城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車(chē)地?zé)o線冗余方案探索

王 壯

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100070）

通信技術(shù)飛速發(fā)展，基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control， CBTC）應(yīng)運(yùn)而生，并成為城市軌道主流信號(hào)系統(tǒng)。近年來(lái)車(chē)車(chē)通信、虛擬聯(lián)掛技術(shù)的出現(xiàn)使信號(hào)系統(tǒng)不斷向自動(dòng)化和智能化邁進(jìn)，對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求也逐步提高。無(wú)線系統(tǒng)作為信號(hào)系統(tǒng)的一部分，需同步提升車(chē)地?zé)o線傳輸可靠性，降低因無(wú)線系統(tǒng)異常導(dǎo)致車(chē)地通信中斷，影響行車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)冗余架構(gòu)

車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)均按照冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)，以長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE)作為車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)解決方案為例，信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線冗余架構(gòu)如圖1所示。

軌旁部署兩張獨(dú)立冗余的LTE無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)A網(wǎng)（綠）和B網(wǎng)（橙），網(wǎng)絡(luò)由核心網(wǎng)設(shè)備（EPC）、基帶處理單元（BBU）、射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）、骨干環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、電源設(shè)備等構(gòu)成。

車(chē)輛在每列車(chē)的兩頭各安裝一臺(tái)無(wú)線終端（TAU），車(chē)頭TAU集成A網(wǎng)無(wú)線Modem，并與藍(lán)網(wǎng)車(chē)載控制器（VOBC）網(wǎng)絡(luò)連通，傳輸車(chē)地信號(hào)藍(lán)網(wǎng)業(yè)務(wù)；車(chē)尾TAU集成B網(wǎng)無(wú)線Modem，并與紅網(wǎng)VOBC網(wǎng)絡(luò)連通，傳輸車(chē)地信號(hào)紅網(wǎng)業(yè)務(wù)。

車(chē)載控制器和軌旁信號(hào)設(shè)備間的車(chē)地通信業(yè)務(wù)為雙向數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)無(wú)線設(shè)備構(gòu)建了用于車(chē)地?cái)?shù)據(jù)交互的無(wú)線通信鏈路。因此，車(chē)載和軌旁設(shè)備通信存在2條無(wú)線通信鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路1：頭端-藍(lán)網(wǎng)VOBC?頭端-藍(lán)網(wǎng)TAU?頭端-A網(wǎng)無(wú)線Modem?軌旁-A網(wǎng)無(wú)線設(shè)備?軌旁藍(lán)網(wǎng)信號(hào)設(shè)備。

數(shù)據(jù)鏈路2：尾端-紅網(wǎng)VOBC?尾端-紅網(wǎng)TAU?尾端-B網(wǎng)無(wú)線Modem?軌旁-B網(wǎng)無(wú)線設(shè)備?軌旁紅網(wǎng)信號(hào)設(shè)備。

2 無(wú)線系統(tǒng)冗余改進(jìn)方案

2.1 冗余改進(jìn)架構(gòu)

傳統(tǒng)無(wú)線架構(gòu)下，單列車(chē)共有2條無(wú)線鏈路實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信功能，冗余方案優(yōu)化以提升無(wú)線鏈路冗余度為突破口，在既有2條無(wú)線鏈路基礎(chǔ)上，再增加2條無(wú)線鏈路，實(shí)現(xiàn)單列車(chē)共4條無(wú)線鏈路。在傳統(tǒng)無(wú)線框架下需增加如下設(shè)備，如圖2所示。

軌旁需在冗余的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)邊界處各增設(shè)動(dòng)態(tài)鏈路控制服務(wù)器（DRCS），每臺(tái)DRCS同時(shí)連接無(wú)線A網(wǎng)和B網(wǎng)。

車(chē)載頭部和尾部TAU中各增設(shè)一套無(wú)線Modem和一套動(dòng)態(tài)鏈路控制模塊（DRCC）。TAU中增加無(wú)線Modem后，每臺(tái)TAU可同時(shí)接入軌旁無(wú)線A網(wǎng)和B網(wǎng)。新增的模塊和服務(wù)器設(shè)備均采用通用非定制化設(shè)備，不會(huì)大幅度提高無(wú)線系統(tǒng)成本。

TAU只與本端VOBC連接，僅傳輸本端網(wǎng)絡(luò)信號(hào)業(yè)務(wù)。以藍(lán)網(wǎng)車(chē)地列車(chē)控制業(yè)務(wù)為例，藍(lán)網(wǎng)VOBC和軌旁區(qū)域控制器（ZC）藍(lán)網(wǎng)通信，頭端藍(lán)網(wǎng)VOBC將信息發(fā)送至頭端藍(lán)網(wǎng)TAU，TAU通過(guò)車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至軌旁ZC設(shè)備，由于TAU同時(shí)具備2條無(wú)線鏈路可供使用，需選擇其中一條無(wú)線鏈路傳輸信號(hào)業(yè)務(wù)。車(chē)載部署DRCC，軌旁部署DRCS完成鏈路監(jiān)測(cè)和無(wú)線鏈路選擇工作。

車(chē)地?zé)o線增加如下2條鏈路。

數(shù)據(jù)鏈路3：頭端-藍(lán)網(wǎng)VOBC?頭端-藍(lán)網(wǎng)TAU?頭端-B網(wǎng)無(wú)線Modem?軌旁-B網(wǎng)無(wú)線設(shè)備?軌旁藍(lán)網(wǎng)信號(hào)設(shè)備。

數(shù)據(jù)鏈路4：尾端-紅網(wǎng)VOBC?尾端-紅網(wǎng)TAU?尾端-A網(wǎng)無(wú)線Modem?軌旁-A網(wǎng)無(wú)線設(shè)備?軌旁紅網(wǎng)信號(hào)設(shè)備。

列車(chē)頭端和尾端的VOBC共有4條無(wú)線鏈路和軌旁信號(hào)設(shè)備進(jìn)行通信。

2.2 鏈路監(jiān)測(cè)原理

車(chē)載DRCC和軌旁DRCS進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線鏈路狀態(tài)。

列車(chē)上電后，車(chē)載無(wú)線Modem立即發(fā)起入網(wǎng)請(qǐng)求，A網(wǎng)和B網(wǎng)的無(wú)線Modem入網(wǎng)成功后，DRCC端申請(qǐng)和DRCS建立通信隧道鏈路，在A網(wǎng)和B網(wǎng)上各建立一條隧道鏈路。

隧道建立完成后，車(chē)載DRCC以時(shí)間t為周期（t可配置，默認(rèn)25 ms）向軌旁DRCS和無(wú)線Modem發(fā)送心跳信息，軌旁DRCS和車(chē)載無(wú)線Modem收到心跳信息后立即回復(fù)，車(chē)載DRCC根據(jù)回復(fù)內(nèi)容計(jì)算每條鏈路的時(shí)延、抖動(dòng)等重要通信指標(biāo)，并結(jié)合無(wú)線Modem回復(fù)的無(wú)線側(cè)狀態(tài)信息（信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、入網(wǎng)信息等），綜合評(píng)估A網(wǎng)和B網(wǎng)無(wú)線鏈路健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖3所示，選取最優(yōu)無(wú)線鏈路傳輸車(chē)地列車(chē)控制信息。當(dāng)A網(wǎng)和B網(wǎng)無(wú)線鏈路均正常時(shí)，優(yōu)先使用默認(rèn)鏈路傳輸，藍(lán)網(wǎng)的默認(rèn)鏈路為數(shù)據(jù)鏈路1，紅網(wǎng)的默認(rèn)鏈路為數(shù)據(jù)鏈路2。

2.3 鏈路控制原理

車(chē)載TAU持續(xù)對(duì)2條無(wú)線鏈路進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，并選取最優(yōu)鏈路傳輸列車(chē)控制業(yè)務(wù)，當(dāng)業(yè)務(wù)傳輸鏈路健康狀態(tài)惡化時(shí)會(huì)觸發(fā)鏈路倒換機(jī)制，確保列車(chē)控制業(yè)務(wù)始終在最優(yōu)無(wú)線鏈路上傳輸。

無(wú)線鏈路倒換觸發(fā)主要考慮鏈路時(shí)延和丟包等指標(biāo)。《LTE-M》規(guī)范中規(guī)定，列車(chē)控制業(yè)務(wù)要求通信系統(tǒng)單路單向傳輸時(shí)延不超過(guò)150 ms的概率不小于98%，不超過(guò)2 s的概率不小于99.92%；列車(chē)控制業(yè)務(wù)要求丟包率不超過(guò)1%，通信中斷時(shí)間不超過(guò)2 s的概率不小于99.99%。

在滿足《LTE-M》指標(biāo)要求的前提下，結(jié)合列車(chē)控制業(yè)務(wù)設(shè)備間的最短通信周期及通信超時(shí)造成列車(chē)緊急制動(dòng)的最大時(shí)間等因素，制定鏈路倒換觸發(fā)時(shí)機(jī)和鏈路倒換研判機(jī)制，需避免在鏈路狀態(tài)惡化時(shí)出現(xiàn)頻繁倒換或不倒換的情況，影響列車(chē)控制業(yè)務(wù)傳輸。鏈路倒換時(shí)機(jī)觸發(fā)設(shè)定為心跳回復(fù)信息連續(xù)丟包超過(guò)4個(gè)或連續(xù)4個(gè)包的時(shí)延超過(guò)100 ms時(shí)，啟動(dòng)鏈路研判并進(jìn)行鏈路倒換。以藍(lán)網(wǎng)為例，鏈路倒換觸發(fā)時(shí)機(jī)和研判邏輯如圖4所示。

2.4 設(shè)備故障旁路功能

軌旁增加DRCS，用于對(duì)所有列車(chē)車(chē)地?zé)o線鏈路的監(jiān)測(cè)和選擇，如DRCS設(shè)備出現(xiàn)斷電或宕機(jī)等故障，連接到這臺(tái)設(shè)備上的網(wǎng)絡(luò)通信中斷，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的車(chē)地控制業(yè)務(wù)信息斷開(kāi)。為保證DRCS設(shè)備故障情況下無(wú)線鏈路依然可用，車(chē)載TAU和軌旁DRCS服務(wù)器增加旁路功能（Bypass）。當(dāng)DRCS設(shè)備故障時(shí)，車(chē)載TAU和軌旁DRCS同時(shí)切換至旁路模式，車(chē)載和軌旁鏈路控制設(shè)備間不再建立專屬隧道發(fā)送心跳信息，車(chē)載TAU通過(guò)默認(rèn)無(wú)線鏈路和軌旁信號(hào)網(wǎng)絡(luò)直接建立通信，恢復(fù)成傳統(tǒng)無(wú)線架構(gòu)。旁路功能僅在軌旁DRCS設(shè)備故障時(shí)啟動(dòng)，車(chē)載配合同步倒換鏈路，某一車(chē)載TAU設(shè)備故障時(shí)，軌旁DRCS不會(huì)進(jìn)入旁路模式。

旁路功能主要是通過(guò)硬件和軟件相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)，采用控制方式和觸發(fā)方式控制旁路模式的進(jìn)入和退出。

車(chē)載TAU和軌旁DCRS設(shè)備上均增加繼電器以實(shí)現(xiàn)正常模式和旁路模式的倒換。繼電器前接點(diǎn)與正常模式接口連接，后接點(diǎn)與旁路模式接口連接，如圖5所示。

觸發(fā)方式主要用于設(shè)備突發(fā)斷電類場(chǎng)景，DRCS設(shè)備上電后，繼電器勵(lì)磁吸起，前接點(diǎn)接通網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入正常工作模式。當(dāng)設(shè)備突發(fā)斷電時(shí)，觸發(fā)繼電器落下，連通后接點(diǎn)并接通旁路接口進(jìn)入旁路工作模式，如車(chē)載TAU在t1（t1可配置，默認(rèn)3 s）時(shí)間內(nèi)未收到2個(gè)無(wú)線鏈路的心跳信息，則進(jìn)入旁路模式接通默認(rèn)鏈路，繼續(xù)傳輸信號(hào)業(yè)務(wù)。

控制方式主要用于設(shè)備宕機(jī)類場(chǎng)景，通過(guò)獨(dú)立看門(mén)狗程序監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，并通過(guò)軟件邏輯控制繼電器。當(dāng)軌旁DRCS設(shè)備宕機(jī)后，獨(dú)立看門(mén)狗程序監(jiān)測(cè)到設(shè)備宕機(jī)，控制旁路繼電器進(jìn)入旁路模式，并立刻將旁路狀態(tài)發(fā)送至車(chē)載TAU，車(chē)載TAU同步控制繼電器切換至旁路模式，接通默認(rèn)鏈路繼續(xù)傳輸信號(hào)業(yè)務(wù)。

2.5 設(shè)備狀態(tài)上報(bào)及空口信息轉(zhuǎn)發(fā)

車(chē)載TAU和軌旁DRCS與網(wǎng)管系統(tǒng)使用SNMP協(xié)議進(jìn)行通信，將各自設(shè)備狀態(tài)信息（電壓、CPU使用率、溫度等）、無(wú)線Modem入網(wǎng)、場(chǎng)強(qiáng)、信噪比等信息，鏈路選擇信息、鏈路倒換信息等以周期發(fā)送和事件觸發(fā)的形式發(fā)送給網(wǎng)管系統(tǒng)，在網(wǎng)管界面上進(jìn)行圖形化顯示。

車(chē)載TAU具備空口信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，可將接收到的控制面信令信息及業(yè)務(wù)面數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至無(wú)線環(huán)境智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，智能監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)對(duì)無(wú)線信號(hào)信令和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息的解碼和分析，在線評(píng)估無(wú)線環(huán)境，判斷是否存在無(wú)線干擾情況，并可快速定位外部無(wú)線干擾，告警信息可實(shí)時(shí)發(fā)送至網(wǎng)管系統(tǒng)。

3 可靠性分析

從工程應(yīng)用的角度，影響無(wú)線系統(tǒng)可靠性的因素包括無(wú)線頻率的使用和設(shè)備冗余結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。

科學(xué)的頻率規(guī)劃可有效降低干擾對(duì)無(wú)線系統(tǒng)的影響，提升信號(hào)系統(tǒng)的可靠性。需提前對(duì)線路進(jìn)行掃頻測(cè)試，并根據(jù)專用無(wú)線通信和民用無(wú)線通信頻點(diǎn)使用情況，規(guī)避同頻、鄰道及多階互調(diào)等干擾的可能性。在排除外部無(wú)線潛在干擾后，為避免信號(hào)內(nèi)部冗余無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻點(diǎn)間同頻干擾，頻點(diǎn)的選擇不應(yīng)出現(xiàn)信道重疊的情況，且兩信道間需具備較大物理隔離度，降低兩信道同時(shí)被干擾的概率。

改進(jìn)的無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)是在傳統(tǒng)架構(gòu)增加無(wú)線通信鏈路，車(chē)載新增無(wú)線Modem和鏈路控制模塊，軌旁新增鏈路控制服務(wù)器設(shè)備，提升無(wú)線鏈路冗余度的同時(shí)也增加了設(shè)備故障點(diǎn)，為降低新增設(shè)備故障對(duì)無(wú)線系統(tǒng)可用性的影響，系統(tǒng)增加了鏈路控制設(shè)備旁路功能，當(dāng)軌旁設(shè)備斷電或宕機(jī)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換至旁路模式，恢復(fù)為傳統(tǒng)無(wú)線架構(gòu)，不會(huì)降低信號(hào)業(yè)務(wù)的冗余度，最大限度減輕新增設(shè)備故障對(duì)信號(hào)業(yè)務(wù)的影響。

通過(guò)對(duì)車(chē)載和軌旁無(wú)線設(shè)備的單點(diǎn)、多點(diǎn)故障場(chǎng)景分類，對(duì)比傳統(tǒng)方案和改進(jìn)方案信號(hào)傳輸鏈路冗余情況，如表1所示。

表1 故障場(chǎng)景冗余度對(duì)比Tab.1 Comparison of redundancy in fault scenarios

針對(duì)多點(diǎn)故障情況進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，傳統(tǒng)無(wú)線架構(gòu)下，如車(chē)載頭端藍(lán)網(wǎng)TAU故障，車(chē)地A網(wǎng)（綠）無(wú)線鏈路中斷，導(dǎo)致信號(hào)藍(lán)網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷，僅可通過(guò)尾端紅網(wǎng)TAU的車(chē)地B網(wǎng)（橙）無(wú)線鏈路傳輸信號(hào)紅網(wǎng)業(yè)務(wù)。

此時(shí)若軌旁某區(qū)域B網(wǎng)（橙）無(wú)線異常（設(shè)備故障或局部無(wú)線干擾等），會(huì)導(dǎo)致車(chē)地B網(wǎng)（橙）無(wú)線鏈路中斷，造成信號(hào)紅網(wǎng)業(yè)務(wù)中斷，列車(chē)通信超時(shí)緊急制動(dòng)影響列車(chē)正常運(yùn)行。

增加無(wú)線鏈路后，在相同場(chǎng)景下，車(chē)尾紅網(wǎng)TAU將信號(hào)紅網(wǎng)業(yè)務(wù)無(wú)擾切換至A網(wǎng)（綠）無(wú)線鏈路上，維持列車(chē)單網(wǎng)通信，不影響列車(chē)正常運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)不同故障場(chǎng)景下的方案對(duì)比可知，改進(jìn)方案較傳統(tǒng)方案相比，提升了鏈路的冗余性，從而提高無(wú)線系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)車(chē)地?zé)o線冗余架構(gòu)的改進(jìn)，增加車(chē)地?zé)o線鏈路，并部署鏈路的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信鏈路質(zhì)量，保證車(chē)地控制業(yè)務(wù)信息在最優(yōu)無(wú)線鏈路上傳輸。對(duì)比分析車(chē)地?zé)o線系統(tǒng)單點(diǎn)或多點(diǎn)故障，說(shuō)明無(wú)線系統(tǒng)冗余性和可用性提升情況，降低無(wú)線設(shè)備故障影響列車(chē)正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提升信號(hào)系統(tǒng)的可靠性。