浅谈基于无线的车-地通信系统

张文洲

*广州市地下铁道总公司 助理工程师，510380 广州

在城市轨道交通系统中，移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，与传统的模式相比，其追踪列车的安全间隔距离最小，具有最大限度地提高线路运输的能力。

基于无线通信技术的CBTC信号系统，不依靠轨道电路检测列车位置向车载设备传递信息，而是利用无线通信技术，通过车载设备、现场的通信设备与车站或列车控制中心实现信息交换，完成对列车速度的控制，故其具备高可靠性、高效性、抗干扰性等特点。

1 CBTC信号系统的基本原理

列车自动防护系统的地面设备周期性地接收本系统控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度等信息。相应地，列车自动防护系统的地面设备根据接收到的列车信息，确定各列车的移动授权，并向本系统控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权。其中，移动授权由前行列车的位置来确定，移动授权将随着前行列车的移动而逐渐前移。列车自动防护系统的车载设备根据接收到的移动授权以及列车速度、线路参数、司机反应时间等信息，动态地计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线，以确保列车不会超越现有的移动授权点。因此在移动闭塞系统中，列车自动防护系统计算出的防护点不是在轨道区段的分界点，而是在前行列车车尾后方加上安全距离的位置，它会随着列车的移动而移动。

2 基于无线的车-地通信系统的构成

以广佛线的无线通信系统为例，基于无线的车-地通信系统结构如图1所示。

图1 广佛线基于无线的车-地通信系统结构示意图

列车控制系统可以在轨旁、中心和车载设备之间进行通信，通信使用标准网际协议寻址机制。系统使用一个无线局域网，此局域网针对列车控制应用程序的要求专门定制而成。系统具有足够的固有容量，即便将来轨旁到列车间的应用程序增加同样适用。

图2 无线车载设备结构示意图

2.1 无线系统车载设备

车载设备结构包括2个无线列车单元 (均包含安全相关的列车控制)，分别位于列车前端和后端。每个列车单元包含1台计算机及总计4个局域网无线收发器。收发器分别连接列车头、尾的天线阵列。列车控制与无线系统采用高速以太网接口，即在列车头、尾二端设备机柜内部实现互连的短电缆，参见图2中的箭头。

1．车载无线列车单元。每列车的通信系统包括2个完全冗余的无线列车单元，作为轨旁接入点的通信客户端，分别安装在靠近每列车的前驾驶室和后驾驶室的指定机架中，无线列车单元包含电源转换器和列车无线网卡。

2．车载无线网卡。每个无线列车单元包括2个冗余的车载无线网卡，并以分载的方式工作，提供列车控制的数据传输。此无线网卡与轨旁无线网卡型号相同，其固化软件基于无线局域网的标准，只是进行了细微的修改，具备与最高列车行驶速度相适应的快速漫游能力。

3．车载通信链路。列车单元通过一个安装在列车上的专用以太网来进行点对点通信。此通信缆线、接头和跳线 (车厢之间)的安装须由客户和/或车辆生产商同意、支持并执行。列车单元以热备冗余的模式持续进行工作，事实上对于列车控制的相关数据，则以负载和数据分摊的模式进行工作。

4．车载天线。每个无线列车单元的无线网卡与一组 (2个)车载天线相连。天线安装在驾驶室上方，位于车辆驾驶室的复合材料面板后面，朝车辆较近的车头方向。每个无线列车单元采用2个天线是为了增强其通信性能。

2.2 无线系统轨旁设备

轨旁接入点以及所有的接口设备都安装在一个机箱内。接入点为列车控制数据提供双向 (上行和下行)通信。接入点的设计应满足铁路应用的要求，易于进行维护。接入点的尺寸可根据组件对空间的需求和实际的现场条件来最终确定。轨旁接入点的机箱应安装在隧道壁上，位置应接近轨旁天线。

轨旁接入点包括一个完全冗余的无线单元，以列车控制分载的方式进行工作。为维护方便，无线单元采用标准化的无线局域网组件。轨旁接入点连接到一个天线装置上，天线2个一组安装在安装机架上。为了在隧道安装后可承受预期的风力载荷，天线支架应安装在靠近隧道壁和隧道顶的位置;在露天场所则需要安装支撑杆。

轨旁天线选择。由于定向天线为窄波束、高增益天线，覆盖较长的直线轨道区段，适合线性路径拓扑结构，因此轨旁天线应选择定向天线。在列车上，定向天线安装在机车里，防止被洗车设备损坏。每个接入点使用2个发射方向相反的单向天线，可为一个包含最小数目接入点的指定距离提供无线服务。每个接入点2个天线的组合向一个特定区域提供无线服务。在曲线轨道的特定区段可选择扇形天线，因为它会提供一个更宽范围的无线电频率覆盖。即便要求系统具有无线漫游功能，基于方向和速度的考虑，定向天线仍是最好的选择。

轨旁频率覆盖范围。一个无线网络包括无线服务器、网络交换机、接入交换机和光缆。每个接入点使用相同的无线频率，服务于各自所在轨道的2个方向。轨道沿线频率通常遵循一个固定的序列，通常使用3个无线局域网频率和一个备用频率，这个备用频率用于拓扑结构复杂的特定情况。为提高网络健壮性、避免叠加影响和降低噪音，相同频率的覆盖区域彼此分开，不同频率的覆盖区域相互重叠，如图3所示。轨旁接入点的布置方式。轨道沿线的每个接入点主要属于2个完全冗余的系统通道。每个系统通道使用自身的光以太网通信，该网络为环形拓扑结构，如图4所示。当一个单独的接入点出现故障时，不会影响到通信性能。

图3 轨旁接入点和频率的大致排列

图4 轨旁频率覆盖示意图

3 基于无线通信的CBTC列车控制系统

3.1 优点

1．运行间隔缩短。运行间隔是指在线路上某点处前后运行的两列车之间的间隔。在无线CBTC系统中，一个列车车载设备探测到轨道上的应答器从而确定列车的位置。通过服务器中的数据库查找它们的位置，并测量自前一个探测到的应答器起，已走的距离。列车车载设备通过双向无线通信向轨旁设备报告本列车的位置。按照广佛线的设计，该线的无线系统应具备，在隧道中的2个相邻接入点之间可运行2列车。

2．硬件数量相对减少，施工维修也更为简单。无线CBTC系统中轨旁的设备只有轨旁无线单元、轨旁接入点。同时，列车占用检测系统也集成到系统中，以保护工程车和非通信列车。较少的轨旁设备意味更简单的维护过程和更低的生命周期成本。且系统扩展性能好，无线通信网络具有扩展和改造灵活的特点，这使得今后对系统的维护和更改作业比较简单。

3．传输方式更为优越。传统的信号系统通过轨道电路实现地面控制系统向列车传输信息的单向传输。而无线CBTC系统不依靠轨道电路检测列车位置和向车载设备传递信息，它是利用无线通信技术，通过轨旁与车载ATP/ATO之间的直接信息交换，完成对列车的控制。无线CBTC系统可提供双向高速大容量实时数据通信，信息传输独立于轨道电路，受外界各种物理因素干扰小，运行可靠。

4．系统的灵活性强和安全性高。无线CBTC系统，能够有效处理不同速度、制动性能及长度的列车，能够实时检测出列车不能完成预期性能的故障，从而使系统或者调度员及时做出反应，调整系统运营状况。

3.2 缺点

1．无线系统室外设备的运行稳定问题。室外设备经常损坏。在实际运营过程中发现，处于室外的无线网卡经常由于环境因素的影响出现问题，不能正常发送无线信号，造成列车丢失无线信息影响运营。

2．频率干扰。频率干扰问题分为同频干扰和邻频干扰。其中，同频干扰是指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。邻频干扰是指干扰台邻频道功率落入接收邻频道接收机通带内造成的干扰。频率干扰问题是无法彻底根除的，只有严谨地划分频率，并不断引入最新或更合适的抗干扰技术，才能将干扰问题减少到最小。

3．软件维护问题以及工程协调配合问题。软件维护制约着系统的可用性，有些公司在合同谈判或者投标的时候，隐含词语，回避软件维护工作，造成后续设备维护单位工作被动。甚至需要大量投入，还要影响正常运营。这就需要我们从多方面进行权衡，选择供货厂家时要慎重，考虑服务意识比较好的供货商，这样有利于系统的调试开通和运营维护。

总之，相对于传统的信号系统，无线CBTC系统以更短的行车间隔，更少的硬件数量，更为简单的施工维修，更为优越的传输方式，更高的灵活性和安全性等优势将在城市轨道交通中发挥更大的作用，代表了城市轨道交通信号系统的发展方向。

［1］ 舒安洁，李开成．CBTC系统信息安全传输的研究［J］ ．微计算机信息，2006(22)．

［2］ 丰文胜，黄钟．城市轨道交通列车自动控制系统的标准化设想［J］ ．城市轨道交通研究，2002(4):36．

［3］ 李红侠．城市轨道交通移动闭塞ATC系统的运用分析［J］ ．城市轨道交通研究，2004(3)．

［4］ 陈永生，徐金祥．上海轨道交通信号制式的多样性及其对策［J］ ．城市轨道交通研究，2002(4):29.