再采用接收與發射擴頻信號間的時鐘差進行計算，求得與無線基站的距離，同時確定實時列車位置。固定閉塞和準移動閉塞存在軌道電路，可用于閉塞分區列車占用的監測，結合測速、測距可以更為準確地得到列車定位，也可以通過應答器對坐標進行校準。移動閉塞中不存在軌道電路用于列車占用檢查，被控對象為動態運行狀態，要得到列車具體位置和速度后才能對列車進行控制。應用列車定位技術是控制系統的關鍵，可以在列車尾部安裝無線通信設備，通過發送出無線信號給列車頭部車載通信設備。如果檢測頭尾通信中斷，則可以判定列車完整性存在問題。

3 結 論

綜上所述，為了實現地面通信設備間與車-地設備間的雙向數據交互，基于地鐵信號系統通信控制系統獲取列車實時速度和位置等信息，通過動態計算得到列車的最大制動距離等參數，從而在保證列車安全的前提下進一步提升列車運營效率。