地铁信号系统通信控制技术研究

陈 洁，张 强

（江苏师范大学科文学院，江苏 徐州 221000）

0 引 言

城市轨道交通系统基础设施建设需要较高的成本，为了控制建设及运营成本，应采取高速、高密度运营方式，借助先进的通信设备来进行控制与调度管理。很多新地铁轨道线路建设时，将基于通信的列车控制技术应用在信号系统中，建立起列车与地面间的数据通信渠道，可以更好地确保高速行驶条件下的运营安全，进一步缩短行车间隔并提升运营效率。基于无线通信的地铁轨道列车自动控制定位中，列车和地面通信设备间采用全双工大容量方式进行信息传送，可以对列车实现更为准确的控制，也可以降低轨道旁的设备使用数量，有利于节省投资并提升运行安全性[1]。

1 基于通信的地铁列车信号控制技术

1.1 基于通信的列车控制

以连续式列车控制作为基础，通过多年的研究与实践，基于通信的列车控制技术已经取得了长足的发展。根据列车与地面传输信息方式对其进行划分，可划分为无线、环线等多种类型，不再采用轨道电路来对闭塞分区是否被占用进行判断，不存在固定闭塞的局限性。与传统轨道电路列车控制系统相比，基于通信的列车控制系统具有如下优势。

（1）结构更为简洁。从控制系统硬件结构方面来看，将控制中心设备作为核心，地铁列车和车站中设备均为执行机构，实现通信控制设备的一体化，联锁、闭塞以及超带等均可通过软件来实现，不需要再进行分隔。

（2）更加灵活。控制系统不需要再增设其他设备，可采用双向运行，不会因地铁列车反向运行而造成系统安全性降低。基于通信的列车控制系统在运行过程中，采用差异化的调度策略实现对多条交叉线路进行处理与控制，应对咽喉区段地铁列车复杂的情况存在一定优势，可应用于同时运行的不同编组、不同性能的列车。

（3）更加高效。采取移动闭塞运地模式，能够有效缩短列车运行间隔，优化列车驾驶节能算法，有利于降低能耗。采用基于通信的列车控制系统，地铁在轨道线路上的位置是由车辆本身来确定，再通过地车通信系统将数据信息实时发送给列车控制设备。该技术与传统列车位置检测方法有所差异，可进行车载设备与轨旁设备间的双向通信，具有较大的信息传输量[2-5]。

1.2 列车自动控制技术

控制系统有两种制式，一种是基于数字轨道的准移动闭塞，另一种是基于感应环线和无线通信的移动闭塞。移动闭塞具有较高的安全性、可靠性，可对运营间隔进行优化，车辆与地面间采用无线传播方式实现双向通信。车载控制器会周期性地向地面区域控制器发出地铁车辆位置信号报告，控制器接收到报告信息后会将行驶方向上的上列车辆无线接入设备视作授权终点，再将该信息再次下发至车载控制器，车辆可以按即定速度曲线行驶，这样就可以起到运营间隔优化的作用。自动防护（Automatic Train Protection，ATP）车辆碰撞及脱轨为车辆控制的核心，实现对安全间隔、超速的防护和车门控制。自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）车辆运行及站台停靠操作需要在ATP控制系统安全件下应用，从而实现对车速的控制和对列车运行的调整，提升旅客舒适度并降低驾驶人员劳动强度。此外，列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）是对车辆安全和有效运行进行管理的子系统。

1.3 列车自动监控技术

对子系统和其他系统通信接口进行监控，由列车数据系统进行上传报告，实时显示运列车实际位置，对列车运行等级和停站时间进行调整，合理配置运行间隔。采用通信渠道对到站列车进行调度掌握，采用区域控制器实现区域的关闭或开放控制。对监控系统设置不同控制等级，将异常情况和设备故障带来的影响降到最低。一般情况下，监控中心对全线进行监测与控制，如果发现监控出现故障，将自动切换至主机服务器、通信服务器。站级列车监控设备若存在故障，可通过进路和折返进路，也可由本地控制站来进行人工进路控制和根据站间进行闭塞行车。

监控系统不需要操作人员干预，可根据调度需要增设和监督列车，合理移出结束运营列车。监控系统收到区域控制及车载控制器运行信息后，可以对系统存在的问题进行远程诊断，为解决故障提供技术支持。监控系统具有自检测试功能，启动时可以对系统进行测试，查看是否可以按照设计要求正常工作，出现供电故障时可自动发出关闭命令，电源供电恢复时可自动重启软件，具有主、备冗余设计，相互隔离可避免非正常操作对系统带来不利影响。出现系统故障时，则会将主用设备切换至备用，同时发出报警信号。

1.4 数据通信系统技术

不同通信设备间进行双向、安全的数据信息交互需要借助于开放的通信接口和完善的体系架构，通过安全算法对消息进行保护，满足对数据传输延迟和数据传输率的要求。基于通信的地铁信号系统，在任何状况下都不可以存在系统故障，高安全、高可靠是对控制系统的基本要求，同时需具备很好的故障自愈能力。有线通信采用以太网标准，由接入网和骨干网两部分构成。无线接点可以与列车进行双向通信，采用多模光纤来与接入交换机进行数据交互。无线通信是轨旁有线和列车保持通信的关键渠道，由无线接入点、空间无线通道以及车载单元构成，可以实现可靠、高效和安全的双向通信。接入点与交换机进行连接，并延伸至轨旁接入网络中，再与骨干网络进行数据互联，接入点另一端通过天线传输信号与车载单元进行通信。通信系统由地面有线网、车-地无线网、车载有线网构成，其中有线网采用以太网技术，数据丢包和延时问题多存在于车-地通信系统。

2 数据通信系统的总体设计架构

2.1 地面骨干网系统设计

对多个独立以太专用网起到承载作用，为每个子系统提供单独通道，提供满足数据传输需要的带宽。有线骨干线具备双网并行冗余设计，信息报文可以通过独立的通信网络传输至终端，确保达到冗余通信要求且具备暂时故障自我恢复能力。有线骨干网采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等技术，采用光纤进行通信连接来建立起拓扑结构，将通信设备集中站、车辆段等作为网络节点。子系统的数据传输数率、报文传输时间等性能参数要达到车辆控制要求，并满足国际相关通信标准。

在SDH组网方式中，每个集中站通信系统中均要设置一个SDH，结合不同的组网方式还可将其划分为普通节点、交叉节点。以基于通信的地铁列车为例，SDH网络多采用环状结构，以二纤双向复用段来对节点故障或光纤故障进行保护时，不可对其他SDH节点设备通信带来影响。图1显示了光纤损坏条件下SDH节点n至n+2的数据流方向，通过双纤通道倒换环来进行保护。

图1 SDH复用段共享保护环

在正常工作情况下，通信网络呈现闭合环状，复用段共享保护环将传送通道分为工作通路、保护通路，每个通路各占一半。一般业务可经过工作通路来进行传输，保护通路为空闲状态。此外，也对低等级业务数据进行传输，节点数量不大于16个。

在保护倒换情况下，如果通信光缆出现故障，光缆两边的两个节点切换为VC-4发送方向。业务数据信息不再经过正常工作路径来进行传输，采用环网另一方向路径进行传输。保护路径获取到VC-4对其进行本地处理后，再将其复制到工作路径，可视作正常数据进行处理。其他节点处于通过状态，表明转发保护路径获取到数据信息，可将工作路径作为正常模式进行处理。从n节点发送至n+2节点的数据信息，正常情况下将最短路径改变为从n节点发送至n+1、n+3节点，通过n+1节点来接收，再切换至工作路径进行处理。由n节点流向n+1节点的数据流量改变为在保护路径中由n节点发送至n+1、n+3节点，节点为通过状态下不需要进行过滤，交由n+2节点来接收，再改变至工作路径的n+3节点来进行处理。相同地点一根或两根光纤出现故障时，则具有相同的动作。VC-4保护路径可应用于数据信息传输，有利于提升带宽，但保护机制为有效状态时不能作为数据传输通道。故障点被修复好以后，环中每个节点将业务倒换回复至正常状态，可以为下次故障提供保护倒换，将倒换时间控制在50 ms以内，与业务数量无直接关系。复用段共享保护环可对线路和节点故障进行有效保护，倒换机理较为简易，不再采用自动保护倒换（Automatic Protection Switching，APS）协议作为技术支持。由于每条业务需要占用环上1条完整的数据通道，因此总业务量会受制于系统容量的大小。

2.2 有线接入网系统设计

采用以太网来承载IP数据包，实现端到端的数据传输，保证以太网交换机相互间的列车可进行连续的数据通信。以太网交换机为相同的LAN，如果列车不经过以太网交换机区间进行切换，可采用单独IP子网来满足性能要求。接入网由路由器、光电转换器、交换机等构成，可以与系统设备接口进行连接。每个子系统通信设备均可接入至SDH骨干网，还可为区域控制器、监测系统等提供信息传输通道。和骨干网相同，接入网采用相同的车-地子通信系统，可达到地铁列车控制要求，符合国际相关标准[6]。

2.3 无线通信网系统设计

将WLAN无线标准应用车-地无线通信，地面通信设备通过系统接口服务器与车-地无线通信网进行数据连接。通信网采用双网进行设计，配置不同的无线信道。在车头和车尾安装有车载无线通信单元，实现通信设备的冗余备份。通信设备间切换时间与无缝切换要达到列车控制要求，同时还要达到国际标准要求。移动切换时，确保通信系统间要做到无缝切换，车载移动通信切换时间不超过100 ms。车-地无线通信为轨旁有线与列车通信的基础条件，含有轨旁无线接入点、无线通道和车载通信单元，可实现高效率、安全的双向通信。轨旁无线接入采用交换机来接入至网络，轨旁接入网会与骨干网保持连接，接入点另一端通过天线来发送信号，与车载通信单元进行通信。

2.4 定位系统设计

定位系统可以更好地保证安全列车间隔，通过对运营列车进行计算，确定当前列车与前行列车尾部的距离，从而对车辆速度进行有效控制。在地铁沿线安装无线基站，通过不断发射带有位置信息扩频信号，地铁列车获取到信号后再采用接收与发射扩频信号间的时钟差进行计算，求得与无线基站的距离，同时确定实时列车位置。固定闭塞和准移动闭塞存在轨道电路，可用于闭塞分区列车占用的监测，结合测速、测距可以更为准确地得到列车定位，也可以通过应答器对坐标进行校准。移动闭塞中不存在轨道电路用于列车占用检查，被控对象为动态运行状态，要得到列车具体位置和速度后才能对列车进行控制。应用列车定位技术是控制系统的关键，可以在列车尾部安装无线通信设备，通过发送出无线信号给列车头部车载通信设备。如果检测头尾通信中断，则可以判定列车完整性存在问题。

3 结 论

综上所述，为了实现地面通信设备间与车-地设备间的双向数据交互，基于地铁信号系统通信控制系统获取列车实时速度和位置等信息，通过动态计算得到列车的最大制动距离等参数，从而在保证列车安全的前提下进一步提升列车运营效率。