全自动运行线路车地无线通信系统技术研究——以轨道交通工程为例

邓怀安

（中铁通信信号勘测设计院有限公司，北京 100036）

1 轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统的业务构成

列车实时状态、车载实时监听以及集群调度、列控信息是轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统技术的主要业务构成。传统阶段的通信系统技术作用于轨道交通工程时，由于技术有限，大部分均需连接独立存在的多个通信网络进行协作支撑。例如，我国首条轨道交通全自动运行线路，就是根据自身研究并且借鉴国外技术，通过互相协作的多个通信网络支撑起了车地通信。其中：

1）关于列控信息：此条线路选用WLAN（频段2.4 GHz）网络予以信号系统支撑，由此完成车地通信中的列控信息业务。

2）关于媒体流及列车实况（状态、监视）：选用WLAN（频段5.8 GHz）予以通信系统支撑，由此完成媒体流及列车实况（状态、监视）的检测业务。

3）关于PIS文本信息以及语音调度：选用800 MHz双中心的TETRA集群网络。

通过分析我国首条轨道交通全自动运行线路，就可明晰我国轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统的业务构成[1]。

2 轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统技术

我国首条轨道交通全自动运行线路开通后，经过为期较长的演练和实战，以及对自动运营场景的系统研究，发现轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统技术仍然存在较大进步空间。以下主要从制式架构、承载业务、接口功能等方面的变化和需求进行论述。

2.1 制式架构

轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统的制式架构要求可靠性、安全性、可用性以及可维护性。这些制式架构的性能要求是轨道交通全自动运行线路系统稳定、长期运营、线路安全、维修活动的关键判断指标。通常情况下，对于制式架构的性能要求，也可简称为RAMS，属于建设轨道交通工程全自动运行线路的核心依据。

2.1.1 保证系统的可靠性

应保证车地通信系统的可靠性，确保车地通信系统日常产生的各项数据不会受损或丢失。因此，建设轨道交通全自动运行线路车地通信系统时，为了备份业务，应该采用冗余的制式架构模式。具体而言，可以采用综合承载（LTE）和分别承载（WLAN+TETRA）两种模式。

1）网络架构呈扁平化特征的LTE性能更加优越、可靠，可以及时、快速地实现无损切换与无缝切换。

2）LET还可做到随机接入（非竞争性），可在越区时缩小100 ms的切换时延，保证小于1%的丢包率，单小区更能达到1.2 km的覆盖范围。

3）LTE模式的制式架构所需设备甚少，对于建设轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统，可以有效降低难度、节约成本，提高整个系统营运的可靠性。

4）相比而言，WLAN+TETRA模式的制式架构建设则需众多设备，因而这种模式的网络非常复杂，极易在越区切换中受到干扰。因此，LTE模式的制式架构由于保障机制完善、设备集成度高在实际应用中更具优势[2]。

2.1.2 安全为本

为避免通信系统受到干扰，应选用专有频道作为车地无线网络建设支撑。

1）车地通信系统的无线网络如果采用WLAN制式，则其抗干扰能力弱。这是因为此类制式的无线网络需在使用过程中频繁切换众多设备，若切换过程中恰逢干扰源，就会威胁车地通信系统的安全，尤其是运行速度较高的列车如果采用WLAN制式更会严重影响所承载的业务质量。

2）LTE系统运用多项算法和手段将无线网络的抗干扰性能进行优化，因而，轨道交通全自动运行线路逐渐采用LTE系统支撑车地通信，可使网络环境最大程度不受干扰，呈现更高安全系数。

2.1.3 制式架构的可用性

随着网络通信技术的发展，LTE和WLAN+TETRA均已日趋成熟，可满足轨道交通工程全自动运行线路的基本需求。但随着轨道交通工程全自动运行线路的日益精进，主以窄带作为架构的车地通信集群调度已经难以满足逐渐丰富的场景应用，轨道交通的调度人员不仅需在控制中心“听得见”，还需“看得见，看得真，看得清”，因此，如若因循守旧，仍然采用集群调度势，必会影响控制中心的运作能力，应根据实际情况选择LTE技术的制式架构。

2.1.4 选择LTE技术

为了更好地满足轨道交通全自动运行线路车地无线通信系统的可维护性，亦需逐渐摒弃WLAN+TETRA技术，转而选择LTE技术。因前者属于分别承载模式，设备密集、系统复杂、故障点多且实际运行之中的维护，不仅需要耗费大量的人力、物力，而且也会基于维护的困难程度拖延维护时间。但后者设备集中，不仅可以减少维护次数，也可在发生故障时快速找准点位。由此可见，关于轨道交通全自动运行线路车地无线通信系统的制式架构，从核心性能对比而言，都应果断选择LTE技术，以此促使车地无线通信系统更加符合当前轨道交通全自动运行线路的实际需要[3]。

2.2 承载业务

轨道交通工程全自动运行线路车地通信系统的承载业务也在发生变化，例如，需改善视频画质、需同步语音图像、需要更加清晰明确的实时监测状态。通过这些变化可以看出，WLAN制式架构已无法全面符合轨道交通全自动运行线路的视频监视标准；TETRA制式架构也已无法全面符合语音调度标准。因此，无论是WLAN制式架构，还是TETRA制式架构，都会影响全自动运行线路车地通信系统的可靠性和稳定性。而LTE技术，无论是业务带宽，还是接入性能，都可满足高速列车运行状态下的车地通信，继而改善视频画质，同步语音图像，并且能够提供更加清晰明确的实时监测状态。由此可见，随着轨道交通全自动运行线路车地通信系统的变化，需采用LTE制式架构进一步提高业务承载的全面性。例如，我国某轨道交通全自动运行线路，在无线车地通信系统建设过程中选用LTE技术作为支撑，这种转变不仅可以满足轨道交通全自动运行线路的全新需求，也可基于AB双网的冗余备份制式架构为未来全自动运行场景留出带宽容量。

2.3 接口功能

我国轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统技术愈加先进，传统制式架构的接口功能已经无法全面满足当前列车的运行需求。这是因为传统阶段列车运行需要司机进行严密操作，而目前阶段列车运行已完全转变为高度先进的自动化控制系统。与此同时，列车司机职能由传统阶段的主体操作转变为对控制中心和自动化设备的分担。做好控制中心和自动化设备的分担工作不仅需要根据总台指示完成调度，还需要扎实掌握各种安全预案，并能准确、快速地针对各类紧急状况做出判断与响应。

随着我国首条轨道交通全自动运行线路的正式开通、运营，为了让车地通信系统更好发挥功用、保障安全、提升服务，轨道交通全自动运行线路无线车地通信系统还在基础调度功能之上，依据列车实际运营，特别增加乘客紧急呼叫功能。此项功能（简称IPH）不仅可有效增强轨道交通的服务能力，同时可对乘客紧急呼叫为控制中心传输实时画面，进而促使控制中心的调度人员可以据此提高紧急故障的防御和处理能力。由此可见，传统阶段的制式架构已无法满足目前阶段的接口功能需求。因TETRA制式架构虽然可通过紧急呼叫帮助控制中心提供实时话音内容，但传输过程中由于功能有限，极易造成图像语音不匹配、不同步等偏差问题。因此，需使用更为实际的LTE制式架构。这种技术可通过带宽配置的增加有效提高集群调度指挥性能，进而可将乘客的视频语音采用正面摄像头同步传输至控制中心侧。如此，全自动线路调度人员便可根据更加全面的实时数据有效解决故障问题，化危险于无形。

此外，随着轨道交通全自动运行线路车地无线通信技术的进一步完善，关于接口功能的需求变化不仅体现在乘客紧急呼叫方面，还在场景联动接口功能方面发生变化。区别于普通线路，全自动运行线路的创新之处在于通过制式架构的转变大幅增加系统之间的联动接口功能。具体而言，普通线路需要列车司机按照运行章程依次操作，而全自动运行线路则可基于系统之间的联动接口功能实现高精准、高效率地全自动运行。这种技术突破对于列车运行而言，可起到巨大的安全保障作用，例如，列车运行过程中出现需要应急的场景，依靠列车司机依次操作会拖延应急时效，而联动接口功能之下的全自动运行则可自动化、智能化地完成应急，有效提高应急过程中的准确性和及时性。所以，为进一步挖掘全自动运行线路车地无线通信系统的应有效能，还需为控制中心侧传递更加全面的接口联动功能。

3 轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统的实际演进

结合轨道交通工程全自动运行线路车地无线通信系统的RAMS要求，以及对近些年来全自动运行线路的需求变化分析，自我国首条轨道交通全自动运行线路开通、运营以来，相关从业人员付出不懈努力，将更加实用的车地无线通信技术通过研究试验运用到一条全新的轨道交通全自动运行线路中。此条线路采取LTE技术作为车地无线通信系统的主体支撑，应用全程，收获可观成效，更好地满足了当前全自动运行线路的诸多要求；相关技术人员还通过进一步的研究，在LTE技术之上展开终端尝试，有效完成分发、回传调度视频以及接收、派发运营工单的功能创新。

4 结语

综上所述，全自动运行系统即是依靠系统集成、通信控制以及现代计算机分析等技术，全过程完成列车自动化运行的轨道交通控制系统。目前阶段，全自动运行线路车地无线通信系统需求变化主要表现在制式架构发生变化、承载业务发生变化、接口功能发生变化等方面。根据这些变化，为有效提高全自动运行线路车地无线通信系统的应用效能，某条全自动运行线路根据需求变化的分析对于无线通信系统做出实际演进，收效甚佳。