CBTC轨旁AP设备改造

杨 进 杨 城

基于通信的列车控制系统 (CBTC)，利用无线通信取代传统的轨道电路，实现车载信号设备和轨旁的连续式双向通信，对列车运行精确控制，减小列车追踪运行间隔，提高了运行效率，CBTC系统已成为我国城市轨道交通信号设备的发展方向。但目前CBTC的通信系统是基于IEEE 802.11b/g协议的2.4 GHz无线局域网系统，容易受到线路附近的民用WLAN的干扰，给实际应用带来了一些不稳定因素。另外，在电磁环境复杂的现场，轨旁AP采用单机、单通道运行的模式也会给列车的降级运行增加可能性，影响信号设备的可靠性和列车运行效率。目前对上述问题的研究、改进都是基于现有无线通信设备，不能根本避免这些不稳定因素。为此，提出一种CBTC信号系统轨旁无线AP的改造方案，采用IEEE 802.11a无线协议通信，避开民用局域网的干扰，轨旁AP采用双机热备设计，增强抗电磁干扰能力，提高可靠性。

1 硬件设计

图1为AP箱处理板硬件设计结构图，包括列车卫士TGMT(Train Guard MT)信息处理通道和旅客信息 (PIS)处理通道，2个通道配置相同，每个通道包括以太网模块、处理器模块、无线网卡模块、接口模块、LED指示模块和电源模块。

硬件设计上，处理器模块采用双机热备冗余方式，可以提高平均无故障工作时间。无线通信则采用IEEE802.11a无线局域网协议，远离2.4 GHz的民用频率，减少信号无线传输被干扰。

1.1 以太网模块

以太网模块的以太网口连接AP箱内部交换机网络接口;RJ45接口与AP箱内部的光纤交换机相连，接收ATS的命令和数据。该设计选用NiRen_W5100型号以太网模块，具有自适应功能，兼容10 Mb/s和100 Mb/s二种速率，可根据对方的通信速率自动协商工作模式，避免了通信中流量增大而导致的冲突、错包问题，保证了ATS与轨旁AP单元通信的顺畅。以太网模块和处理器模块单片机以串行SPI接口进行连接。

1.2 处理器模块

处理器模块通过控制以太网模块和无线网卡模块进行数据传输，控制LED指示模块表示运行状态，通过控制外部接口模块和外界维护计算机通信。每个通道的处理器模块以双机热备方式配置，正常工作过程中只有主机输出结果，备机同步运行但不输出，一旦主机故障，系统会自动倒机，保证系统继续工作，只有当2台计算机都处于故障状态，系统才给出故障报告。

图2 处理器模块单机配置电路图

图2为双机热备的处理器模块的单机配置电路图，采用ATmega64单片机作为核心处理芯片，外接硬件看门狗，防止程序跑飞。J1接口连接到以太网模块和接口模块，基于SPI串行协议，通过SS_W5100和SS_CH375二个引脚选择从机，以太网模块和接口模块分时复用SPI接口。J2接口外接4路LED显示灯，用于单片机的运行状态显示。J3用于外接无线网卡模块，基于RS-232标准，通信距离较短，通信速率选择标准的9600 b/s。J4为冗余的握手通信线路接口，X1和X2接口连接到另一块单片机ATmega64的X1和X2上，运行状态下，通过一条主线路，在一定周期内主机发送一定数量的脉冲信号，用于2片处理器的心跳检测，一旦线路故障，可转用另一条进行心跳检测。J5为DB9公头插座，用于处理芯片与外界维护计算机的串口进行通信，方便维护人员下载数据和更改参数。

1.3 无线网卡模块

无线网卡模块用于轨旁AP箱和列车无线子系统的通信。本设计采用LTE140无线网卡模块兼容2.4 GHz和5.8 GHz频段，集成的嵌入式TCP/IP网络协议，可以作为AP无线接入点供列车无线子系统接入，支持WPA/WPA2加密和WEP加密方式，保证通信的无线安全问题。本设计使用LTE140的5.8 GHz工作模式，避免线路附近2.4 GHz民用WiFi信号对列车通信的干扰，无线网卡模块和处理器模块通过RS-232接口，处理器模块接收来自控制中心的命令和数据，经处理后通过串口送到LTE140发送寄存器中，并由LTE140发送出去。处理器模块的主机在系统启动或者复位之后，即可用LISP指令对LTE140进行配置，比如模块进行初始化设置、地址设置、AP模式设置以及加密设置。

1.4 其他模块

接口模块用于接外部存储器，存储运行数据和参数，以保证掉电不丢失，CH375为接口模块的核心芯片，被处理器模块配置为SPI工作方式，通过SPI四线制接口与处理器模块连接，使用SS_CH375对接口模块电路进行位选，低电平有效，另外，模块提供一个USB接口和一个SD卡接口，因此，可以用U盘或者SD卡作为外部大容量存储器。

LED指示模块为不同颜色四路LED灯，用于指示AP单元处理板的运行、故障、等待和数据通信状态。电源模块为系统提供所需的5V和3.3 V的工作电源。

2 软件设计

软件采用模块式设计，包括初始化程序、处理程序、通信程序和双机热备处理程序。处理器在上电之后对各个模块初始化后，进入省电模式 (等待)，当有数据从控制中心送达或者列车接入无线网络，即进入运行模式，整个程序运行过程中还需要通过中断方式在X1或者X2进行周期心跳检测。软件结构设计如图3所示。

图3 软件流程图

双机热备处理程序是本设计的核心程序，包含双机工作子程序和倒机子程序。系统上电或者复位之后，处理器模块进入处理程序，单片处理芯片需要和邻机通信，相互协议规定主机备机，主机协商流程如图4(a)所示。当2片处理芯片比较结果不同，处理芯片各自进行自检，如果主机处于故障，则立即进行倒机，倒机流程如图4(b)所示。

3 改进后效果

图4 双机热备处理程序流程图

通过对设备硬件电路和无线协议的修改，解决了CBTC列车因无线通信受到干扰而降级运行的情况。硬件上，TGMT无线处理通道和PIS无线处理通道各采用双机热备方式配置，正常工作时每个处理通道硬件分为一主一备，备机严格同步于主机，当系统自检一路故障，可在10～20 ms之内，自动完成倒机继续工作，保证系统工作的连续性，其平均无故障时间为单机工作的平均无故障时间的1.5倍，提高了设备的可靠性。为了避免线路附近的民用无线信号对列车无线通信系统的干扰，采用工作在5.8 GHz频段上的802.11a协议，区别于基于802.11b/g协议的2.4 GHz民用频率。5.8 GHz频段拥有19个独立的通信信道，而2.4 GHz频段只有3个，5.8 GHz频段更多的信道使系统具有更高的抗干扰能力和更高的带宽，即使是在列车运行速度达到120 km/h的情况下，5.8 GHz频段依然能够为列车提供10 Mb/s以上的带宽，而2.4 GHz只能提供2 Mb/s或者1 Mb/s的带宽，所以5.8 GHz频段允许更高的运行速度，这也为日后城市轨道交通列车无线通信保留了余量。

4 结束语

为了提升设备的可靠性，对CBTC系统轨旁AP单元进行了改造。相对于原设备而言，系统采用双机热备的硬件配置方式，提升了轨旁AP单元运行的平均无故障时间，无线工作频段则采用抗干扰能力更强，更适合地铁传输需要的5.8 GHz频段，避免了2.4 GHz全球开放的无线频段给列车运行带来的不稳定因素，从而增强了信号设备的可靠性。

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