地铁信号系统通信控制技术研究

李伟

西安市轨道交通集团有限公司运营分公司 陕西西安 710016

1 地铁信号系统通信技术优势

首先，系统更加简洁。从硬件组成上不难看出，此系统的核心主要为控制中心的设备，车载以及车站上的设备主要负责执行控制中心的命令，从而实现了车与地面之间控制设备的整体划一。从功能上来看，在此系统中，多种功能如闭塞、连锁以及超速防护等都无须再分析，可以做到统一处理。因此，系统的结构改变了原有的堆叠方式，更加简洁。其次，系统更加灵活。新型的CBTC系统无须增加新的设备就能实现对双向运行的支持，而且即使列车在反向运行时，系统依然具备较高的安全性及稳定性。而且新的通信系统还能根据实际需要适当进行调度策略的更改。与此同时，系统还能实现对多条交叉线路以及不同复杂运行情况的同步处理。最后，则是系统更加高效，在此系统的控制下，列车的运行间隔可以进一步缩短，同时，列车的驾驶算法还能更加优化，从而实现了列车的节能运行[1]。

2 地铁信号系统通信控制技术应用要点

2.1LTE技术的应用

LTE技术可以为列车运行提供实时监控。在紧急情况下，ATS系统会及时将异常情况传送给行车指挥或设备维护工作人员，他们可以快速到达现场并及时处理，以确保列车运行的安全。但是，这些数据在传输过程中，对网络安全提出了更高的要求，如果LTE技术无法为用户提供更安全的服务保障，那么LTE新技术的应用将成为空谈。LTE技术遵循网络技术的安全策略。EPC密钥与NAS信号保护密钥分离，并且使用该密钥计算EPC密钥。EPC密钥是认证密钥协议过程中的NAS的EPC和终端。用户进入LTE系统，EPC与RRC连接，并将B密钥发送自序列号加密和安全系统输入保护，通常使用智能序列号到B，相同的序列号，如果需要使用安全性，超帧限制序列号上传次数。

LTE技术可以提供更高的上行链路和下行链路运行速率，为地铁信号数据传输提供高质量分配。车地通信系统采用LTE技术，可以缩短数据交互的时延，最大限度地提高车载信号ATP设备与地面ATP安全数据交互。LTE使用eNodeB系统来简化网络，为用户提供更高的频率效率，更低的复杂性和延迟。LTE技术的具体延迟要求包括：控制面板从睡眠状态到激活状态的迁移时间＜50ms，用户平面单向传输延迟不能小于5ms，迁移时间状态从驻留状态到激活状态＜100ms。LTE技术采用远程覆盖技术，无缝切换算法等高移动性措施，可有效保证高速地铁列车的低延迟[2]。

2.2CBTC关键技术

2.2.1 高可靠性技术

CBTC系统在设计时使用冗余设计，并且双网并行。也即基于通信系统的轨旁及车载网络的配置都完全相同，但是这两个网络之间却存在物理间隔，如其不同网络的传输链路与供电等都互相独立运行，从而就在系统中构造出两个完全相同却互相独立运行的通信网络。在实际使用阶段，双网同时运行，对列车进行控制与监控，从而使得即使当其中某一网络出现故障时，另一个网络也能保持通信的畅通，确保列车的安全行驶。

网络内部冗余拓扑：

（1）单网内部通信系统的骨干网通常都经由光纤将SDH设备进行连接，并构成环状的网络结构。当遇到骨干网中光纤传输出现中断的情况时，SDH网络中的快速倒换功能就会即刻开启，从而有效避免列车的控制信号传输发生故障。

（2）在车站处的交换机通常都配置两条千兆链路，并与三层交换机之间产生互联，这一设计就能在最大程度上避免使用单台交换机时或产生的网络中断等故障情况的发生。

（3）轨旁AP还会与主备控制器之间建立连接，并且主备控制器之间还能在网络中进行信息的同步，如此一来，即使主用控制器发生瘫痪，系统之间的传输也不会产生中断，这样即可避免只使用一台无线控制器时或产生了单点故障。

（4）在CBTC系统中，AP之间的部署间距一般都不超出AP可覆盖的区域半径，这样一来，即使某一AP发生故障，与之相连的前以AP以及后一AP依然可以有效覆盖AP的负责区域，从而就能确保信号的永续传输。

（5）系统中所有的有线及无线通信设备都在同一网络平台下，并且通过这一平台可以实现对全部设备故障情况的排查、定位、修复以及其他管理职能，使网络维护工作在最大程度上降至最低，从而在最短的时间内解决网络故障问题[3]。

2.2.2 无线快速切换技术

为确保列车的高速稳定运行，快速切换技术必不可少。举例来讲，一般情况下AP的越区切换时间通常都在500毫秒-2秒，若列车按照120千米/小时的时速前进，在AP进行越区切换时，就会使得列车65M左右的运行区间内断开系统的控制。如发生此类状况，将会造成严重的安全事故。

假设隧道覆盖区域长300米，其中AP1与AP2都覆盖良好，中间的公共区域为AP1与AP2都可覆盖在的公共区域。当列车行进至AP1时，列车与AP1保持数据连接，而当行驶至公共覆盖区时，列车依然可与AP1进行交互，并且提前会与AP2建立连接。如此一来，当列车行至AP2时，即可直接与AP2做好连接，并立即进行数据传输，而无须等待AP1断开后再建立新的连接。从而即可将切换时延有效缩短至50毫秒以内，并保障列车在高速运行的过程中始终保持通信。

3 结语

当前，在城市化发展进程日益加快的当下，地铁已成为城市发展进程中最必不可少的交通设施之一。而作为确保地铁得以安全运行的最关键技术，地铁信号控制系统的重要性不言而喻。较之传统的控制系统，CBTC不仅更加灵活高效，其成本也更加低廉。虽然当前的设计可以解决一些安全威胁，但是仍存在诸多不足与漏洞，这些问题都有待未来予以改进及完善。