城轨全自动运行系统车地通信制式研究

■ 肖衍

城轨全自动运行系统车地通信制式研究

■ 肖衍

分析全自动运行系统车地无线专用通信技术特点及新增需求，对我国主流的车地通信制式从可靠性、安全性、系统性能等方面进行比较，指出采用TD-LTE技术实现多业务综合承载是全自动运行乃至未来城市轨道交通专用移动通信网络演进的方向；提出现阶段车地无线通信综合承载技术方案，展望其未来技术发展趋势及工程应用面临的问题。

城市轨道交通；全自运行；车地通信；TD-LTE

1 全自动运行系统车地通信

全自动运行（FAO）是指将列车驾驶员执行的工作完全交由自动化的、高度集中控制的列车运行系统完成，系统通常具备列车自动唤醒、启动和休眠、自动出入停车场、自动清洗、自动行驶、自动启停车、自动开关车门等功能，提高了轨道交通的整体自动化水平，可实现最佳化运行，代表未来轨道交通技术的发展方向[1-4]。

全自动运行的核心是可靠性、安全性，而车地无线通信是全自动运行安全、可靠工作的前提和根本保证，无论是信号、车辆状态、车载视频监控、乘客对中心的紧急语音呼叫，还是紧急文本和乘客信息系统（PIS）信息的下发都依靠车地通信实现列车控制、监测和应急处置。我国发展全自动运行技术，经过了从引进技术到自主创新的发展历程。2008年竣工的北京机场线引进阿尔斯通（信号）和庞巴迪（车辆）技术建造，其车地通信采用一套无线局域网（WLAN）系统集成了信号、PIS和车载视频监控系统（CCTV）。上海地铁10号线是全套引进阿尔斯通技术建造，车地通信采用2套WLAN系统，信号工作在2．4G频段、PIS（含车载CCTV）工作在5．8G频段。计划2017年竣工的北京地铁燕房线采用完全自主知识产权的自动运行技术，车地通信以时分长期演进（TD-LTE）综合承载信号、PIS、车载CCTV、紧急文本和车辆状态信息。上述3个自动运行系统均采用TETRA无线数字集群实现专用无线调度电话功能，目前国内还没有实现对车地专用语音通信的综合承载。

2 城轨交通全自动运行系统车地通信技术特点

2.1 车地无线专用通信业务

地铁车地专用无线通信通常主要包括3类业务：第1类是为基于通信列车控制系统（CBTC）提供高可靠的车地通信链路，以完成列车的移动授权和安全防护；第2类是联接车辆驾驶室与控制中心、车辆基地的语音通道，以实现列车调度和应急处置；第3类提供中心对车辆的PIS信息下发及车载视频监控图像的上传。针对这3类业务，通常采用3套独立的通信系统分别为每一类业务提供服务：一套2．4G频段的WLAN系统为CBTC提供车地通信；一套2．4G频段的WLAN系统为车载PIS系统和车载CCTV服务；一套TETRA800M无线数字集群提供车地语音服务，也能支持小量紧急文本信息的下发。依靠频点的合理规划、漏缆和天线方向的调整、协调无线AP的安装位置等方法，减少系统间的相互干扰和系统内部同频干扰。

2.2 全自动运行系统车地通信的新需求

地铁运营于相对狭小封闭的地下空间内，人员密集，属于易受攻击与破坏的敏感区域。传统驾驶模式下，在车辆客室内安装视频监控摄像头，列车司机及时了解车厢内情况。但全自动运行模式下，运行自动化程度提高，司机职能向设备和控制中心转移，由控制中心实现车辆调度，列车自动运行。为保证车辆的安全可靠运行，全自动运行系统中，轨道交通通信系统需要为控制中心调度人员提供运行车辆前方、内部及沿线图像。尤其是故障情况下，车辆需要在控制中心操作下进行蠕动模式行驶、进入待避线等，都需要视频监控系统进行辅助。驾驶室需要增强对前方轨道的视频监控，在紧急情况下，辅助控制中心人员进行防灾救灾、疏导旅客等，也方便后期调查取证。客室内摄像头数量也应有所增加，另外CCTV需要与车门旁的乘客应急电话、紧急手柄及火灾烟感探测等装置联动，向控制中心主动推送事发地点的图像，提升应急处置的效率。

传统驾驶模式下，车辆驾驶室有2名乘务人员，在行车过程中如遇到紧急情况，如乘客突发疾病、车辆故障等，乘客可以向列车上乘务人员反应问题，并由乘务人员采取相关措施，与就近车站或控制中心联系，采取相应应急措施。实现全自动运行后，原来乘务人员与乘客进行信息沟通的职能转移到设备和控制中心。为了实现乘客与控制中心的通话需求，全自动运行系统车辆需要增设应急电话，使旅客能随时和控制中心双向通话（全双工），车载台设备具备自动检测和报告、自动开机关机的功能。通信专业实现应急电话车地无线通信的冗余。

在轨道交通运营中，车地无线通信承担着车地列控通信、车地语音通信（含无线列调和车载应急电话）、PIS多媒体通信（含车载CCTV）。由于采用全自动运行系统后，增加列车头部监视前方轨道及客室内的车载CCTV功能后，需要更大的传输带宽。 信号系统车地通信对可靠性、安全性要求更高，需要双网冗余。车辆及车载设备唤醒时的自检信息和运行过程中的诊断信息上传也使信号系统对车地通信传输带宽、质量、可靠性提出更高要求。总之，目前车地无线的带宽受到一定限制，时延较长，其性能难以满足全自动运行对车地通信的要求。全自动运行系统车地通信带宽需求见表1。

表1 全自动运行系统车地通信带宽需求

2.3 全自动运行系统车地通信技术特点

全自动运行模式下，更加强调系统的可靠性，系统采用双网冗余热备，网络设备冗余配置，防止单点故障引发的通信故障甚至系统瘫痪。对通信系统的安全性提出更高要求（含功能安全和信息安全）。清晨车辆唤醒阶段，车载通信设备自检故障会转入故障处理和检修模式，不允许投入正线运行；正在运行中的系统故障，视情况轻重采取救援、退出运营等相关措施。数据的存储、空口传送和处理过程采用加密、鉴权等相关措施保证数据完整性和信息安全。要求通信系统具有良好的性能，如更短的时延、更高的传输带宽和传输质量。对不同类型的业务传送的优先级不同，优先保证列控信息传送，其次是车辆状态、语音，最后是PIS信息。从国内外应用的案例来看，车地通信朝着综合承载集成多业务的方向发展，新加坡东北线为全世界第一条实现正线、车辆段全自动运行的重载地铁线路，其车地通信采用一套无线系统集成了信号和车载视频监控。采用一套系统综合承载，能够有效避免系统间的相互干扰，轨旁设备较少，更进一步保证了系统的可靠性，系统的集成度更高，可降低设备投资和运营成本，提高系统联动的效率，有利于全自动运行的统一指挥和应急处置[5-7]。

3 车地通信方案选择

3.1 我国车地通信主要技术体制

车地专用无线通信包含W L A N、数字视频广播（DVB-T，含RailView）、TD-LTE等主要技术体制。

3.1.1 WLAN技术特点及应用

基于I E E E802．11系列的无线通信系统，也称WLAN，起初是作为有线局域网的延伸，正逐渐发展成为公共无线局域网。WLAN技术在带宽上可满足需求，但是在列车快速移动时，系统需要较大的控制信息开销以克服因快速移动带来的频移、衰落；带宽低，易受到外来系统干扰。目前国内大多数轨道交通线路的信号系统和PIS系统车地无线系统均采用WLAN技术。已开通的轨道交通线路主要采用802．11a、802．11g技术，承载业务满足车地之间15M左右的带宽需求。

3.1.2 DVB-T（含RailView）技术特点及应用

DVB-T为静止和移动用户单向传输无线宽带视频数据业务，满足人们数字电视业务的需求。DVB-T采用码分正交频分复用（COFDM）的信道调制技术，同时通过纠错码达到频谱利用效率与传输可靠性的平衡。RailView系统是国内专门针对轨道交通PIS车地传输需求而开发的一套双向DVB-T系统，双向DVB-T技术在带宽上可满足需求。该技术在重庆和武汉轨道交通部分线路PIS车地无线传输系统建设中得到应用，支持车地之间的语音业务。在10 MHz专用频率无线频率资源条件下，提供16 Mb/s业务数据带宽传输。

3.1.3 TD-LTE技术特点及应用

TD-LTE采用我国拥有核心自主知识产权的时分复用4G移动通信技术标准，目标是建立一个能够获得高传输速率、低时延，支持增强型多媒体广播组播业务、基于包优化的可演进的无线接入架构。为了达到以上目标，TD-LTE系统采用接近于全IP化的扁平化网络结构，集成了适用于宽带移动通信传输的众多先进技术，如正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）、混合自动请求重传（HARQ）、自适应调制编码（AMC）、小区间干扰协调（ICIC）等。产品成熟度较高，可选择范围较大。郑州地铁1号线PIS车地无线传输系统采用TD-LTE技术同频组网，系统使用10 MHz专用频率资源（1 795～ 1 805 MHz）。上行规划带宽6 Mb/s，用于回传视频监控图像；下行规划带宽8 Mb/s，用于PIS车载图像直播。

3.2 方案比较

WLAN技术成熟稳定，可以减少工程实施的技术风险；设备成本低，有利于降低工程造价。使用2．4G公用频段系统，容易受到外来系统（运营商Wi-Fi热点、手机Wi-Fi热点和蓝牙等）干扰，深圳、重庆、成都等地都发生过影响运营的情况。区间AP部署密集达每200 m一个，越区切换频繁，导致轨旁设备多、可靠性低、越区切换数据吞吐能力显著下降。不支持多种业务的优先级调度，高速移动性能差，目前在100 km/h以内。从长远来看，解决信号系统车地通信的安全性从根本上讲还是需要采用专用频段，以及更加先进的通信技术。2015年3月，工业与信息化部发布了《关于重新发布1 785～1 805 MHz频段无线接入系统频率使用事宜的通知》（工信部无［2015］65号）。该文明确指出1．8G频段可用于交通（城市轨道交通等）领域。采用专用频段的DVB-T或TD-LTE技术，能够避免高架线路周边电磁环境及地铁自身PIS系统对信号系统的干扰，其传输带宽能够满足全自动运行的需要。我国率先制定LTE宽带集群（B-TrunC）标准，TD-LTE能够支持多媒体集群调度功能，比DVB-T系统的发展潜力更大，具有高带宽、时延短、频谱配置灵活、频谱利用率高、良好的QoS等级调度，对高移动性的支持等优点，能够整合车地信号的列控信息、车地语音通信和PIS的车地多媒体通信，未来将使现在的3套系统为1套系统，无论是经济性还是可维护性都有很大改善。采用TD-LTE为代表的4G、5G技术实现多业务综合承载，是全自动运行乃至未来城市轨道交通专用移动通信网络演进的方向。

4 TD-LTE综合承载方案

采用A、B网冗余组网，每个网络均由核心网（EPC）及网管、基带处理单元（BBU）、射频拉远单元（RRU）、车载无线终端（TAU）组成。 在控制中心或车辆段通信设备室集中设置核心网设备EPC、路由器。通过路由器实现信号系统和PIS（含CCTV）系统业务的接入，同时实现不同业务之间的隔离和网络安全需求。BBU设备通过以太网交换机连接到EPC；通过CPRI协议连接到设置在轨旁和车辆段/停车场覆盖区的RRU设备。BBU与RRU采用光缆连接方式，线路采用漏缆覆盖，车辆段/停车场相关单体采用天线覆盖。BBU设备可集中或分散设置。这种组网方案已经于2014年6月在北京交通大学进行了室内测试，同年8月在中国铁道科学研究院城轨试验线完成了外场测试，实验结果表明综合承载完全可行。

5 结束语

全自动运行轨道交通在我国已经有了良好的开端，北京燕房线也在自主化系统集成、信号、基于TD-LTE的车地专用无线通信综合承载、车辆装备的研发和制造等方面取得了阶段性成果。下一步还有许多工作要做，目前的集成方案还不包括语音，我国制定的LTE宽带集群标准已经成为ITU推荐的PPDR国际标准，B-TrunC空口关键技术成功推进到3GPP，在R13即将完成标准化。随着宽带集群技术的不断完善，如何实现对语音通信的集成需要进一步探索。区域轨道交通逐渐兴起，新一轮轨道交通建设高潮即将到来，以北京新机场线为例最高运行速度达到160 km/h，TD-LTE综合承载在高速下的工程化应用需要做好相关技术验证。

[1] 肖衍，苏立勇．全自动驾驶信号系统功能需求分析[J]．铁道通信信号，2014(12)：39-42．

[2] IEC 62290-1 Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/VontrolSystems-Part 1：System Principles and Fundamental Concepts [S]．Geneva：IEC，2007．

[3] IEC 62290-2 Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/Control Systems-Part 2：Functional Requirements Specification[S]．Geneva：IEC，2011．

[4] 肖衍，苏立勇． 轨道交通全自动驾驶系统集成技术研究[J]．中国铁路，2015(5)：109-113．

[5] 赵有明，方鸣，刘潍清． 欧洲轨道交通技术类研究项目综述[J]． 现代城市轨道交通，2014(1)：1-6．

[6] Annual World Report[EB/OL]． UITP．（2013-12-31）[2015-06-01]． http://metroautomation．org/wpcontent/uploads/2013/09/Annual-World-Report-2013．pdf．

[7] M GHANTOUS-MOUAWAD，WALTER SCHőN，JEAN-LOUIS BOULANGER，et al． Converting a conventional metro line into automated operation：identifying and managing the safety process of the traffic in migration phase[C]//IET System Safety，2006．

肖衍：北京市轨道交通设计研究院有限公司，高级工程 师，北京，100068

责任编辑卢敏

U231

A

1672-061X（2016）06-0026-04

北京市科学技术委员会2014年科技计划项目（D141100000814003）