陳 潔，張 強(qiáng)

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引 言

城市軌道交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要較高的成本，為了控制建設(shè)及運(yùn)營成本，應(yīng)采取高速、高密度運(yùn)營方式，借助先進(jìn)的通信設(shè)備來進(jìn)行控制與調(diào)度管理。很多新地鐵軌道線路建設(shè)時(shí)，將基于通信的列車控制技術(shù)應(yīng)用在信號系統(tǒng)中，建立起列車與地面間的數(shù)據(jù)通信渠道，可以更好地確保高速行駛條件下的運(yùn)營安全，進(jìn)一步縮短行車間隔并提升運(yùn)營效率?；跓o線通信的地鐵軌道列車自動控制定位中，列車和地面通信設(shè)備間采用全雙工大容量方式進(jìn)行信息傳送，可以對列車實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的控制，也可以降低軌道旁的設(shè)備使用數(shù)量，有利于節(jié)省投資并提升運(yùn)行安全性[1]。

1 基于通信的地鐵列車信號控制技術(shù)

1.1 基于通信的列車控制

以連續(xù)式列車控制作為基礎(chǔ)，通過多年的研究與實(shí)踐，基于通信的列車控制技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。根據(jù)列車與地面?zhèn)鬏斝畔⒎绞綄ζ溥M(jìn)行劃分，可劃分為無線、環(huán)線等多種類型，不再采用軌道電路來對閉塞分區(qū)是否被占用進(jìn)行判斷，不存在固定閉塞的局限性。與傳統(tǒng)軌道電路列車控制系統(tǒng)相比，基于通信的列車控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢。

（1）結(jié)構(gòu)更為簡潔。從控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方面來看，將控制中心設(shè)備作為核心，地鐵列車和車站中設(shè)備均為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通信控制設(shè)備的一體化，聯(lián)鎖、閉塞以及超帶等均可通過軟件來實(shí)現(xiàn)，不需要再進(jìn)行分隔。

（2）更加靈活?？刂葡到y(tǒng)不需要再增設(shè)其他設(shè)備，可采用雙向運(yùn)行，不會因地鐵列車反向運(yùn)行而造成系統(tǒng)安全性降低?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂葡到y(tǒng)在運(yùn)行過程中，采用差異化的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)對多條交叉線路進(jìn)行處理與控制，應(yīng)對咽喉區(qū)段地鐵列車復(fù)雜的情況存在一定優(yōu)勢，可應(yīng)用于同時(shí)運(yùn)行的不同編組、不同性能的列車。

（3）更加高效。采取移動閉塞運(yùn)地模式，能夠有效縮短列車運(yùn)行間隔，優(yōu)化列車駕駛節(jié)能算法，有利于降低能耗。采用基于通信的列車控制系統(tǒng)，地鐵在軌道線路上的位置是由車輛本身來確定，再通過地車通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給列車控制設(shè)備。該技術(shù)與傳統(tǒng)列車位置檢測方法有所差異，可進(jìn)行車載設(shè)備與軌旁設(shè)備間的雙向通信，具有較大的信息傳輸量[2-5]。

1.2 列車自動控制技術(shù)

控制系統(tǒng)有兩種制式，一種是基于數(shù)字軌道的準(zhǔn)移動閉塞，另一種是基于感應(yīng)環(huán)線和無線通信的移動閉塞。移動閉塞具有較高的安全性、可靠性，可對運(yùn)營間隔進(jìn)行優(yōu)化，車輛與地面間采用無線傳播方式實(shí)現(xiàn)雙向通信。車載控制器會周期性地向地面區(qū)域控制器發(fā)出地鐵車輛位置信號報(bào)告，控制器接收到報(bào)告信息后會將行駛方向上的上列車輛無線接入設(shè)備視作授權(quán)終點(diǎn)，再將該信息再次下發(fā)至車載控制器，車輛可以按即定速度曲線行駛，這樣就可以起到運(yùn)營間隔優(yōu)化的作用。自動防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）車輛碰撞及脫軌為車輛控制的核心，實(shí)現(xiàn)對安全間隔、超速的防護(hù)和車門控制。自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）車輛運(yùn)行及站臺?？坎僮餍枰贏TP控制系統(tǒng)安全件下應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)對車速的控制和對列車運(yùn)行的調(diào)整，提升旅客舒適度并降低駕駛?cè)藛T勞動強(qiáng)度。此外，列車自動控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）是對車輛安全和有效運(yùn)行進(jìn)行管理的子系統(tǒng)。

1.3 列車自動監(jiān)控技術(shù)

對子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)通信接口進(jìn)行監(jiān)控，由列車數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行上傳報(bào)告，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)列車實(shí)際位置，對列車運(yùn)行等級和停站時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，合理配置運(yùn)行間隔。采用通信渠道對到站列車進(jìn)行調(diào)度掌握，采用區(qū)域控制器實(shí)現(xiàn)區(qū)域的關(guān)閉或開放控制。對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置不同控制等級，將異常情況和設(shè)備故障帶來的影響降到最低。一般情況下，監(jiān)控中心對全線進(jìn)行監(jiān)測與控制，如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)控出現(xiàn)故障，將自動切換至主機(jī)服務(wù)器、通信服務(wù)器。站級列車監(jiān)控設(shè)備若存在故障，可通過進(jìn)路和折返進(jìn)路，也可由本地控制站來進(jìn)行人工進(jìn)路控制和根據(jù)站間進(jìn)行閉塞行車。

監(jiān)控系統(tǒng)不需要操作人員干預(yù)，可根據(jù)調(diào)度需要增設(shè)和監(jiān)督列車，合理移出結(jié)束運(yùn)營列車。監(jiān)控系統(tǒng)收到區(qū)域控制及車載控制器運(yùn)行信息后，可以對系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，為解決故障提供技術(shù)支持。監(jiān)控系統(tǒng)具有自檢測試功能，啟動時(shí)可以對系統(tǒng)進(jìn)行測試，查看是否可以按照設(shè)計(jì)要求正常工作，出現(xiàn)供電故障時(shí)可自動發(fā)出關(guān)閉命令，電源供電恢復(fù)時(shí)可自動重啟軟件，具有主、備冗余設(shè)計(jì)，相互隔離可避免非正常操作對系統(tǒng)帶來不利影響。出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)，則會將主用設(shè)備切換至備用，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號。

1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)技術(shù)

不同通信設(shè)備間進(jìn)行雙向、安全的數(shù)據(jù)信息交互需要借助于開放的通信接口和完善的體系架構(gòu)，通過安全算法對消息進(jìn)行保護(hù)，滿足對數(shù)據(jù)傳輸延遲和數(shù)據(jù)傳輸率的要求?；谕ㄐ诺牡罔F信號系統(tǒng)，在任何狀況下都不可以存在系統(tǒng)故障，高安全、高可靠是對控制系統(tǒng)的基本要求，同時(shí)需具備很好的故障自愈能力。有線通信采用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，由接入網(wǎng)和骨干網(wǎng)兩部分構(gòu)成。無線接點(diǎn)可以與列車進(jìn)行雙向通信，采用多模光纖來與接入交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。無線通信是軌旁有線和列車保持通信的關(guān)鍵渠道，由無線接入點(diǎn)、空間無線通道以及車載單元構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)可靠、高效和安全的雙向通信。接入點(diǎn)與交換機(jī)進(jìn)行連接，并延伸至軌旁接入網(wǎng)絡(luò)中，再與骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)，接入點(diǎn)另一端通過天線傳輸信號與車載單元進(jìn)行通信。通信系統(tǒng)由地面有線網(wǎng)、車-地?zé)o線網(wǎng)、車載有線網(wǎng)構(gòu)成，其中有線網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)丟包和延時(shí)問題多存在于車-地通信系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

2.1 地面骨干網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對多個(gè)獨(dú)立以太專用網(wǎng)起到承載作用，為每個(gè)子系統(tǒng)提供單獨(dú)通道，提供滿足數(shù)據(jù)傳輸需要的帶寬。有線骨干線具備雙網(wǎng)并行冗余設(shè)計(jì)，信息報(bào)文可以通過獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端，確保達(dá)到冗余通信要求且具備暫時(shí)故障自我恢復(fù)能力。有線骨干網(wǎng)采用同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）等技術(shù)，采用光纖進(jìn)行通信連接來建立起拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將通信設(shè)備集中站、車輛段等作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率、報(bào)文傳輸時(shí)間等性能參數(shù)要達(dá)到車輛控制要求，并滿足國際相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)。

在SDH組網(wǎng)方式中，每個(gè)集中站通信系統(tǒng)中均要設(shè)置一個(gè)SDH，結(jié)合不同的組網(wǎng)方式還可將其劃分為普通節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)。以基于通信的地鐵列車為例，SDH網(wǎng)絡(luò)多采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以二纖雙向復(fù)用段來對節(jié)點(diǎn)故障或光纖故障進(jìn)行保護(hù)時(shí)，不可對其他SDH節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信帶來影響。圖1顯示了光纖損壞條件下SDH節(jié)點(diǎn)n至n+2的數(shù)據(jù)流方向，通過雙纖通道倒換環(huán)來進(jìn)行保護(hù)。

圖1 SDH復(fù)用段共享保護(hù)環(huán)

在正常工作情況下，通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)閉合環(huán)狀，復(fù)用段共享保護(hù)環(huán)將傳送通道分為工作通路、保護(hù)通路，每個(gè)通路各占一半。一般業(yè)務(wù)可經(jīng)過工作通路來進(jìn)行傳輸，保護(hù)通路為空閑狀態(tài)。此外，也對低等級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不大于16個(gè)。

在保護(hù)倒換情況下，如果通信光纜出現(xiàn)故障，光纜兩邊的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)切換為VC-4發(fā)送方向。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息不再經(jīng)過正常工作路徑來進(jìn)行傳輸，采用環(huán)網(wǎng)另一方向路徑進(jìn)行傳輸。保護(hù)路徑獲取到VC-4對其進(jìn)行本地處理后，再將其復(fù)制到工作路徑，可視作正常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其他節(jié)點(diǎn)處于通過狀態(tài)，表明轉(zhuǎn)發(fā)保護(hù)路徑獲取到數(shù)據(jù)信息，可將工作路徑作為正常模式進(jìn)行處理。從n節(jié)點(diǎn)發(fā)送至n+2節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，正常情況下將最短路徑改變?yōu)閺膎節(jié)點(diǎn)發(fā)送至n+1、n+3節(jié)點(diǎn)，通過n+1節(jié)點(diǎn)來接收，再切換至工作路徑進(jìn)行處理。由n節(jié)點(diǎn)流向n+1節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量改變?yōu)樵诒Ｗo(hù)路徑中由n節(jié)點(diǎn)發(fā)送至n+1、n+3節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)為通過狀態(tài)下不需要進(jìn)行過濾，交由n+2節(jié)點(diǎn)來接收，再改變至工作路徑的n+3節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行處理。相同地點(diǎn)一根或兩根光纖出現(xiàn)故障時(shí)，則具有相同的動作。VC-4保護(hù)路徑可應(yīng)用于數(shù)據(jù)信息傳輸，有利于提升帶寬，但保護(hù)機(jī)制為有效狀態(tài)時(shí)不能作為數(shù)據(jù)傳輸通道。故障點(diǎn)被修復(fù)好以后，環(huán)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將業(yè)務(wù)倒換回復(fù)至正常狀態(tài)，可以為下次故障提供保護(hù)倒換，將倒換時(shí)間控制在50 ms以內(nèi)，與業(yè)務(wù)數(shù)量無直接關(guān)系。復(fù)用段共享保護(hù)環(huán)可對線路和節(jié)點(diǎn)故障進(jìn)行有效保護(hù)，倒換機(jī)理較為簡易，不再采用自動保護(hù)倒換（Automatic Protection Switching，APS）協(xié)議作為技術(shù)支持。由于每條業(yè)務(wù)需要占用環(huán)上1條完整的數(shù)據(jù)通道，因此總業(yè)務(wù)量會受制于系統(tǒng)容量的大小。

2.2 有線接入網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用以太網(wǎng)來承載IP數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸，保證以太網(wǎng)交換機(jī)相互間的列車可進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)通信。以太網(wǎng)交換機(jī)為相同的LAN，如果列車不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機(jī)區(qū)間進(jìn)行切換，可采用單獨(dú)IP子網(wǎng)來滿足性能要求。接入網(wǎng)由路由器、光電轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)等構(gòu)成，可以與系統(tǒng)設(shè)備接口進(jìn)行連接。每個(gè)子系統(tǒng)通信設(shè)備均可接入至SDH骨干網(wǎng)，還可為區(qū)域控制器、監(jiān)測系統(tǒng)等提供信息傳輸通道。和骨干網(wǎng)相同，接入網(wǎng)采用相同的車-地子通信系統(tǒng)，可達(dá)到地鐵列車控制要求，符合國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.3 無線通信網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將WLAN無線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用車-地?zé)o線通信，地面通信設(shè)備通過系統(tǒng)接口服務(wù)器與車-地?zé)o線通信網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接。通信網(wǎng)采用雙網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，配置不同的無線信道。在車頭和車尾安裝有車載無線通信單元，實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備的冗余備份。通信設(shè)備間切換時(shí)間與無縫切換要達(dá)到列車控制要求，同時(shí)還要達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)要求。移動切換時(shí)，確保通信系統(tǒng)間要做到無縫切換，車載移動通信切換時(shí)間不超過100 ms。車-地?zé)o線通信為軌旁有線與列車通信的基礎(chǔ)條件，含有軌旁無線接入點(diǎn)、無線通道和車載通信單元，可實(shí)現(xiàn)高效率、安全的雙向通信。軌旁無線接入采用交換機(jī)來接入至網(wǎng)絡(luò)，軌旁接入網(wǎng)會與骨干網(wǎng)保持連接，接入點(diǎn)另一端通過天線來發(fā)送信號，與車載通信單元進(jìn)行通信。

2.4 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)可以更好地保證安全列車間隔，通過對運(yùn)營列車進(jìn)行計(jì)算，確定當(dāng)前列車與前行列車尾部的距離，從而對車輛速度進(jìn)行有效控制。在地鐵沿線安裝無線基站，通過不斷發(fā)射帶有位置信息擴(kuò)頻信號，地鐵列車獲取到信號后再采用接收與發(fā)射擴(kuò)頻信號間的時(shí)鐘差進(jìn)行計(jì)算，求得與無線基站的距離，同時(shí)確定實(shí)時(shí)列車位置。固定閉塞和準(zhǔn)移動閉塞存在軌道電路，可用于閉塞分區(qū)列車占用的監(jiān)測，結(jié)合測速、測距可以更為準(zhǔn)確地得到列車定位，也可以通過應(yīng)答器對坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。移動閉塞中不存在軌道電路用于列車占用檢查，被控對象為動態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，要得到列車具體位置和速度后才能對列車進(jìn)行控制。應(yīng)用列車定位技術(shù)是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，可以在列車尾部安裝無線通信設(shè)備，通過發(fā)送出無線信號給列車頭部車載通信設(shè)備。如果檢測頭尾通信中斷，則可以判定列車完整性存在問題。

3 結(jié) 論

綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)地面通信設(shè)備間與車-地設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)交互，基于地鐵信號系統(tǒng)通信控制系統(tǒng)獲取列車實(shí)時(shí)速度和位置等信息，通過動態(tài)計(jì)算得到列車的最大制動距離等參數(shù)，從而在保證列車安全的前提下進(jìn)一步提升列車運(yùn)營效率。