城市轨道交通列车运行状态信息传输方案研究

张 惺

目前，国内常规有人驾驶城市轨道交通线路的列车运行状态和故障信息多以非实时方式传输至地面，即列车维保人员上车通过车载专用接口进行信息下载采集，或列车回库后通过库内设置的专用车地通信设施进行信息下载［1］。随着城市轨道交通全自动运行技术的发展，常规有人驾驶线路的运营服务和维护要求逐步提高，需要对列车运行状态进行跟踪监控，因此将列车运行状态及故障信息实时传输至地面的要求也逐步显现。

1 需求分析

1.1 信息内容

车地互联信息，即列车运行状态及故障信息，根据其信息内容可分为以下三级［3］。

一级为关键信息，对列车安全、运营和服务造成显著影响的列车事故和故障，如车辆火灾警报、车门紧急解锁、乘客紧急对讲、列车紧急制动、牵引系统严重故障、制动系统严重故障等，需要立即采取措施处理。

二级为次关键信息，对列车安全、运营和服务造成不显著或没有影响的列车事故和故障，需要在列车返回段场之前采取措施处理。

三级为非关键信息，用于段场维修、故障发现及列车日检确认等情况下的故障记录、监控数据，以及环境数据。

上述各类信息中，一级信息大约60 KB，二级信息大约6 KB，三级信息大约2 KB。三类信息的实际数据量在16 KB/s 以内。按照16 KB/s 进行估算，数据流量为128 kb/s，所需的传输带宽不低于1 Mb/s。

1.2 传输要求

车地互联信息无线传输要求［4］：①车地通信传输带宽要确保低延迟和低丢包率，传输延迟时间应不大于500 ms，丢包率应不大于1%；②车地通信连续覆盖要满足列车实时传输数据要求，无线传输通道的设备布置应全线场强连续覆盖；③列车高速移动时车地通信切换要达到无缝切换，通信网络的越区切换时间不大于100 ms。

2 技术方案

2.1 传输技术比较

目前国内轨道交通车地无线传输网主要有TD-LTE 和WLAN 2 种规模化应用的技术，2 种技术各有特点。

TD-LTE 技术以正交频分复用（OFDM） 和多入多出技术（MIMO）为核心技术，其优势体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。TD-LTE 技术在20 MHz 频谱带宽能够提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s 的峰值速率。经过多年的研究、应用以及发展，该技术目前已经成为一种非常成熟的宽带无线技术，并已在国内城市轨道交通中得到了广泛应用［5-6］。

无线局域网（WLAN）技术以IEEE 802.11 工作组规定的无线通信系统为代表，主要包括802.11b、802.11a 和802.11g、802.11n、802.11ac等物理层标准。基于最新一代802.11ac 标准的WLAN 技术，较上一代标准有更宽的射频带宽（高达160 MHz 通道）、更多重输入/输出（MIMO）、空间流（高达8 个），以及高密度调制解调（高达256 QAM），其理论传输速度可由802.11n 最高的600 Mb/s 跃升至1 Gb/s。基于WLAN 技术的车地无线传输网广泛应用于轨道交通领域乘客信息系统（PIS）、无线上网等高速率的应用系统中［5-7］。

虽然TD-LTE 技术和WLAN 技术均能满足车地互联信息无线传输承载需求，但TD-LTE 较WLAN 技术有频谱利用率高、数据传输时延小、移动性能优异、抗干扰能力强、安全性高等优势，理论上更适用于需要连续覆盖、QoS 保障要求高的业务；WLAN 技术的优势在于频率资源充足、数据传输速率高［8-9］。具体采用何种技术，应结合实际工程的车地无线通信业务承载方案统筹考虑确定。

轨道交通车地无线通信传输承载的业务主要有CBTC 业务、PIS 业务和车载视频监控（CCTV）业务。近几年，国内轨道交通建设TD-LTE 技术多应用于信号系统CBTC 业务承载，因CBTC 的安全等级要求高，不能与其他业务共网承载；同时由于TD-LTE 频率资源有限，最大20 MHz，一般为10 M～15 MHz，其他系统再建设TD-LTE 网便不具备频率资源。因此，PIS、CCTV 等业务多采用WLAN 技术进行综合承载。由于WLAN 频率资源相对充足，且列车运行状态及故障信息属维护、维修类信息，安全等级低于CBTC，将车地互联信息传输业务纳入到PIS、CCTV 业务的车地通信综合承载中更具有实施性。

若TD-LTE 频率资源足够（15 M～20 MHz），PIS、CCTV 与CBTC 业务采用TD-LTE 共网承载，则车地互联信息传输业务同样可以纳入TD-LTE 共网承载。

2.2 传输架构搭建

车地互联信息传输架构由车辆系统、通信系统、PIS、综合监控系统（ISCS）共同组成，该架构充分利用这些系统已具备的车地通信、系统集成互联、中央级信息处理等功能，并通过相互接口进行搭建。

2.2.1 车地互联信息传输网络及接口

车地互联信息传输网络见图1。

PIS 系统的车地通信承载列车信息由车传输到地的业务，车辆管理系统（TMS）通过数据接口将列车信息发送给PIS 车载接口服务器，列车信息经PIS 车地通信网络传输至控制中心的PIS 系统中央服务器。控制中心的PIS 系统中央服务器将承载的列车信息通过数据接口传输至综合监控系统（ISCS）中央服务器。综合监控系统作为全线机电系统的集成+互联系统，收集到列车信息后，承担分发列车信息至各地车辆维修终端的业务［10］。各地车辆维修终端包括控制中心OCC 总调度台的车辆维修终端、消防控制室的车辆维修终端、车辆段/停车场DCC 的车辆维修终端和车辆工区的车辆维修终端。发送至车辆段/停车场车辆维修终端的信息需由综合监控系统中央服务器通过通信传输系统分别传输至车辆段和停车场综合监控系统服务器，再通过数据接口分发到车辆维修终端。

2.2.2 车辆维修终端的配置

所有列车运行状态及故障信息最终是在车辆维修终端上统计、分析和处理。因此列车信息由车传输至地后，应根据信息使用需求分别传输至控制中心OCC、段场调度DCC、车辆维修工区等地，其中列车火灾报警信息还应传输至消防控制室。车辆系统应在上述各地相应设置维修终端以及配套的应用软件，用于车辆状态信息的接收、显示、报警，以及故障分析和统计等。

图1 车地互联信息传输架构

车辆系统在控制中心OCC 总调度台设置2 套维修终端，在硬件和软件上具有相同的配置，功能互为备用；在车辆段和停车场的调度DCC 各设置1 套维修终端；在车辆段车辆维修工区设置2 套维修终端，在硬件和软件上具有相同的配置，功能互为备用；在车辆段消防控制室设置1 套维修终端；在控制中心消防控制室设置1 套维修终端。

3 实际应用

本文结合常规有人驾驶线路车辆系统、通信系统、乘客信息系统（PIS）、综合监控系统（ISCS）已有的功能和配置，通过相互间的接口连接和信息传输，在不增加较大投资的情况下，提出实现车地信息互联功能的技术方案。目前该方案已在佛山市轨道交通2 号线、3 号线工程中实施。佛山市轨道交通车地无线通信LTE 专用频段批复情况为地下13 MHz、地面8 MHz，并已明确TD-LTE 技术应用于信号系统CBTC 业务承载，CBTC 采用A、B双网设计，地下为10 MHz（A 网）+3 MHz（B 网），地面为5 MHz（A 网） +3 MHz（B 网）；PIS 和CCTV 业务采用5.8 GHz 频段的WLAN 技术实现车地无线通信综合承载，车地互联信息传输业务纳入该综合承载网；车地互联信息传输架构方案与本文描述方案完全一致。

4 结论

本文提出的列车运行状态及故障信息传输方案，能够使地面控制中心的维修调度人员和车辆维修工区的维修人员实时监视列车各类运行信息、设备状态信息和故障信息，便于地面维修调度根据列车信息及时结合运营调度进行远程管理和相关列车运行调度指挥，提高调度管理水平；同时便于维修人员进行列车信息的下载、收集、智能统计和分析，提高维修效率和管理水平［2］。