車載信號車輛位置信息傳輸技術(shù)在地鐵中的應用

雷明宇

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北遠東哈里斯通信有限公司 河北 石家莊 050200）

1 總體概述

隨著我國地鐵事業(yè)的快速發(fā)展， 現(xiàn)場環(huán)境日趨復雜，對相關(guān)設備的功能要求也越來越高，現(xiàn)有的信息傳輸技術(shù)局限性也逐漸暴露出來，特殊情況下，當?shù)罔F信號設備出現(xiàn)故障時，列車滯留在隧道區(qū)間內(nèi)，控制中心調(diào)度系統(tǒng)無法得知列車的具體故障地點，給調(diào)度人員指揮運用及故障處理帶來了不便之處。 車載信號車輛位置信息傳輸技術(shù)，為解決此類問題提供了有效途徑。 根據(jù)地鐵運營時出現(xiàn)的特殊情況，本著實用且方便的原則，車載信號車輛位置信息傳輸技術(shù)成為一種實現(xiàn)方式。

2 系統(tǒng)組成

圖1 車載信號車輛位置信息傳輸系統(tǒng)連接示意圖

如圖1 所示， 車載信號車輛位置信息傳輸系統(tǒng)主要由CAD 調(diào)度服務器和通信車載臺兩大主要部分組成。

利用通信車載臺既有RS232 數(shù)據(jù)接口與地面PIS 車載設備互連互通， 從地面PIS 車載設備接收其轉(zhuǎn)發(fā)的車載信號位置信息；

利用無線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道把車載信號車輛位置信息進一步轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心CAD 調(diào)度系統(tǒng)服務器， 由CAD 調(diào)度服務器分發(fā)給各調(diào)度臺，最終呈現(xiàn)給用戶。

系統(tǒng)主要設備

2.1 CAD 調(diào)度服務器

CAD 調(diào)度服務器是車載信號車輛位置信息傳輸?shù)年P(guān)鍵設備，負責利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)傳輸服務與通信車載臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)需要把所接收到的車載信號車輛位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給各調(diào)度臺席位。

CAD 調(diào)度服務器采用機架式服務器硬件，其上運行有定制研發(fā)的CAD 調(diào)度服務器軟件。 CAD 調(diào)度服務器軟件具有友好的用戶操作界面，允許用戶查看系統(tǒng)內(nèi)車輛位置信息數(shù)據(jù)傳輸活動。

2.2 通信車載臺

通信車載臺是在TETRA 標準電臺TMR880i 的基礎(chǔ)上進行的二次開發(fā)產(chǎn)品。

通信車載臺主要包括主機、控制盒、天線、饋線等組成部分，在主機和控制盒上設計有各種外部接口以連接到外部系統(tǒng)設備，其中，控制盒上設計有RS232 接口，專門用來連接地面PIS 車載設備。 車載臺控制盒能夠提供操作、顯示界面，運行期間，用戶可以通過操控該設備調(diào)用各種用戶功能。

3 功能實現(xiàn)

車載信號車輛位置信息傳輸?shù)闹饕δ苁窃谔囟ㄇ闆r下利用專用無線通信系統(tǒng)傳輸通道進行車輛位置信息傳輸和信息共享，以輔助調(diào)度人員指揮運營需要。

3.1 車載信號車輛位置信息流特性

通信車載臺外側(cè)接口車載信號車輛位置信息流特性：

1）包長度：≤20 字節(jié)；

2）包頻度：很高，1 包/50ms（20 包/s），但是可由無線系統(tǒng)控制傳輸；

3）延遲要求：較低，允許滯后傳輸；

4）重要性：一般。

車載信號車輛位置信息內(nèi)容包括：

1）上下行信息：1 個字節(jié)；

2）PVID 車體號（即車組號）：2 個字節(jié)；//應該是車次號

3）下一站的ID：2 個字節(jié)；

4）到下一站距離：2 個字節(jié)，單位為0.5 米。

此外，專用無線通信系統(tǒng)與信號系統(tǒng)在控制中心設計有接口，該接口傳輸?shù)男畔ǎ?/p>

1）車組號；

2）車次號；

3）司機號；

4）上下行；

5）當前車站。

3.2 信息傳輸與控制

車載信號車輛位置信息的信源是車載信號設備，信宿是控制中心專用無線系統(tǒng)CAD 調(diào)度服務器和調(diào)度臺， 通信車載臺在接收、 解析該類信息之后將進一步轉(zhuǎn)發(fā)給CAD 調(diào)度服務器，由后者在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)信息共享，分發(fā)給相應的調(diào)度臺等設備。

地面PIS 車載設備提供給通信車載臺設備的車載信號車輛位置信息是一種高精度、周期性實時更新的信息流。 為了滿足不同的應用需求，無線系統(tǒng)將利用該信息提取出以下兩種信息：

1）高精度列車位置信息：

完全復制車載信號設備信息，包括上下行信息、下一車站ID、至下一車站距離。 在特定情況下（例如，控制中心信號ATS 人機界面故障）， 該信息可以用來輔助調(diào)度用戶較為準確的定位列車位置，并以圖文形式呈現(xiàn)在調(diào)度界面上。

2）低精度列車位置信息：

由車載信號車輛位置信息轉(zhuǎn)換而來的信息，包括上下行信息、當前車站信息。 當控制中心專用無線系統(tǒng)與信號系統(tǒng)之間接口故障時，該信息可以用來輔助調(diào)度席位分配、釋放列車資源，完成界面列車位置信息更新。

對于上述兩種精度的車載信號車輛位置信息，將采用以下不同的傳輸與控制策略，下面分別進行簡要描述。

3.2.1 高精度列車位置信息傳輸與控制

對于高精度列車位置信息傳輸，將采用以下傳輸與控制策略：

1）必須由控制中心調(diào)度用戶手動操作觸發(fā)信息上報；

2）每次觸發(fā)操作僅上報一次信息包，上報完成之后將自動關(guān)閉信息上報，直到接收到下一個上報控制指令，即，無需單獨對該車載臺發(fā)送停止傳輸控制指令；

3）控制中心調(diào)度用戶可以同時觸發(fā)多個列車車載臺進行位置信息上報；

4）高精度列車位置信息傳輸與控制中心側(cè)無線系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接口狀態(tài)無關(guān)。

高精度列車位置信息將以圖文等方式在調(diào)度臺軟件界面上呈現(xiàn)給用戶。

圖2 通信車載臺一側(cè)高精度列車位置信息傳輸狀態(tài)遷移圖

3.2.2 低精度列車位置信息傳輸與控制

下面的章節(jié)主要用來描述低精度列車位置信息的傳輸與控制策略。

與高精度列車位置信息傳輸和控制策略相比，其最大不同是：

1）對于低精度列車位置信息，每次觸發(fā)操作將打開信息上報狀態(tài)，直到車載臺接收到手動關(guān)閉控制指令，在此期間如果檢查到信息變化時持續(xù)上報信息包；

2）低精度列車位置信息傳輸與控制中心側(cè)無線系統(tǒng)和信號系統(tǒng)接口狀態(tài)相關(guān)： 僅當無線系統(tǒng)與信號系統(tǒng)接口故障時，才能啟動低精度列車位置信息傳輸，這樣能夠有效防止無線系統(tǒng)從兩個接口接收到不一致的位置信息造成調(diào)度混亂。

1）信息傳輸控制策略

通信車載臺在進行車載信號車輛位置信息傳輸時，需要采用以下特殊處理措施：

（1）通信車載臺一直接收地面PIS 車載設備提供的數(shù)據(jù)信息，但是，僅在接收到控制指令時才會開始、停止列車位置信息傳輸——控制中心調(diào)度用戶可以通過操作對該車載臺發(fā)出控制指令；

（2）控制中心CAD 調(diào)度服務器僅在中心信號鏈路故障的情況下才會啟動低精度列車位置信息傳輸，無線系統(tǒng)CAD 調(diào)度系統(tǒng)將以這些車載信號設備信息輔助列車運營調(diào)度；

（3）為了節(jié)省無線通道資源，車載臺并不是直接復制信號設備數(shù)據(jù)包，而是在把這些信息進行一定的整合、變換之后再轉(zhuǎn)發(fā)給CAD 調(diào)度服務器；

（4）即使通信車載臺從地面PIS 車載設備接收到的信息發(fā)生了改變，但是，如果變換之后的列車位置信息結(jié)果并沒有發(fā)生改變，那么通信車載臺將不會上傳該變換結(jié)果，列車在正線上運行時，如果不跨站不折返，其低精度列車位置信息將不會改變。

2）啟動、停止信息傳輸?shù)南葲Q條件

控制中心專用無線通信系統(tǒng)CAD 調(diào)度設備與信號設備接口故障、恢復事件是啟動、停止車載信號車輛位置信息傳輸?shù)南葲Q條件。

這兩個事件的定義如下：

（1）故障事件：

a）軟件信號接口任務啟動失敗，或者無網(wǎng)絡連接；

b）超時無數(shù)據(jù)傳輸，可能物理鏈路斷開，或者信號設備故障，或者中間鏈路設備，或者鏈路上連接電纜故障；

c）能夠接收到信號設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)包格式與接口文件不符，解析失?。?/p>

上述任一事件發(fā)生，即為故障事件。

（2）恢復事件：

d）軟件能夠在指定的時間周期內(nèi)接收到信號設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并且該數(shù)據(jù)包格式與接口協(xié)議一致（可能數(shù)據(jù)包校驗錯）， 只要有一個信號系統(tǒng)接口鏈路工作正常調(diào)度系統(tǒng)服務器就能夠工作正常；

上述兩類事件都由CAD 調(diào)度服務器識別、判斷。

3）傳輸控制指令與傳輸過程

在CAD 調(diào)度服務器和通信車載臺之間主要設計有以下兩類控制指令：

（1）啟動傳輸；

（2）停止傳輸。

為了節(jié)約無線通道資源，提高傳輸可靠性，可以采用狀態(tài)消息承載上述控制指令。

采用以下方式控制車載信號車輛位置信息傳輸：

（1）通信車載臺加電啟動時，傳輸控制總是默認為關(guān)閉狀態(tài)；

（2）當CAD 調(diào)度服務器向下發(fā)送控制指令時，可以采用單播或組播方式，在此基礎(chǔ)上添加確認和重傳機制確保傳輸成功；

（3）當下發(fā)控制指令時，總是只發(fā)給已開機注冊的通信車載臺；

（4） 如果CAD 調(diào)度服務器在中心信號接口工作正常的情況下接收到了通信車載臺轉(zhuǎn)發(fā)的低精度列車位置信息，應該對該設備補發(fā)停止傳輸控制指令，立即停止該信息傳輸；

（5）當通信車載臺傳輸控制為打開狀態(tài)時，如果它檢查到列車跨越車站區(qū)間，將立即開始上報一個新的列車位置信息包；

（6）CAD 調(diào)度服務器軟件設計有手動發(fā)送控制指令的操作界面，便于用戶單獨控制通信車載臺信號設備信息傳輸。

圖3 通信車載臺一側(cè)低精度列車位置信息傳輸狀態(tài)遷移圖

通信車載臺即使在信息傳輸關(guān)閉狀態(tài)下，也會繼續(xù)接收和變換車載信號設備提供的數(shù)據(jù)信息，以便在啟動傳輸控制時能夠及時上傳該列車信息。

4 其他

4.1 共享系統(tǒng)短數(shù)據(jù)傳輸服務

本系統(tǒng)中，主要存在以下兩種數(shù)據(jù)傳輸需求需要使用到系統(tǒng)提供的短數(shù)據(jù)傳輸服務：

1）CAD 調(diào)度系統(tǒng)與通信車載臺、固定臺之間定制數(shù)據(jù)傳輸需求：包括列車位置更新、對時信息、呼叫請求等，其中最頻繁的數(shù)據(jù)是列車位置更新；

2）通信車載臺到控制中心設備之間的數(shù)據(jù)傳輸需求：車載信號車輛位置信息。

根據(jù)總體設計， 第一種數(shù)據(jù)傳輸主要是下行數(shù)據(jù)傳輸，而第二種數(shù)據(jù)傳輸主要是上行數(shù)據(jù)傳輸，這兩種數(shù)據(jù)傳輸相互之間影響較小。

4.2 專用無線通信系統(tǒng)短數(shù)據(jù)傳輸通道性能

從通信車載臺到無線系統(tǒng)控制中心設備之間采用系統(tǒng)提供的短數(shù)據(jù)傳輸服務實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無線系統(tǒng)的短數(shù)據(jù)傳輸服務直接影響到車載信號車輛位置信息傳輸性能。

下面從以下幾個方面簡單描述一下無線系統(tǒng)短數(shù)據(jù)傳輸通道性能：

4.2.1 通道帶寬

1）空閑無語音呼叫時：采用主控信道（MCCH），380 字節(jié)/秒；

2）語音呼叫或者數(shù)據(jù)呼叫中，且在同向沒有呼叫數(shù)據(jù)傳輸（例如，終端發(fā)送短數(shù)據(jù)時，主叫方不在本基站）：采用快速隨路控制信道（FACCH），帶寬與MCCH 相同，380 字節(jié)/秒；

3）語音呼叫或者數(shù)據(jù)呼叫中，且在同向有呼叫數(shù)據(jù)傳輸（例如，終端發(fā)送短信時，主叫方在本基站）：

采用慢速隨路控制信道（SACCH），21 字節(jié)/秒；

此外，考慮到基站控制信道占用率不宜超出40%，折算之后的短數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬為152 字節(jié)/秒。

4.2.2 延時

短數(shù)據(jù)傳輸延時與很多因素有關(guān)，其中，典型的因素包括系統(tǒng)基站及對應終端的繁忙程度、所傳輸數(shù)據(jù)包的長度、無線終端的信號覆蓋等。

典型情況下，當系統(tǒng)基站及終端空閑時，對于長度小于60 字節(jié)的數(shù)據(jù)包，傳輸延時小于1 秒。

4.2.3 相關(guān)因素

對于地鐵項目來說， 影響通信車載臺與CAD 服務器之間短數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)因素可能包括基站信道忙、 越區(qū)切換、無線信號弱等典型因素。

4.2.4 傳輸策略

短數(shù)據(jù)傳輸采用先進先出服務原則， 為了防止傳輸擁堵，一般來說，僅當上一條短數(shù)據(jù)傳輸完成之后才開始傳輸下一條短數(shù)據(jù)。

4.2.5 傳輸控制與確認

支持端到端接收確認和自定義的應用確認。

5 結(jié)語

筆者所述的車載信號車輛位置信息傳輸技術(shù)的實現(xiàn)方式，最大限度地利用現(xiàn)在地鐵里已有的相關(guān)設備，再此基礎(chǔ)上進行開發(fā)創(chuàng)新，具有較大的實用價值和可行性，希望該技術(shù)在不久的將來能在我國地鐵領(lǐng)域得到廣泛應用。S