城市轨道交通信号系统中的无线通信

杨 浩

贵阳市城市轨道交通集团有限公司 贵州 贵阳 550000

城市轨道交通信号系统是“信号、联锁、闭塞”的总称,是由各类信号显示、轨道区段检测设备、道岔转辙装置等主体设备及其他有关附属设施构成的一个完整的体系,以“故障-安全”为原则,用于列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、信息管理、设备工况监测及维护管理等。

其主要功能有：

(1)保证列车运行安全；

(2)扩大线路通过能力；

(3)提高运营组织效率；

(4)实现行车指挥和列车运行现代化；

(5)降低职工工作力度等。

1 CTBC系统

为保证列车的运行安全,同一个区域内不得驶入两列以上的列车,这就是闭塞,它是城市轨道交通列车运行安全的基本要求。

在信号系统中,闭塞方式由很多种,其中空间闭塞方式可以分为：固定闭塞、准移动闭塞(逻辑/虚拟闭塞)、移动闭塞；移动闭塞的定义是线路没有被固定划分的闭塞分区,列车间的间隔是动态的、并随前一列车的移动而移动,该间隔是按后续列车在当前速度下的所需制动距离、加上安全裕量计算和控制的,确保不追尾,制动的起始和终点是动态的,对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式。随着城市轨道交通运营密度、速度和客流的快速增长,基于通信的列车控制(CBTC)移动闭塞是最佳的列车自动控制系统。

近年来国内城市轨道交通信号系统都采用基于无线通信的移动闭塞制式CBTC,各信号系统承包商所要实现的功能是一致的,其系统组成方式基本相同,只是实现车、地双向通信技术方案和手段不同。

2 车-地无线通信

CBTC可以使用多种的车-地双向通信系统,目前我国主要使用无线自由波、波导管、漏缆或三种互相组合的传输方式。

2.1 车-地无线参数要求 根据现有轨道交通运营现状,为保证CBTC系统车-地之间实现高速、实时、双向的连续通信,通常设置冗余的两张网络,且每张网络均应满足以下要求：

(1)高速性能

列车时速达到120 km/h时,车-地无线网络仍能满足列车运行控制对信息传输时延、丢包率、越区切换时间和场强覆盖率的要求。

(2)传输时延

在不考虑数据包丢失的情况,从发送方发出信息到接收方收到信息之间的信息传输时延不大于150ms。

(3)无线传输速率

DCS系统所支持的平均车、地信息传输速率不低于1Mbps。

(4)丢包率

车头、车尾单侧的丢包率小于1%。

(5)接收信号强度

采用无线自由波传输信息时,AP覆盖范围内接收信号强度高于-65d Bm的概率不低于95%。

(6)切换时间

车载无线设备漫游切换时间的平均值低于100ms,漫游时间不超过150ms的概率不低于95%。

2.2 车-地无线抗干扰要求 根据城市轨道交通运营环境进行分析,其可能存在以下干扰源：

(1)同频干扰；

(2)多径干扰；

(3)谐波和杂波干扰；

(4)电磁干扰等。

针对上述各种干扰源,车地无线通信在频率选择、信道选择和系统设计方面营进行充分考虑,可采用相应抗干扰措施来减少和避免外界的其他干扰。

(1)无线链路预算；

(2)使用高增益定向天线；

(3)频率分集与双频冗余；

(4)空间分集；

(5)滤波装置设计；

(6)自动重传协议等；

2.3 车-地无线网络安全要求 车-地无线网络作为信号系统的专用通道,其各种终端、设备的部署、组网设计均合理有效,与互联网(Internet)不作任何连接,信息的内容、流向、格式均有严格定义和要求；根据信号系统对城市轨道交通运营的影响范围,信号系统的网络安全保护等级应为三级,其车-地无线通信应满足三级等保的要求；车-地无线可采用以下保证安全的措施：

(1)有效管理无线网络的SSID；

(2)过滤MAC地址；

(3)过滤协议；

(4)分配IP；

(5)AES加密等。

3 车-车无线通信

信号系统是城市轨道交通安全、有效运营的保障,基于车-地无线通信的的列车控制系统(CBTC)主要由地面区域控制器(ZC)获取现场信息,计算列车的移动授权,发送至车载控制器(VOBC),控制列车的运行；随着信号系统的发展以及5G无线通信技术的完善,对信号系统的运营灵活性有了更高的要求,传统的CBTC系统接口过于复杂,某种程度上不利于维护,且设备数量多导致车-地无线通信数据流量大,难以进一步缩短通信延时,所以基于车-车通信的列车控制系统将成为今后城市轨道交通信号系统的主流。

基于车-车通信的列车控制系统将由车载控制器(VOBC)获取其他列车的信息,同时控制道岔的转换以及计算自身的移动授权,对无线通信的质量要求很高,而5G移动通信超高速率、超低延时、超大容量的特点,能够满足车-车通信的数据传输要求,基于车-车通信的列车控制系统也将在此基础上会快速发展。