CBTC无线系统

2024-08-05

CBTC无线系统（精选六篇）

CBTC无线系统篇1

CBTC (Communication Based Train Control System,基于通信的列车运行控制系统)无线通信监测设备可以完成对现有CBTC系统无线通信的定期测试,有利于查找CBTC系统无线通信潜在的问题。CBTC系统无线通信监测软件是监测设备的重要组成部分,它具有自动信道跳转、接入点和站点识别,以及完整地记录IEEE802.11协议数据等功能。

因此,开发CBTC系统无线通信监测软件,对于提升CBTC系统的安全性,推广CBTC系统的应用具有重要意义。

2 监测软件的架构

监测设备的结构如图1所示。监测软件由显示和控制模块、协议处理模块组成。显示模块直接与用户交互,按照用户的指示,监测一路或者多路信

数字通信世界13道上的数据,显示在被监测信道上传输数据的接入点和站点的相关信息;协议处理模块读取指定信道上的全部数据,分析数据中包含ESSID (Extended Service Set Identifier,拓展服务区别号)、BSSID(Basic Service Set Identifier,基础服务区别号)、时间信息以及功率信息等。

驱动为监测软件提供数据,并将监测软件的控制信令发送给物理层。物理层和射频前端为监测软件提供解码后的数据。

IEEE 802.11协议栈结构如图2所示[1]。MAC(Medium Access Control,媒体接入控制)层提供寻址方式、访问协调、帧校验的检查、帧分片以及帧重组等功能;PLCP (Physical Layer Convergence Procedure,物理层会聚步骤)将MAC帧映射到传输媒介;PMD (Physical Medium Dependent,物理媒体相关)传输MAC帧。

3 监测软件的设计

3.1 信道跳转过程

在ISM 2.4G频段范围内,共有13个信道供接入点和站点使用,2.4G频段信道分配如图3所示[2]。

在图3中,每个信道带宽22MHz,相邻的中心频率间隔为5MHz,只有信道1、信道6以及信道11相互之间没有干扰。在每个信道上,多个接入点和站点可以同时工作,并通过使用C S M A(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,载波侦听多路访问/冲突避免)协议以避免通信信号冲突[3]。

在CBTC系统中,主用通信设备、备用通信设备以及地铁电视的PIS设备一般使用信道1、信道6以及信道11进行通信,以避免系统内部的干扰。因此,为了监测CBTC系统通信情况,应该记录当前环境中所有13个信道的使用情况,通过监测信道循环跳转技术,识别当前环境中存在的所有接入点和站点,并对这些网络通信设备的数据进行分析。

首先,监测软件等待跳转定时器到时,为避免监测中的干扰,监测软件将按照1,7,1 3,2,8,3,9,4,10,5,11,6,12的顺序进行跳转,并将跳转请求发送给物理层,用户也可以根据实际需求在一个或任意个信道上进行监测;然后,物理层将指示跳转是否成功的跳转报告发送给监测软件;最后,监测软件确认跳转成功。

3.2 接入点和站点识别过程

在2.4GHz频段内的指定信道上,监测软件处于监测模式获取接入点和站点发送的数据[4]。在正常工作时,监测软件会循环从驱动模块读取解码数据,并根据解码数据,记录当前环境中存在的接入点和站点。

首先,监测软件向驱动模块发送读取指示。然后,驱动模块会获得物理层的解码数据和相应的时间信息、功率值以及速率等信息。最后,监测软件根据数据的MAC层首部信息,判断该包数据属于接入点或者是站点,如果该接入点或者站点没有出现过,那么将该接入点或者站点存入列表。

3.3 数据存储过程

在监测CBTC系统的通信过程中,不仅要分析干扰信号的影响,同时也应该记录CBTC系统的通信过程,监测软件可以记录接收到的全部数据,并且使用“PCAP”格式进行存储,以便离线分析,数据存储信令交互流程如图4所示。

首先,监测软件会按照标准存储一个PCAP文件的首部信息。然后,物理层会向监测软件发送监测数据和空口的指标信息。最后,监测软件将每包数据的首部信息、空口指标(例如,时间戳、速率、频率、协议类型以及功率信息等)以及数据部分进行存储。

4 实现和测试

4.1 实现

监测软件的实现分为三个阶段:首先,设计协议处理模块和物理层、显示和控制模块的接口。然后,划分功能模块,编程实现。最后,对监测软件进行测试。

监测软件主要包括了协议处理线程、信道跳转线程以及显示线程。在协议处理线程正常工作时,协议处理线程会实时读取接收到的数据。如果接收到了监测数据,那么协议处理线程会处理数据,并释放显示指示;在信道跳转线程中,用户可以了解1个或任意个信道上存在的全部接入点和站点,跳转定时器和跳转信道可以由用户指定,默认分别为250ms和13个信道;在显示线程中,如果收到了协议处理线程发送的显示指示,那么显示线程会更新接入点和站点的监测数据。

4.2 测试

在北京地铁的测试过程中,可以扫描到大量ESSID标示为“DCS”的设备,北京地铁使用了11信道和3信道分别作为主用信道和备用信道,设备的ESSID标示分别为“DCS-Blue”和“DCS-Red”。如果监测软件在2分钟内搜到设备的有效数据,那么设置背景色为蓝色,否则设置背景色为黄色。

5 结束语

CBTC监测软件可以帮助用户分析CBTC无线通信系统的覆盖情况,检查网络盲区,优化网络,并可以将CBTC无线通信系统通信信息实时显示和记录,这对于推广CBTC设备和维护空中电波秩序有极大的促进作用。

摘要：本文针对列车运行控制系统的无线通信在ISM 2.4G频段内易受干扰的问题,提出一种满足实际需求的简化监测开发方案,对分析列车控制系统的无线通信具有重要意义。通过对监测软件的架构和信令交互进行分析,给出监测软件的主流程,并完成软件的开发。该软件已投入到北京地铁CBTC系统无线通信的现场测试中,测试结果证明监测软件具有完整、准确的测试能力。

关键词：CBTC,干扰,监测,2.4G,802.11

参考文献

[1]IEEE Std 802.11-2012 IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systemsLocal and metropolitan area networks-Specific requirements Part II:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications.

[2]加斯特.IEEE802.11无线网络权威指南.南京:东南大学出版社[M],2008.

[3]盛敏,李建东,史琰.IEEE802.11无线局域网络性能分析[J].电子学报,2004,32(12A):148-152.

CBTC无线系统篇2

2012年11月,深圳地铁蛇口线、环中线多趟列车在运行途中突然紧急停驶,每次暂停时间为一到两分钟,造成大量乘客被迫换乘数次,并滞留于沿线车站。由于类似事件发生次数频繁,引发了公众对轨道交通安全的担忧。深圳地铁集团初步断定故障为乘客随身携带的Wi-Fi路由器干扰了地铁信号系统,造成信号指令异常导致列车急停。

凤凰网、新浪网、南方都市报等各大门户网站及多家媒体对此事进行了转载或报道,Wi-Fi逼停深圳地铁事件一时引起市民议论纷纷,受到社会各界的广泛关注。2012年11月9日,深圳地铁集团通过深圳新闻网就深圳地铁停运发布通告,对因列车紧急制动带来的影响致歉。同时,深圳地铁集团立即成立了调查领导小组、专家组和检测工作组,对故障产生原因进行全面排查、检测和分析。为了方便开展故障排查测试工作,2012年11月15和16日,深圳地铁集团分别通过运营商短信和官方微博发布通知临时关停蛇口线和环中线手机3G信号。

2 MiFi“头号嫌疑犯”

地铁事故发生后,深圳地铁集团在当地无线电管理局的帮助下进行了故障定位测试。在排除各种可能因素后,深圳地铁集团最终将原因锁定在乘客随身携带的Wi-Fi路由器(MiFi)上,并开展了便携式Wi-Fi路由器打开、关闭状态下的对比测试。测试表明:便携式Wi-Fi路由器打开,地铁信号系统指令异常,列车紧急制动:便携式Wi-Fi路由器关闭,地铁信号系统指令正常,列车平稳行驶。由此,深圳地铁集团认为是乘客所使用的便携式Wi-Fi路由器干扰了地铁信号系统。

在2G时代,Wi-Fi路由器连接在室内的ADSL或小区宽带,将有线信号转化为无线信号。如今的便携式Wi-Fi路由器(MiFi)是公众移动通信宽带化发展的产物。MiFi是一个便携式宽带无线装置,大小相当于一只手机,集调制解调器、路由器和接入点三者功能于一身。内置调制解调器可接入一个无线信号,内部路由器可在多个用户和无线设备间共享这一连接[1]。这类便携式Wi-Fi路由器主要用于将3G信号转换为Wi-Fi信号供无线终端使用,其采用的无线标准协议和无线数据传输频段与地铁信号系统都完全相同,分别为IEEE802.11无线协议以及公众免费频段2.4GHz.

3 地铁CBTC无线系统

据深圳地铁集团技术人员介绍,蛇口线、环中线、龙岗线三条线路的地铁信号系统全部使用CBTC (Communication Based Train Control)系统,它是以无线通信技术为基础的列车运行自动控制系统,是当前主流的地铁信号系统‘2)。

目前,CBTC系统普遍采用基于IEEE 802.11标准2.4GHz频段的无线局域网(WLAN)技术,其所使用2.4GHz频段的频率范围为2.4GHz-2.4835GHz,该频段以无线局域网业务应用为主,各类应用和用户大量集中,潜在的无线干扰普遍存在[3]。列控系统通过骨干网发送和接收信息,骨干网与沿轨道分布的接入点(AP)连接。AP通过定向天线(或泄漏电缆、裂缝波导管),车载天线等无线传输介质建立车-地无线传输网络,实现轨旁设备与车载设备双向、实时的信息交互,完成对列车连续控制[4]。

深圳受干扰的蛇口线和环中线采用了定向天线实现与车载天线之间的通信。采用定向天线有如下特性:信号传输方式为自由空间传播,衰耗相对较大并且要考虑不同电磁环境下的防干扰问题;实现空间的重叠覆盖,单个接入设备故障不影响系统的正常工作:轨旁设备少,且安装与钢轨无关,安装和维护比较简便[5]。

CBTC无线系统调制方式主要有三种:跳频扩频方式(FHSS)、直接序列扩频(DSSS)、OFDM(正交频分复用)[6]。FHSS抗干扰能力较强,隐蔽性好;DSSS具有较强的保密性、抗多径衰落以及抗窄带干扰能力;OFDM抗码间干扰能力和数据传输能力较强。深圳受干扰的蛇口线和环中线采用是抗干扰能力最差的调制方式OFDM。

4 国家对2.4GHz频段的管理要求

我国关于2.4GHz频段管理规定主要包括两个文件:一个是《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》(信部无[2002]353号)[7],另一个是《微功率(短距离)无线电设备管理暂行规定》(信部[1998]178号)[8]。2.4GHz频段为不受保护的免执照频段,依据国际通行做法和我国无线电管理规定,符合发射功率限制等技术要求的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。便携式Wi-Fi路由器使用该频段频率是合法的,使用该频段频率的地铁CBTC无线系统如果符合国家型号核准及其他相关要求也是合法的。

而对于如何处理使用2.4GHz频段合法无线电台之间的干扰问题,文件《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》规定:“在该频段内的无线电台站之间产生干扰,原则上不受保护,应自行解决或协商解决。为便于协调而需查找干扰源,可请当地无线电管理机构协助查找”。

因此,根据国家有关规定,在该频段内的无线电台站之间产生干扰,原则上不受保护,应由被干扰方自行解决或双方协商解决。

5 地铁干扰事件的启示

地铁CBTC无线系统被便携式Wi-Fi路由器干扰的原因是多方面的,发生此干扰问题的实质就是无线电磁兼容的问题,无线电磁兼容分析的基础就是无线电频谱资源的三要素(时间、空间和频率)。要解决无线电磁兼容问题,就必须充分理解三要素及它们之间的相互制约关系。

5.1 无线电频谱资源三要素的理解

无线电频谱资源的三要素为:时间、空间、频率。在同一地域,要使得工作在相同频率的无线电通信业务或系统相互不产生干扰,可以通过时间隔离实现,即它们在不同时间段工作。在同一时间,要使得工作在相同频率的无线电通信业务或系统相互不产生干扰,可以通过空间隔离实现,即它们在不同地理区域工作。在同一时间、同一地域,要使得无线电通信业务或系统相互不产生干扰,可以通过频率隔离实现,即它们在不同频率段工作。

一般而言,无线电通信业务或系统,在相同的时间、相同的地点工作在同一频率上,势必会相互干扰。然而,我们需要通过无线电频谱资源的第四维特性(技术手段),解决无线电通信业务或系统之间的干扰问题。比如码域,CDMA系统的扩频码分技术,通过扩频码实现同时同地同频用户的隔离;功率域,通过功率控制或功率分配技术,实现不同无线电通信业务或系统的同时同地同频共存,UWB系统和3G移动通信系统就是一个典型的例子。

5.2 无线电频谱资源三要素的重要意义

无线电频谱资源的三要素,也就是通常所说的电磁环境,它们构成了无线电磁兼容分析的基础。地铁CBTC无线系统与Wi-Fi之间的干扰问题,实质上就是系统兼容共存的边界条件被打破,即原本完美的空间隔离“堡垒”因MiFi的出现而被无情地摧毁。

5.2.1 空间隔离完美解决系统间干扰问题

在2G公众移动通信时代,基于IEEE 802.11协议的Wi-Fi技术十分成熟,广泛应用于大型商业中心、办公区以及家庭环境等场所中,克服了有线网络的弊端,解决了无线宽带接入“最后一公里”的问题,实现了将个人电脑、手持终端(如PAD、手机)等设备以无线的方式接入到网络中。然而,各类无线终端的信号是由有线网络提供,比如ADSL、小区宽带等。无线终端通过无线接入点(AP)连接到有线网络,简单来说AP就是无线终端设备共享上网的无线交换机,它是移动终端用户进入有线网络的接入点。因此,要通过AP实现无线接入,就必须部署有线网络到企业、家庭内部。

当时,CBTC无线系统以国内外通行的2.4GHz频段进行无线数据传输,虽然与Wi-Fi使用的频率一致。但是,一方面2G公众移动通信系统属窄带系统,不能支持移动AP节点,也就没有MiFi这种无线设备的出现。另一方面,地铁运营部门根本不会考虑在地铁空间内部署有线网络,安装AP节点,为乘客提供无线服务。因此,CBTC无线系统完全不会遭受Wi-Fi信号的干扰,即:从空间上对Wi-Fi和CBTC无线系统进行隔离,那么Wi-Fi和CBTC系统在同一时间可以互不干扰地使用开放的2.4GHz频段。此外,城市地铁隧道基坑深度一般为15米至30米,在如此深的地下封闭环境,隔绝了自由空间存在的诸多无线电干扰,使地铁的电磁环境基本可知可控,几乎不存在其他无线电系统的干扰,即使在地铁中可能有与Wi-Fi共用频率的少量蓝牙设备,但因出现几率低以及符合微功率限值,尚不能构成较大的干扰。

5.2.2 空间隔离被无情打破

斗转星移,随着公众移动通信系统的高速发展,公众移动通信逐步走向宽带化,无线移动终端逐步走向智能化。3G,4G新型宽带移动通信技术相继诞生,基于IOS系统、Windows系统、Android系统的智能终端完全占领了手机市场,类似平板电脑、蓝牙、ZigBee等各式各样具有Wi-Fi功能的无线移动设备广泛被公众接受,正大规模使用。随之,出现一种新的无线终端接入网络方式。即:无线终端通过MiFi直接接入到公众陆地移动通信网络。这样,现在的无线终端通过AP不仅能接入到有线网络,还能接入到3G、4G网络之中。

MiFi便捷携带的特性,正好契合人们随时随地能上网的需求。尤其是长时间乘坐公共交通,靠上网聊天看视频等娱乐打发时间。因此,大量MiFi设备被广大市民带入地铁里。此时,运营商的Wi-Fi和地铁CBTC无线系统工作在相同时间、相同地点、相同频率,运营商的Wi-Fi不言而喻地成为了CBTC无线系统不可回避的强干扰源,使地铁内电磁环境限值超出了CBTC系统安全标准。

地铁中的Wi-Fi干扰可分为同频干扰和邻频干扰。这两类干扰会导致CBTC无线系统的信号丢包、误码率增加、降低CBTC无线系统的抗干扰能力,从而引发地铁列车控制故障。所以,探究深圳地铁发生列车暂停故障事件的深层原因是,地铁空间的电磁环境超出了当初CBTC无线系统设计和试验环境的安全限值,而且电磁环境随着乘客使用便携式Wi-Fi路由器功率的大小以及频繁程度而随机变化。可以说,目前地铁CBTC无线系统安全风险日益增高。

5.2.3 再次实现空间隔离

地铁被Wi-Fi逼停的事件,可以说是公众移动通信高速发展带来的新问题。AP接入有线网络演进到AP可以接入无线网络,引发原本在空间隔离的Wi-Fi和地铁CBTC无线系统,又回到了同一空间区域,干扰必将发生。如何降低干扰确保Wi-Fi和地铁CBTC无线系统共存,出发点还是以无线电频谱资源的三个基本要素为总指导原则。

在频率使用上,2.4GHz是非牌照频段,符合发射功率限制等技术要求的各类无线电通信设备及工业、科学和医疗等非无线通信设备均可使用。便携式Wi-Fi路由器和地铁CBTC无线系统使用该频段频率都是合法的。此外,对于已建好的系统,更换频率需要付出沉重的经济代价,临时更换频率这条路走不通。在时间使用上,乘客Wi-Fi和地铁CBTC无线系统同时工作,限制市民在地铁上使用MiFi也是不太现实的。

因此,解铃还须系铃人,解决Wi-Fi对地铁CBTC无线系统干扰问题还是得从空间的维度考虑,即又回到空间隔离上,从源头解决干扰问题。由于车厢顶部两侧、车窗位置区域干扰信号泄露功率较大,因此将车载天线部署于车头正前方,实现干扰信号与有用信号空间上的隔离,减小干扰源的影响。

此外,根据无线电频谱资源的第四维特性,我们通过技术手段解决地铁CBTC无线系统遭受Wi-Fi干扰的问题。在调制方式方面,采用OFDM技术存在较大的干扰隐患,跳扩频技术由于具有较高的扩频增益,在抗干扰性上具有明显的优势,我们可采用跳扩频的调制技术。

6 结束语

地铁CBTC无线系统被Wi-Fi信号干扰,造成列车紧急制动。造成该事件发生的原因是多方面的,它们之间的干扰问题,除了均采用IEEE802.11标准2.4GHz公用频段外,从无线电管理的角度看,实质上就是系统兼容共存的边界条件被打破,即原本的空间隔离不复存在。通过此事告诉我们,不管电磁环境多么复杂,解决干扰问题(电磁兼容问题)的根本还是从无线电频谱资源三要素(时间、空间、频率)出发,充分理解三要素及相互关系。

摘要：在分析地铁CBTC无线系统受Wi-Fi干扰事件的基础上,本文简要介绍了CBTC无线系统中常用的车-地无线通信传输方式、调制方式,以及我国对2.4GHz频段的管理要求。最后,从无线电管理角度,深入分析得出此干扰事件的实质就是无线电磁兼容的问题,无线电磁兼容分析的基础就是无线电频谱资源时间、空间和频率这三要素,从而启发我们要充分理解这三要素及它们之间的相互制约关系。

关键词：CBTC无线系统,频谱资源三要素,Wi-Fi,无线干扰,2.4GHz

参考文献

[1]Citing Song,Bingjun Han,Hai Yu,et al.,Study On Coexistence and AntiInterference Solution For Subway CBTC System and MIFI Devices,Proceedings of IEEE IC-BNMT,174-180,2013.

[2]郑莹.基于无线通信的CBTC研究综述[J].通信技术,201 1,4(12):137-141.

[3]蔡昌俊.城市轨道交通CBTC系统无线同频干扰应对策略[J].铁路通信信号,2013,49(7):74.-76.

[4]刘晓娟.城市轨道交通CBTC系统关键技术研究[D].兰州交通大学,2009.

[5]杨安玉.地铁CBTC无线通信传输方式的工程应用[J]J.铁路通信信号工程技术(RSCE),2012,9(4):51-53.

[6]杜成.城市轨道交通CBTC系统2.4GHzt线传输技术的应用研究[J].铁道标准设计,2013,3(5):129—133.

[7]信息产业部.关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知[EB/OL],http://www.srrc.org.cn/NewsShow1363.aspx,2002—08-23.

地铁CBTC系统中的联锁技术探析篇3

1 CBTC系统的特点

基于无线通信的列车控制系统 (CBTC) , 克服了以往系统的基本限制并使轨道基础设施得到更加有效的利用, 这主要是在安全行车的前提下通过缩短车头时距、更加灵活精确的列车控制, 以及提供连续的列车隔离保障和超速防护来实现的。CBTC技术的优点还体现在通过减少轨旁设备来降低维护费用上。为了完全利用CBTC技术的优势, 受到不同供应商对于设备互通的要求, 在欧洲、北美以及其他一些地方已经开始为这种新技术制定标准, 欧洲轨道交通管理系统 (ERTMS) 也许是最著名的促进列车控制系统标准化的机构, 他们正在通过为欧洲铁路控制系统 (ETCS) 制定系统需求规格 (SRS) 来寻求一种可以协调欧洲铁路信号系统的方法。该规定是由一些欧洲国家的操作需求发展而来的, 并在一些实验站点进行修改。在北美, 美国联邦铁路管理委员会 (FRA) 正在支持相同的努力, 通过为自动列车控制系统 (PTC) 指定操作以及技术标准, 来提供自动列车分隔的核心安全功能、速度限制的实施以及道路工人的保护。

2 系统的功能

系统的功能包括ATS功能、联锁功能、ATP/ATO功能、列车检测功能、试车线功能、培训和模拟功能。

2.1 ATS功能

ATS除了自动进路排列 (ARS) 功能、自动列车调整 (ATR) 功能、列车监督和追踪 (TMT) 、时刻表 (TTF) 、控制中心人机接口 (HMI) 和报改进和增加了以下功能:在CTC通信级使用双向通信通道;在ATS后备模式下车站级可以输入车次号;适应移动闭塞的控制要求;TRC (列车进路计算机) 取代RTU的自动进路排列功能;提供独立的冗余局域网段;在ATS显示列车状态信息;与MCS (主控系统) 的接口;与车辆段联锁的接口;提供操作日志 (含故障信息) 的归档功能;设两个控制中心;车辆段调度员ATS工作站进行出库列车自动预先通知, 在规定时间无列车在车辆段转换轨时自动报警。

2.2 联锁功能

联锁除了轨道空闲处理 (TVP) 、进路控制 (RC) 、道岔控制 (PC) 和信号机控制 (sc) 等主要功能外, 联锁设备与ATS系统相结合, 可实现中央ATS和联锁设备的两级控制。根据运营要求, 应能自动或人工进行进路控制。

2.3 ATP/ATO功能

ATP/ATO除了ATP轨旁、通信、ATP/ATO车载等主要功能外, 还改进和增加了以下功能:不使用PTI的信息交换, 相应的功能可以通过双向通信通道在CTC实现;适应线性电机系统的线路条件, 满足与线性电机接口的新要求;提供ATO的冗余;ATO控制列车的原理适应移动闭塞的要求。因此, TRAINGUARDMT的核心功能是移动闭塞列车间隔功能, 根据线路的空闲状态和联锁状态 (道岔状态、进路状态、运行方向、防淹门状态、PSD状态、ESB状态) , 产生移动授权电码。正线区段 (包括车辆段出入段线、存车线、折返线) 具有双线双方向有人全自动驾驶运行功能。列车进站停车时采取一级制动 (连续制动曲线) 的方式, 按一级制动至目标停车点, 中途不得缓解, 且在进站前不会有非线路限速要求的减速台阶。

3 地铁CBTC系统中的联锁技术

3.1 连续式通信级

在连续式通信级, TRAINGUARDMT提供最先进的基于移动闭塞原理的列车安全运行。轨旁到列车双向通信, 使用无线。列车通过检测和识别应答器来确定自己的位置。对于列车采用连续式控制。在ATO系统控车后 (AM模式) , ATO系统完全自动控制列车运行直至终点站。在SM或AM驾驶模式下, 列车以移动闭塞运行, 保持列车间的安全距离。列车上有一个被称为线路数据库 (TDB) 的铁路网络图, TDB中包含应答器的位置数据。结合来自测速电机和雷达的位移测量, 每个车载ATP计算本列车的位置, 该位置是列车在线路上的绝对位置, 而不是对一个固定闭塞分区的占用, 并通过连续式通信发送位置报告给轨旁ATP。轨旁ATP追踪列车, 基于本列车和前行列车的位置报告和轨旁检测的空闲信息, 评估所有列车的移动条件, 并通过连续式通信系统发送一个连续式通信级移动授权报文到车载ATP。该移动授权符合移动闭塞原理的安全列车间隔, 并且满足其他来自SICAS的联锁条件以及其他的防护点, 比如防淹门的状态、道岔的状态。SICAS联锁是底层的列车防护系统, 也负责移动闭塞下的列车安全。ATP负责列车间隔的安全职责, 并连续监督联锁状态。在移动闭塞下, 列车同样运行在联锁设定的进路上。当联锁条件中不满足时, 列车的移动授权不能越过信号机。同时, 列车运行时连续地监督联锁条件。

3.2 点式通信级

点式通信级可以作为连续式通信级的后备模式, 或在部分对于列车行车间隔有较低要求、允许使用固定闭塞的线路使用。在点式通信级, ATO系统完全自动控制列车从一个车站运行至下一个车站 (AM模式) 。在点式通信级, 使用应答器进行轨旁到列车的通信。此时, 移动授权来自信号机的显示, 并通过可变数据应答器由轨旁点式地传送到列车。列车在线路的定位与在连续通信级一样, 考虑TDB中所有的详细线路描述, 自动地服从所有的线路限速。此时, 没有轨旁到列车的通信。无线系统配置无线系统管理通信和它自身的可用性。无线系统是基于严格的分层概念建立的, 允许根据项目进行特定的调整, 以适应不同的应用、标准、技术和组件。

4 结论

西门子的CBTC系统是一个安全、可靠、先进、适应线性电机运载、基于无线通信的列车运行控制系统。它由SICAS计算机联锁系统、TRAINGUARDMT移动闭塞式列控系统 (ATP/ATO) 、VICOSOC系统 (ATS) 组成。它与前述西门子的准移动闭塞ATC系统的区别在于采用无线通信构成移动闭塞, 而前者采用数字编码轨道电路构成准移动闭塞, 它们的计算机联锁系统及ATS是基本相同的。

参考文献

[1]季丽春.广州市轨道交通六号线信号系统设计规格书[G].广州, 2010.

[2]广州地铁设计研究院有限公司.广州市轨道交通七号线一期工程总体设计[G].广州, 2010.

[3]TB/T3073-2003铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值[S].北京:中国铁道出版社, 2003.

浅谈CBTC信号系统中的通信冗余篇4

在CBTC通信中, 浅谈冗余性在以下层次展开:

·底层硬件冗余;

·应用层通信冗余;

·骨干网与无线AP冗余。

1 底层硬件冗余

1.1 控制中心硬件冗余

轨道交通线路的大部分指挥调度, 及与外部接口通信的只能集中在控制中心, 因此控制中心的冗余性设计应考虑周全。有条件的城市可采用在正线或线网中心设置多线共享的主用控制中心, 在车辆段信号楼设置备用控制中心, 实现控制中心的物理冗余。

控制中心集中了大量关键的中央级设备, 冗余性上也细分了多种类型:

核心设备双机热备、重要设备多台共存、单机设备网络冗余。

信号系统与其他系统, 如主时钟、FAS、BAS、SCADA、大屏、无线列调、综合监控、COCC等接口在条件允许的情况下, 均应确保通信冗余。

1.2 车载硬件冗余

CBTC车载设备通常采用三取二, 或2×二取二的安全计算机, 相应的通信设备部署在列车两头的驾驶室, 采用两头同时工作的方式传送数据报文。车载安全计算机的车—地通信数据由两头驾驶室内的车载无线控制单元同时收发, 可以有效避免单头通信设备故障导致的列车停驶情况。

1.3 轨旁硬件冗余

轨旁计算机联锁系统, 以及移动授权单元, 通过冗余的车站内局域网, 经过两台安全机密设备和交换机, 接入骨干网。

联锁设备一般采用2×二取二结构, 其配备的两台通信前置机负责对外通信。移动授权单元可以是2×二取二, 或三取二结构, 至少保证两路对外通信链路均可收发指令。设备集中站一般设置多套ATS工作站及维修工作站, 非设备集中站一般要求只监不控, 因此按需设置1套即可满足运营要求。

2 应用层冗余

CBTC各应用软件均应具有通信重发机制, 依靠识别发送序列号和接收序列号判断是否存在丢包情况。安全命令可采用两次发送确认的方式加强安全性。

尤其是安全报文的通信协议应做到远程通信设备的时钟与本地设备时钟的校验, 设置合理的报文生命周期, 避免错误的处理已经过时的信息。CRC校验的位数应在64位以上, 确保高强度的数据校验, 并对核心数据采用IPSec加密处理。

3 骨干网与AP冗余

3.1 工业以太网冗余技术

信号系统项目中, 轨旁骨干网可采用工业以太网、SDH或OTN等冗余自愈网络。而其中工业以太网技术由于结构简单、易于扩展、造价低廉、维护方便的优势逐渐成为主流布网方式。工业以太网的骨干网络通常环型自愈单模光纤网络, 或双总线型骨干网络, 可以容忍单点故障及某些多点故障情形。对于目前较流行的工业以太网组网方式, 主要有单环双交换机, 及双环单交换机组网, 这两种方式各有利弊, 总体可靠性差别不大。

3.2 无线AP冗余的原则

3.2.1 无线AP覆盖冗余

无线CBTC系统DCS中的无线网络部分, 提供了轨旁AP和车载电台MR的冗余设计, 实现了无线覆盖的冗余和无线链路的冗余, 从而大大提高了系统的抗干扰能力。

MR随着列车在整个系统的无线覆盖区间内移动, 与轨旁的AP (通常是与信号最强的AP) 建立空中信道, 并利用该信道传输列车运行状态和控制信息。

系统的每一个AP都具有一对高增益天线, 每个天线各指向轨道的一个方向, 以供列车双向运行通信。每个天线的类型、增益以及精确位置, 是由轨道的物理特性并经仔细的链路预算和无线勘测后决定。

AP采用冗余的无线覆盖, 每个AP单方向的无线覆盖范围是AP间距的两倍。确保在轨道上任意一点, 也即是列车的任意一头在线路上任意一点至少可以同时收到相邻的至少2个轨旁AP点的信号。

在此理想状态下, 列车将同时拥有4条可用的无线通信链路。而相邻AP由不同的UPS供电回路来供电, 确保单路电源失电的情况下车头与车尾MR仍可与至少1个相邻的AP建立无线连接。

3.2.3 无线AP频率冗余

CBTC对无线通信的依赖度相当高, 近年来无线通信受干扰逼停列车的时间屡屡发生在某些线路, 也是由于在设计阶段没有充分考虑频率规划的合理性, 盲目开工追求进度, 事后运营中往往出现干扰严重, 列车走走停停的现象。

DCS网络的无线部分采用AP无线自由波传输方式, 主流信号集成商采用DSSS直接序列扩频, 或FHSS跳频扩频。目前以实际应用效果及专业测试机构进行的测试结果比较来看, FHSS技术在抗干扰能力方面更胜一筹, 技术指标明显优于DSSS技术。

FHSS技术可以提供高达79个无线频率信道。每个无线信道的载波频宽为1MHz。FHSS技术共有3个跳频组, 每个跳频组含有26种跳频序列, 这样共计有78种完全不同的跳频序列可供AP使用。车地之间进行无线数据通信时, 载波频率将以伪随机序列进行高速的跳变。FHSS技术的使用使其能很好的抵抗外部无线干扰, 并能够在隧道内和隧道外可靠工作。

4 结束语

CBTC信号系统中通信冗余性的研究对提高城市轨道交通整体运营效率具有重要意义。通过冗余的底层硬件、应用层、无线传输技术及工业以太网, 构成了现代CBTC通信系统冗余性的基础, 为上层应用提供了高可用性的通信保障。

摘要：本文介绍了目前主流的CBTC采用的通信冗余机制, 设备构成和实现方式。分析了影响CBTC通信的底层硬件、应用层以及骨干网与AP的冗余性。

关键词：CBTC,通信,冗余

参考文献

[1][美]MattbewS.Gast著.802.11无线网络权威指南[M].北京:清华大学出版社, 2002

[2]肖贺, 管海兵, 宦飞.工业以太网冗余技术分析[J].信息安全与通信保密.2012 (03) .

[3]舒安洁, 李开成.CBTC系统信息安全传输的研究[J].微计算机信息, 2006 (07) .

[4]龙隆.基于IEEE 802.11协议的无线局域网分布式功率控制研究[D].上海交通大学, 2008.

CBTC无线系统篇5

现今, 迅猛发展的城市轨道交通建设对新一代的列车自动防护系统的要求越来越高, 而列车CBTC控制系统的发展与应用, 为我国的城市轨道建设带来了新的面貌。作为贯穿深圳市发展主轴的地铁二期信号工程蛇口线, 贯穿的轨道干线有南山次中心、福田中心区、罗湖中心区、蛇口片区及沿线片区, 这条重要的客运主道已经有效应用了列车CBTC系统, CBTC系统结合地面设备和车载设备于统一体, 以自动防护系统的安全可靠性作为技术条件, 有效地保证了整个交通轨道的安全通行, 列车在统一的技术标准下能够以最小的距离高速运行。

2 CBTC系统移动授权分析

2.1 移动授权管理

移动授权的主要功能是实现前后两列车间的分隔, 它的防护系统是由连锁系统提供的, 它的主要表现形式是带有运行许可方向的一段线路。保障列车在城市轨道交通中的安全行驶是CBTC系统的主要功能和任务。而它的实现则是通过为每一通信列车提供一个移动 (MA) 。MA的线路范围则是列车前方障碍物到车尾间的线路。当列车遇到障碍物时, 如遇到进路终点、岔道以及前方列车作为障碍物时, 可以向各自的列车发生移动授权, 主要是根据在所管辖的区域范围之内的障碍物是实际位置。如果在受控范围之内, 当列车时刻表在正常运行的状态之下, 列车的实际位置与运行的确切方向被车载控制器通过AP天线直接发送给zc, 同时zc可以有效地实现连锁功能以及控制信号机和道岔。

2.2 CBTC系统混跑模式中的移动授权计算

2.2.1 在CBTC列车跟随非CBTC列车的情况下。

在CBTC列车跟随非CBTC列车的情况下的MA计算的方法是, 如果非CBTC在出清站间区段, CBTC系统的列车的移动授权将会移动到新的边界地, 即固定闭塞的边界。通过绿灯的非CBCT列车受到固定闭塞区段的保护, 则在后续列车行驶的CBTC列车MA则会向前车的固定闭塞区的前端延伸。

2.2.2 在前车发生不可恢复故障的情况下。

在前车发生不可恢复故障的情况下的MA计算的方法是, 在前车保持通信良好的状态下, 列车进行正常的追踪, 那么这时前车MA会延伸到列车前面的信号机的位置, 在这种条件下, 后续列车MA延伸到前车的车位位置。同时在前方列车发生故障的情况下, 前车则会立即采取制动的措施。

2.2.3 在CBTC列车追踪通信故障列车的情况下。

在CBTC列车追踪通信故障列车的情况下的MA计算的方法是, 在前车保持通信良好的状态下, 列车则进行正常的追踪行驶。那么这时前方列车MA会相应地延伸, 延伸至列车前面的信号机位置处;在这种情况下, 后续列车MA则会延伸至前方列车的尾部。而在前方的列车故障的情况下, 前方的车则会立即采取制动的措施, 后续列车MA相应地返回至轨道的始端。在前车行驶至有信标的地方时, 经过中心调度员的仔细确认后, 前方列车可使用RM模式前行。

2.2.4 在后车发生不可恢复故障的情况下。

在后续列车发生不可恢复故障的情况下的MA计算的方法是, 在前车保持通信良好的状态下, 列车则进行正常的追踪行驶。后续列车MA延伸至前方列车的尾部, 后续列车MA会相应地延伸, 延伸至前方的信号机位置处;而在后续列车的列车故障的情况下, 前方列车MA也会发生相应改变。

3 移动闭塞与传统闭塞的比较

3.1 移动闭塞与固定闭塞的比较

深圳地铁二期信号系统采用的合理解决措施的前提是保障系统的安全, 然后再最大程度地实施移动闭塞信号的设计理念。移动闭塞原理主要是基于列车的定位检测, 它的技术的实现主要是通过车载设备以及轨旁设备的双向通信, 控制中心定时接受每辆列车发送的位置报告, 并同时将立场的具体位置实时报告给后续列车, 接受信息的后续列车根据情况自行计算出在范围之内的最大控制距离以及最高的运行速度, 保持列车间的安态追踪距离。

固定闭塞主要是在区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号, 将轨道分成若干个分区, 每一列车占一个闭塞分区, 禁止一个闭塞分区中存在两列车。移动闭塞相对于固定闭塞有着明显的优势, 移动闭塞几乎不用再设定相应的固定信号和保持列车间安全距离的前方列车与后续列车的实际行驶速度, 而只是依据列车行驶时的最小车距来判断, 更能缩短列车的追踪时间, 从而提高了运营的效率。

3.2 移动闭塞与准移动闭塞的比较

准移动闭塞和固定闭塞的原理是相同的, 即预先设定列车间的安全间隔距离, 同时根据前方列车运行状态相应地设置列车的最小的距离和最大的运行速度。但准移动闭塞的在安全控车方面比起固定闭塞更具有明显的优势, 准移动闭塞系统为了判断分区是否被占用, 采用报文式的音频数字无绝缘轨道电路, 辅之环线或点式应答器, 目的是为了告知后续列车可以继续前行的距离范围, 根据这一距离范围, 相应地采取制动或减速的措施以保证列车以合理的车速安全行驶。

移动闭塞采用的速度控制模式是一级, 控制模式的计算是根据列车运行的速度、列车制动曲线动态以及列车的确定位置得出的。因此精确的定位系统使得后续列车能以最大的速度行驶而保持安全的间距, 后车由于不用再占用轨道停车的原因大大缩短了运行间隔, 提高了列车的行驶密度和通过效率, 因此移动闭塞相对于准移动闭塞有着明显的优势。

4 列车定位技术

列车定位系统是由安装在轨道中的信标、车底的信标读取器和多普勒雷达以及车底的多普雷达组成的。由于信号系统可以采用多种定位技术, 深圳地铁三号线列车的CBTC移动闭塞信号系统的列车定位技术可以有效地实现列车的绝对定位和相对定位技术, 主要采用的是信标-编码里程计定位技术。同时信标可以分为两类, 即无源信标和有源信标这两种。无源信标的功能主要是位实现列车的定位的, 当列车经过信标所处的位置时, 信标被车载信标天线发射的电磁波激活并将位置信息及时传给列车, 能有效保证列车地安全行驶。而有源信标可既可实现列车的定位, 同时也可实现单向通信。

5 系统的主要工作原理

5.1 移动闭塞原理

移动闭塞原理是基于区间闭塞原理, 根据实际列车的运行速度和位置计算以达到列车的安全距离的目的。移动闭塞只用随列车运动, 而不用设定两列车间的安全间隔距。它的定位方式的实现是通过车载定位设备以及地面辅助定位设备而定的。移动闭塞既可以保证列车以最小安全间隔距离运行, 同时也可以检测出前车与后车的位置以及应该行驶的速度, cong从而保证列车在安全制动范围之内行驶。而其中的虚拟移动分区的存在, 它可以根据列车的运行的位置和实际行驶的速度以计算出列车的最大制动距离。因此移动闭塞的存在就能使两列车在较小距离的基础上安全地行驶。

5.2 列车AP系统防护原理

为了补充线路上的信号设备, CBTC系统中AP则是此种闭环高安全系的自动防护系统。AP系统主要由车载设备和地面设备共同组成的。它的主要原理是在地面联锁向车载设备延伸的基础上, 更好地实现以车载设备为主的行车方式。列车AP系统主要在运行于一定区段目标速度的基础上, 通过地面的AP设备实现列车在一定速度下的安全运行, 保证了列车之间的安全制动距离, 从而保证了列车的安全行驶。

6 结束语

随着列车安全系统的进步与发展, 蛇口线CBTC系统结合了列车定位技术、自动防护技术实现了列车的移动闭塞功能, 保证了列车间的安全制度距离, 使列车在较小的距离下以较高的速度运行, 大大提高了列车的安全性能和运营效率。

摘要：文章结合深圳地铁二期信号工程蛇口线目前运营现状, 通过对CBTC系统移动授权分析、移动闭塞与传统闭塞的比较、列车定位技术、系统的主要工作原理四个方面的阐述, 分析了CBTC系统下列车移动授权及自动防护原理。

关键词：移动授权,防护系统,闭塞模式

参考文献

[1]刘朔.CBTC系统移动授权生成的建模与实现[D].北京:北京交通大学, 2007.

CBTC无线系统篇6

关键词：CBTC,后备模式,模式转换

随着工业化程度的提高, 世界城市人口急剧膨胀, 对城市轨道交通的载客能力提出了越来越高的要求。如果能将最小列车间隔从4min缩短为2min, 则同样的线路、同样的列车就可以使载客能力提高一倍。基于通信的列车控制 (CBTC, Communication Based Train Control) 系统通过车-地双向通信, 实现移动自动闭塞, 可以保证列车运行安全, 缩短行车间隔, 提高运输效率。虽然为先进的列车控制系统, 但运营故障或特殊情况时CBTC信号系统也需要后备模式配合。

1 后备模式的应用

后备模式是移动闭塞系统在非完整列车运行自动控制 (ATC, Automatic Train Control) 模式下的一种降级运营方式, 在以下情形应用[2]。

线路正式开通前, 信号系统不具备列车自动防护 (ATP, Automatic Train Protection) 或者列车自动驾驶 (ATO, Automatic Train Operation) 开通条件时;

双套车载CBTC设备故障时, 为了使故障列车安全撤离, 使系统尽快恢复正常运营;

没有配备CBTC车载设备的车, 如工程车、救援车等列车运行时;

联锁正常时, 轨旁通信单元故障。当上述情况时, 车载设备与轨旁设备间无法形成连续通信, CBTC系统降级为后备模式运行。

2 后备系统的选择原则

由于CBTC系统是一个高可靠性冗余的系统, 因此当单个设备故障, 包括列车自动监控 (ATS, Automatic Train Supervision) 服务器和工作站、轨旁ATP/ATO计算机、车载ATP/ATO计算机及轨旁无线单元时, 不会影响列车的正常运行。在这样的前提下, 后备系统在选择时不需要追求性能的完善, 应从成本有效的观点出发。若后备模式要求过高, 不可避免地导致接口和轨旁设备的增加, 造成系统复杂, 初期投资及运营维护成本加大, 失去了选用移动闭塞轨旁设备简单的优势[3]。

3 后备系统模式

目前CBTC信号系统主要的厂商有ALSTOM、SIEMENS、Alcatel、USSI等。各CBTC信号系统厂家提供的后备模式主要有站间闭塞模式和点式ATP模式两种, 主要选择计轴作为辅助检查设备, 设置必要的信号机、有源应答器信标等轨旁设备实现不同的后备模式功能。下面介绍ALcatel公司的后备系统[3]。

3.1 站间闭塞后备模式

系统在正向出站处配备计轴设备及出站信号机, 并在道岔区及接近区配备对非通信 (故障列车) 过岔防护的道岔区计轴检查装置。实现联锁和自动站间闭塞。

当出现ATC系统故障, 此时系统运行于后备模式, 联锁将会接收轨道区段的状态, 将状态发送到ATS, 并且办理相应的进路。司机根据调度命令和地面信号的显示驾驶列车。此时, 列车最高运行限速为25 km/h, 如果超过25 km/h, 车载控制器将给出报警并命令紧急制动。由于计轴装置是故障-安全的, 只要报告区段出清, 进路就可以自动分段解锁, 恢复正常的CBTC自动运行。

3.2 简单点式ATP后备模式

系统在3.1中配置的基础上, 增加与信号机显示电路直接接口的有源应答器。与第一种后备模式相比, 还可以提供基于车载列车定位和信号关联应答器的简单超速防护、倒溜防护和冒进信号机时发出紧急制动。

当出现ATC系统故障, 系统运行于后备模式时, 联锁将会接收轨道区段的状态, 把这个状态发送到ATS, 并且办理相应的进路。司机根据调度命令和地面信号的显示人工驾驶列车。在此种模式下, 车载控制器对列车速度进行连续不断地监督, 并且不断比较列车的测量速度与最大的允许速度, 最大允许速度是根据一些客观条件 (如土建数据, 列车自身条件等) 计算得到的。最大允许速度和列车的测量速度都将在人机界面上显示。若列车速度接近最大允许速度, 就会产生声音报警, 提醒司机减速。如果在一定的时间内, 司机未采取任何减速措施, 列车速度超过最大允许速度, 车载控制器采取紧急制动。同样, 列车一旦闯越红灯, 车载控制器也会紧急制动。

4 CBTC模式与后备模式的转换及混跑

4.1. CBTC模式与后备模式的转换

在CBTC系统中, CBTC子系统和联锁子系统都有CBTC及后备两种模式, 可实现自动转换。模式转换由CBTC子系统和联锁配合完成, CBTC子系统提供当前自己所处模式信息, 发送给联锁子系统, 最终由联锁子系统判断后决定轨旁信号的点灯模式。当CBTC子系统和联锁子系统选择相同的模式时, 系统根据所选模式运行。当CBTC子系统和联锁子系统选择了不同模式时, 应以较低一级的模式处理, 确保系统安全运行[4]。

选择CBTC模式:联锁系统根据CBTC模式下的技术条件, 所建立的进路不检查区段空闲, CBTC系统将移动授权、运行方向等信息发送给车载系统, 列车根据移动授权运行;轨旁信号处于灭灯或点灯状态。

选择后备模式:联锁根据后备模式下的联锁技术条件, 检查进路中的轨道区段空闲并满足其它联锁条件, 才能开放信号;运行间隔由联锁保证, 列车根据轨旁信号显示运行;轨旁信号处于点灯状态。

4.2 CBTC模式与后备模式的混跑

CBTC模式和后备模式混跑有2种情形:

某列车因为失去通信, 系统将其作为后备模式运营

某个区的无线通信中断, 系统将该区域作为后备模式运营

根据以上两种情况, 同一条轨道交通线路中轨旁信号可以处于不同的模式, 根据所处的状态来选择。

结束语

目前城市轨道交通发展迅速, 信号系统都采用CBTC系统, 后备模式也成为其必备的组成部分, 在故障和CBTC条件不满足时为列车提供安全防护功能, 是从“故障-安全”的角度对CBTC系统进行完善。

参考文献

[1]刘晓娟等.城市轨道交通智能控制系统[M].北京:中国铁道出版社, 2008.

[2]刘剑.城市轨道交通移动闭塞系统后备模式的研究[D].硕士学位论文.