城市轨道交通CBTC系统数据通信子系统的设计

姜鹏

摘要：城市轨道交通信号系统是支持城市交通运行的重要部分，目前轨道交通线路已经使用基于通信的CBTC系统对列车运行进行控制。CBTC系统可以依托于大容量的连续双向信号通信来确保轨道交通列车的运行状态信息、控制信息，并对信息进行稳定传输。数据通信子系统可谓CBTC系统的核心模块，用以实现地面设备与站点设备、车载设备之间的数据交互。数据通信子系统应用深入，涉及范围广，面对的环境多变复杂，如果该系统出现问题，则导致故障或者事故，给正常运营带来损失。科学合理、安全可靠的数据通信子系统设计意义重大。

关键词：城市轨道交通;CBTC;数据通信子系统

当前城市轨道交通高速发展，很多研究都在为轨道交通列车运行的控制系统设计提供支持。列车的控制、调度、管理、运营都与列车控制系统密不可分。近年来，人们对于CBTC控制系统的研究越发深入，并将其广泛应用到城市轨道交通运行控制中，来支持城市轨道交通的日常运行。研发出有效、有力、稳定、安的城市轨道交通运行控制系统是适应我国当前城市化建设需要的，可以提高城市轨道交通的效率和运输能力，对安全保障也起到重要的作用。数据通信子系统可谓CBTC控制系统的核心，连接各个子系统，传递数据和控制信号。其中车载控制器VOBC可以与控制中心完成通信，进行制动、车门控制、牵引等工作，并对冒进、车门状态等情况进行安全监督，确保轨道交通列车安全稳定运行。

1  CBTC系统概述

CBTC列车控制系统可按照功能对模块进行划分，主要由列车自动监控系统、联锁子系统（CI）、自动驾驶系统（ATO）、自动防护系统（ATP）、数据通信子系统几个模块组成[1]。CBTC城市轨道列车控制系统的主要工作是根据前面列车的位置和状态，对后面列车的行进情况进行实时控制，确定后面列车的运行距离和运行速度。前后车之间的数据传递须持续不间断，持续实时进行授权更新。在CBTC轨道列车运行控制系统中，无须预先将前后车距离加以设定，在运行过程中，可以通过前面列车的位置和速度来确定两者之间保持多大距离，后车位置根据前车状态确定。两列车之间要不间断地更新授权，确保两列车一直处于安全间隔运行。这样的调节属于动态调节，能够让整个列车运行系统获取更大效率和运能。CBTC系统框架如图1所示。

2  数据通信子系统设计

2.1设计要求

数据通信子系统设计要求须满足一系列信息（轨道线路、列车速度、前路状况、前方列车距离、车站信号、列车序列号、司机序列号、车载设备的状态、列车所处位置的信息、车门信息、车站状态、列车是否停稳、运行调整信息）与控制中心进行信息传输。使用的数据通信子系统是由有线网络与无线网络共同构成的，根据冗余网络配置原则进行网络配置。骨干网络由轨道交通专有传输设备和交换设备构建。在信号系统中，轨道列车的车载系统要与控制中心进行无线通信，通过WLAN实现，设备直接接入交换机，与光缆和轨旁无线设备连接。数据通信子系统控制列车权限运行的数据管理，建立数据管理平台，确保车辆信息在各层级设备之间都可以进行畅通的交互。

数据通信系统所采用的架构为：轨道旁埋设了有线网络，是由接入网和骨干網共同构成的。骨干网由传输设备、交换机构成。接入网则负责连接入通信设备，完成数据的通信传输。通过骨干网的各节点将数据通信传输设备接入。接入网主要是接入交换机，负责将CBTC系统的列车自动控制子系统（ATS）中的设备会接入骨干网中。轨道列车的车载设备和控制中心的通信设备均为冗余设置。轨道交通车辆段的有线传输网和节点连接，形成具有自愈能力的网络结构，确保骨干网各个节点之间的数据传输。为了保证车辆段的数据通信是连续的，车辆段的咽喉处、出入段场线、列检库等位置采用无线覆盖模式。

从技术指标、性能要求的层面来看，无线网络采用的是开放式IP标准，要求数据通信范围内固定子系统与移动子系统可进行信息传输。系统采用的数据传输技术、网络技术、计算机技术等需要符合通行标准，在传输的速度、频带、误码率、调制解调方式等方面符合国内统一标准[2]。

2.2有线通信系统设计

有线通信子系统包括骨干网与接入网。骨干网将外部系统的设备接入本地网络，把正接入设备可实现数据互通，所有系统连接成整体，接入网将分布于轨道侧的接入点连接入网络，让有线网络和无线网络相连接，实现数据互通互联。

骨干网采用的是基于SDH技术的多线程解决方案，保证通信可靠性，依赖光纤保护。SDH在关键节点处都会配置多套单板作为冗余备用。一个单板故障，另一个单板可以完成通信工作，整个系统不受影响。为了避免故障，骨干网需要保证随时可用和可靠性，需要满足设备冗余、链路冗余两个标准：在设备冗余方面，控制中心与其他系统的通信是非常重要的，其通信畅通与否关系到整个系统的调控。

数据通信系统的接入网由以太网交换机和光电转换器构成，将设备连接到有线网络之中，实现数据共享。骨干网中设有专用的LAN，LAN可以访问设有SDH节点的车站，这些车站与以太网的交换机共同组成接入网，接入网可与其他设备连接，进行数据交换。每个业务需要有足够的通信容量支撑，并且互相独立，各司其职。

2.3无线通信系统设计

无线通信网络的接入点设置与接入点作用相关。接入点是车载通信设备和轨旁设备进行信息交换的设备，要保证信息可以准确实时传输。接入点沿着轨道路线以一定距离分布，确保即使是临近接入点失效了，信号仍然可以完整覆盖。AP之间要保证无缝切换。接入点分布的影响因素还和连接阈值、定向天线漫游有关。

无线单元布置，基于以下原则：完全冗余，以及轨道内外完全无线覆盖。

如图2所示，天线在信号设置上采取冗余设置的目的在于，相邻节点的信号覆盖区域有互相重叠的部分的，信号覆盖整个网络。冗余方式可以保证无线信号全覆盖，并且避免某个节点出现故障时信号中断。

无线通信系统的调制技术要求整个系统具备以下优越性：系统的抗干扰能力强，即使是处于隧道环境中，无线通信也可以通过多径效应保证数据传输。而无线通信子系统是利用宽带业务进行数据传输的，其传输速率更高。进行拓展时，容易受到干扰，要考虑引入均衡算消除码间干扰。系统要保证频带利用率高。轨道交通系统的数据通信子系统，采用OFDM系统，各频带存在重叠，可以提高频带利用率，而频带之间又互不干扰，在接收端可以通过解调方式恢复信号，保证信息正确传输。整个系统的结构较为简单，节省资源，成本较低。宽带系统在通信过程中要求较高，实现难度也更大，成本投入较高。而OFDM系统不需要引入复杂的均衡器，承载的数据量较大。大量数据在不同信道传输时，可以用插入前缀来避免干扰。OFDM系统比较容易实现，成本也会更低[4]。

2.4通信系统安全

VOBC和轨道旁设置的控制器都属于安全部件，可以通过数据通信系统进行稳定安全的数据通信工作，但是数据通信系统属于非安全系统。节点和节点之间的联通是安全系统。安全系统或设备在生成报文过程中会在报文里加入冗余码、序列号，用验证报文鉴定准确性。对冗余码和徐磊好的鑒定可通过安全型设备来完成，避免非安全型设备的影响。

轨道旁的安全设备由配备了OPENBSD系统的计算机和加密软件构成。每个集中站配备了两台安全型设备，保证传输可靠性。车载加密设备是专用的解密工具，每辆列车配备两台安全型设备。每个子系统都可以由加密设备进行保护。所有设备均达到冗余要求，形成安全连接。如图3所示。

加密性是整个系统安全的重要保障，关系到数据传输的安全性。智能交通控制系统建立网关，与外界的软件连接，系统与外界系统也会存在信息互通。智能控制系统的协议和标准是开放的，为其他应用程序提供服务鉴定。为了保证数据准确，每个连接到数据通信系统的应用都要配置加密器，安装在端口与程序之间。当数据是正确的，则可以进行传输，否则错误的数据就会被清除。

结语：上文介绍了CBTC城市轨道交通运行控制系统与数据通信子系统的设计思想，结构和功能。数据通信子系统从功能出发满足设计需求，针对当前数据通信子系统有线网络与无线网络，网络安全管理问题等进行了研究。数据通信子系统对于整个CBTC系统来讲是非常重要的，应不断完善系统设计，保证网络安全，实现数据的稳定、实时、准确传输，为城市轨道交通系统提供保障。

参考文献：

[1]尹荣玲.基于城轨CBTC系统中数据通信子系统的分析研究[J].中国新通信，2018，20（04）：19.

[2]张雯柏，朱文发，李立明，闫冰，唐颖栋，冯晨.上海地铁10号线车地无线通信受扰分析[J].上海工程技术大学学报，2015，29（01）：43-48+56.

[3]钦臻文.数据通信子系统在城市轨道交通CBTC系统中的作用解析[J].科技展望，2015，25（06）：11.

[4]孙路.无锡地铁2号线CBTC数据通信子系统简析[J].现代城市轨道交通，2013（03）：4-7.