車輛調度系統與列車控制和管理系統的通信模式探究

劉船栓

卡斯柯信號有限公司, 廣東 深圳 518042

0 引言

近年來,多數城市軌道交通已實現全自動無人駕駛。為確保無人駕駛模式下,列車各個子系統之間數據的及時、精確傳輸,采用了列車控制和管理系統(TCMS)對列車的各個子系統進行靜態檢查,并通過與車輛調度系統(RSD系統)進行數據交互,從而實現車輛數據安全落地和車輛功能遠程控制。

當車輛狀態異常,RSD系統與TCMS間數據交互不暢,人員就位不及時,從而影響到運營策略及應急指揮的關鍵操作,容易造成無法預測的后果。因此,RSD系統與TCMS之間數據能否安全、有效、暢通、及時的交互將是保障列車安全、穩定、可靠運行的主要因素。

1 車輛調度的數據需求

1.1 車輛調度具體數據需求

車輛調度系統是面向全自動運行線路的系統,用于輔助車輛調度人員實行對全自動無人駕駛車輛的綜合監督、遠程控制以及復位,能夠高效地輔助車輛調度進行故障應急處置,具體數據需求架構如圖1所示,需要的行車數據主要包括全自動駕駛列車的遠程實時數據、列車輔助遠程控制/復位情況、車輛故障實時數據、車輛不符合上下線標準的信息、報警等級、次數、趨勢等統計分析數據。

圖1 車輛調度子系統數據需求架構

1.2 車輛調度系統向TCMS的數據需求

TCMS是列車控制和監視系統,它通過網絡(一般為鐵路專用網絡TCN、WorldFIP、Longworks等)將列車的各種控制設備連接起來,設立主控設備,進行統一控制和信息共享[1],具體結構組成如圖2所示。

圖2 TCMS與各系統之間的結構組成

車輛調度系統與TCMS之間交互的數據信息包括:信號信息、乘客緊急對講語音/視頻及相關數據信息、遠程列車廣播語音及語錄廣播信息、車輛調度信息、聯動告警信息。

2 車輛調度與TCMS數據傳輸實現

2.1 車輛調度系統與TCMS的數據傳遞

車輛調度子系統應用服務器與TCMS通過車輛無線網絡(LTE網絡)進行通信,實時獲取車輛TCMS收集的各子系統運行數據。車頭車尾TCMS發送模塊應具備通過雙網分別向車輛調度子系統主備中心多臺應用服務器同時發送數據的能力。即車頭TCMS向車輛調度服務器A、B機同時發送數據;車尾TCMS也同時向車輛調度服務器A和B機發送數據。車輛調度系統根據內部主備機制,決定是否處理數據。根據車輛各子系統傳輸數據量評估,車地無線單路網絡帶寬應不低于2 Mbps。車地通信網絡結構如圖3所示。

圖3 車地通信網絡結構

2.2 車輛調度系統與TCMS間的網絡連接

TCMS通過車載交換機與防火墻共同實現VRRP及NAT功能,實現TCMS內網設備數據雙端冗余傳輸,同時車輛的VCU(或HMI)通過交換機與車輛調度系統進行通信。

2.3 RSD與TCMS通信規則

車地通信中的VCU(或HMI)主從定義與TCMS定義主從VCU(或HMI)位置保持一致。列車TCMS正常情況只有1個主VCU(或HMI)與車輛調A、B服務器進行通信,向車輛調發送信息。TCMS實現列車狀態信息和故障信息的上傳;車輛調實現車輛狀態信息和故障信息的顯示,RSD與TCMS網絡連接如圖4所示。

圖4 RSD與TCMS網絡連接

通過LTE綜合承載網業務拓展來最終實現車輛調狀態監測信息、故障報警信息的落地,并且為了實現對車輛非安全設備的可靠安全控制功能,車輛調控制命令從車輛服務器下發,經過CBTC業務通道傳輸,最終通過信號控制紅藍網下發到TCMS。

車輛調度系統與TCMS網絡具體連接如下。

1)車輛的A1車與A2車的TCMS通信模塊分別與本單元的綜合承載TAU連接,車輛承包商負責與TAU之間的連接,包含網線及車輛側M12連接器。

2)通信承包商負責提供綜合承載TAU至車頂及車側天線的連接,及TCMS與TAU之間連接中TAU側的M12連接器。

3)協議架構:車輛調度系統與TCMS系統接口采用UDP協議傳輸,應用數據為車輛調度系統所需的全部車輛控制指令及狀態信息,單包2 000～3 000 ms發送1次車輛狀態信息至車輛調度系統A和B服務器。

2.3.1 接口功能規則

車輛調度系統服務器主備互為熱備冗余關系,均可接收車輛信息。正常情況A1端數據同時發往2臺車輛調度服務器,A2端數據也同時發往2臺車輛調度服務器,2個服務器互為主備,熱備冗余,4條鏈路互為冗余,具體接口協議如表1所示。

2.3.2 通信協議規則

車輛TCMS兩端分別同時向車輛調度系統服務器A和B發送信息。由于兩端發送的報文信息是一致的,故地面服務器監督與TCMS通信,默認接收、解析并記錄A1端信息,當A1端通信故障時切換到接收、解析并記錄A2端發送的信息,通信協議規則如表2所示。

表2 通信協議規則

2.3.3 信號包頭格式及包尾校驗碼規則

數據總共分為6個包傳輸,每個數據包1 060個字節,具體格式如下:TRDP包頭(40個字節)、信號需要的包頭(16個字節)、實際數據區(1 000個字節)、CRC校驗(2個字節)、空格(2個字節,為了TRDP報文長度為4的整數倍,不計入驗證長度)。

1)6個數據包按照A-F包區分,A-F的標識在信號包頭中第8個字節用ASCII碼,轉成十六進制表現,如A包41,B包42等。

2)CRC校驗:從信號報文頭部開始至報文數據區結束,采用CRC-CCITT校驗方式,校驗初始值0x0000。

TCMS的數據包傳輸時所有車目的地端口默認按照17 224發送,由車輛調度系統按照每列車IP區分后分端口發送至車輛調度系統服務器,實現按照端口區分車輛。信號包頭格式以及包尾校驗碼要求如表3所示。

表3 信號包頭格式及包尾校驗碼

2.3.4 以太網列車通信網絡規則

以太網電纜應采用符合ISO/IEC 11801的超5類屏蔽雙絞線[2]。終端設備與交換機設備之間以太網線纜采用直連線。

以太網連接器采用符合IEC 62076-2-101的M12D型編碼連接器。在設備端采用插孔,電纜端采用插針。臨時設備(例如PTU)可采用RJ45連接器。

RJ45連接器選用星線構形;傳輸介質選用ISO/IEC 11801規定的超5類屏蔽雙絞線;支持最大傳輸距離100 m;最大傳輸碼率100 Mbit/s;物理尋址選用組播方式。

3 RSD系統與TCMS采用LTE網絡的優勢

1)通信速率有了提高,下行峰值速率為100 Mbps、上行為50 Mbps。

2)提高了頻譜效率,下行鏈路5(bit/s)/Hz,上行鏈路2.5(bit/s)/Hz。

3)以分組域業務為主要目標,系統在整體架構上將基于分組交換。

4)QoS保證。通過系統設計嚴格的QoS機制,保證實時業務(如VoIP)的服務質量。

5)系統部署靈活,能夠支持1.25～20 MHz的多種系統帶寬,保證了將來在系統部署上的靈活性。

6)降低無線網絡時延:子幀長度0.5 ms和0.675 ms,解決了向下兼容的問題,并降低了網絡時延。

7)增加了邊界比特速率,在保持目前基站位置不變的情況下增加邊界比特速率。

8)強調向下兼容,支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作。

4 RSD系統與TCMS之間的信息安全保障

無線通信的開放性、網絡的多樣性和復雜性,使得無線通信系統更容易受到其他用戶的安全攻擊[3]。因此,RSD系統與TCMS之間的信息有效性、可靠性、保密性等顯得十分重要。

RSD與TCMS之間的通信采用LTE模式,該模式基于傳統的加密解密體系,在上層協議中保證系統的安全。

LTE采用物理層安全技術作為信息安全保障,利用編碼的方式,對傳統的信道糾錯編碼進行修改,使其同時兼具糾錯能力與保密能力。該方式充分利用無線信道的非完美特點(噪聲、衰落以及干擾)設計適合安全通信的信道編碼,不僅能夠為合法信道進行糾錯,而且能夠保證信息安全,阻止竊聽者接收到有效信息。

5 結束語

全自動駕駛模式的開發能精準把握列車動態,有效控制列運行車和優化行車管理策略,大大地推動了城軌交通的發展[4]。TCMS作為整車控制系統,通過LTE網絡實現了與RSD系統之間的信息傳遞,使車地數據可靠,為保障列車安全、穩定、高效運行奠定了基礎,大大降低了相關成本,節省了大量時間,實現了列車運行及車載設備等信息的集中管理,并為后續“車車通信”的發展提供了新的思路。該通信模式在深圳16號線車輛調系統建設中得到了驗證,實際應用表現良好。