城市軌道交通列車運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸方案研究

張 惺

目前，國內(nèi)常規(guī)有人駕駛城市軌道交通線路的列車運(yùn)行狀態(tài)和故障信息多以非實(shí)時方式傳輸至地面，即列車維保人員上車通過車載專用接口進(jìn)行信息下載采集，或列車回庫后通過庫內(nèi)設(shè)置的專用車地通信設(shè)施進(jìn)行信息下載［1］。隨著城市軌道交通全自動運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)有人駕駛線路的運(yùn)營服務(wù)和維護(hù)要求逐步提高，需要對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，因此將列車運(yùn)行狀態(tài)及故障信息實(shí)時傳輸至地面的要求也逐步顯現(xiàn)。

1 需求分析

1.1 信息內(nèi)容

車地互聯(lián)信息，即列車運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，根據(jù)其信息內(nèi)容可分為以下三級［3］。

一級為關(guān)鍵信息，對列車安全、運(yùn)營和服務(wù)造成顯著影響的列車事故和故障，如車輛火災(zāi)警報、車門緊急解鎖、乘客緊急對講、列車緊急制動、牽引系統(tǒng)嚴(yán)重故障、制動系統(tǒng)嚴(yán)重故障等，需要立即采取措施處理。

二級為次關(guān)鍵信息，對列車安全、運(yùn)營和服務(wù)造成不顯著或沒有影響的列車事故和故障，需要在列車返回段場之前采取措施處理。

三級為非關(guān)鍵信息，用于段場維修、故障發(fā)現(xiàn)及列車日檢確認(rèn)等情況下的故障記錄、監(jiān)控數(shù)據(jù)，以及環(huán)境數(shù)據(jù)。

上述各類信息中，一級信息大約60 KB，二級信息大約6 KB，三級信息大約2 KB。三類信息的實(shí)際數(shù)據(jù)量在16 KB/s 以內(nèi)。按照16 KB/s 進(jìn)行估算，數(shù)據(jù)流量為128 kb/s，所需的傳輸帶寬不低于1 Mb/s。

1.2 傳輸要求

車地互聯(lián)信息無線傳輸要求［4］：①車地通信傳輸帶寬要確保低延遲和低丟包率，傳輸延遲時間應(yīng)不大于500 ms，丟包率應(yīng)不大于1%；②車地通信連續(xù)覆蓋要滿足列車實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)要求，無線傳輸通道的設(shè)備布置應(yīng)全線場強(qiáng)連續(xù)覆蓋；③列車高速移動時車地通信切換要達(dá)到無縫切換，通信網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換時間不大于100 ms。

2 技術(shù)方案

2.1 傳輸技術(shù)比較

目前國內(nèi)軌道交通車地?zé)o線傳輸網(wǎng)主要有TD-LTE 和WLAN 2 種規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)，2 種技術(shù)各有特點(diǎn)。

TD-LTE 技術(shù)以正交頻分復(fù)用（OFDM） 和多入多出技術(shù)（MIMO）為核心技術(shù)，其優(yōu)勢體現(xiàn)在：高數(shù)據(jù)速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。TD-LTE 技術(shù)在20 MHz 頻譜帶寬能夠提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s 的峰值速率。經(jīng)過多年的研究、應(yīng)用以及發(fā)展，該技術(shù)目前已經(jīng)成為一種非常成熟的寬帶無線技術(shù)，并已在國內(nèi)城市軌道交通中得到了廣泛應(yīng)用［5-6］。

無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)以IEEE 802.11 工作組規(guī)定的無線通信系統(tǒng)為代表，主要包括802.11b、802.11a 和802.11g、802.11n、802.11ac等物理層標(biāo)準(zhǔn)?；谧钚乱淮?02.11ac 標(biāo)準(zhǔn)的WLAN 技術(shù)，較上一代標(biāo)準(zhǔn)有更寬的射頻帶寬（高達(dá)160 MHz 通道）、更多重輸入/輸出（MIMO）、空間流（高達(dá)8 個），以及高密度調(diào)制解調(diào)（高達(dá)256 QAM），其理論傳輸速度可由802.11n 最高的600 Mb/s 躍升至1 Gb/s?；赪LAN 技術(shù)的車地?zé)o線傳輸網(wǎng)廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域乘客信息系統(tǒng)（PIS）、無線上網(wǎng)等高速率的應(yīng)用系統(tǒng)中［5-7］。

雖然TD-LTE 技術(shù)和WLAN 技術(shù)均能滿足車地互聯(lián)信息無線傳輸承載需求，但TD-LTE 較WLAN 技術(shù)有頻譜利用率高、數(shù)據(jù)傳輸時延小、移動性能優(yōu)異、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)勢，理論上更適用于需要連續(xù)覆蓋、QoS 保障要求高的業(yè)務(wù)；WLAN 技術(shù)的優(yōu)勢在于頻率資源充足、數(shù)據(jù)傳輸速率高［8-9］。具體采用何種技術(shù)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程的車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)承載方案統(tǒng)籌考慮確定。

軌道交通車地?zé)o線通信傳輸承載的業(yè)務(wù)主要有CBTC 業(yè)務(wù)、PIS 業(yè)務(wù)和車載視頻監(jiān)控（CCTV）業(yè)務(wù)。近幾年，國內(nèi)軌道交通建設(shè)TD-LTE 技術(shù)多應(yīng)用于信號系統(tǒng)CBTC 業(yè)務(wù)承載，因CBTC 的安全等級要求高，不能與其他業(yè)務(wù)共網(wǎng)承載；同時由于TD-LTE 頻率資源有限，最大20 MHz，一般為10 M～15 MHz，其他系統(tǒng)再建設(shè)TD-LTE 網(wǎng)便不具備頻率資源。因此，PIS、CCTV 等業(yè)務(wù)多采用WLAN 技術(shù)進(jìn)行綜合承載。由于WLAN 頻率資源相對充足，且列車運(yùn)行狀態(tài)及故障信息屬維護(hù)、維修類信息，安全等級低于CBTC，將車地互聯(lián)信息傳輸業(yè)務(wù)納入到PIS、CCTV 業(yè)務(wù)的車地通信綜合承載中更具有實(shí)施性。

若TD-LTE 頻率資源足夠（15 M～20 MHz），PIS、CCTV 與CBTC 業(yè)務(wù)采用TD-LTE 共網(wǎng)承載，則車地互聯(lián)信息傳輸業(yè)務(wù)同樣可以納入TD-LTE 共網(wǎng)承載。

2.2 傳輸架構(gòu)搭建

車地互聯(lián)信息傳輸架構(gòu)由車輛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、PIS、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）共同組成，該架構(gòu)充分利用這些系統(tǒng)已具備的車地通信、系統(tǒng)集成互聯(lián)、中央級信息處理等功能，并通過相互接口進(jìn)行搭建。

2.2.1 車地互聯(lián)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)及接口

車地互聯(lián)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)見圖1。

PIS 系統(tǒng)的車地通信承載列車信息由車傳輸?shù)降氐臉I(yè)務(wù)，車輛管理系統(tǒng)（TMS）通過數(shù)據(jù)接口將列車信息發(fā)送給PIS 車載接口服務(wù)器，列車信息經(jīng)PIS 車地通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心的PIS 系統(tǒng)中央服務(wù)器?？刂浦行牡腜IS 系統(tǒng)中央服務(wù)器將承載的列車信息通過數(shù)據(jù)接口傳輸至綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）中央服務(wù)器。綜合監(jiān)控系統(tǒng)作為全線機(jī)電系統(tǒng)的集成+互聯(lián)系統(tǒng)，收集到列車信息后，承擔(dān)分發(fā)列車信息至各地車輛維修終端的業(yè)務(wù)［10］。各地車輛維修終端包括控制中心OCC 總調(diào)度臺的車輛維修終端、消防控制室的車輛維修終端、車輛段/停車場DCC 的車輛維修終端和車輛工區(qū)的車輛維修終端。發(fā)送至車輛段/停車場車輛維修終端的信息需由綜合監(jiān)控系統(tǒng)中央服務(wù)器通過通信傳輸系統(tǒng)分別傳輸至車輛段和停車場綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，再通過數(shù)據(jù)接口分發(fā)到車輛維修終端。

2.2.2 車輛維修終端的配置

所有列車運(yùn)行狀態(tài)及故障信息最終是在車輛維修終端上統(tǒng)計、分析和處理。因此列車信息由車傳輸至地后，應(yīng)根據(jù)信息使用需求分別傳輸至控制中心OCC、段場調(diào)度DCC、車輛維修工區(qū)等地，其中列車火災(zāi)報警信息還應(yīng)傳輸至消防控制室。車輛系統(tǒng)應(yīng)在上述各地相應(yīng)設(shè)置維修終端以及配套的應(yīng)用軟件，用于車輛狀態(tài)信息的接收、顯示、報警，以及故障分析和統(tǒng)計等。

圖1 車地互聯(lián)信息傳輸架構(gòu)

車輛系統(tǒng)在控制中心OCC 總調(diào)度臺設(shè)置2 套維修終端，在硬件和軟件上具有相同的配置，功能互為備用；在車輛段和停車場的調(diào)度DCC 各設(shè)置1 套維修終端；在車輛段車輛維修工區(qū)設(shè)置2 套維修終端，在硬件和軟件上具有相同的配置，功能互為備用；在車輛段消防控制室設(shè)置1 套維修終端；在控制中心消防控制室設(shè)置1 套維修終端。

3 實(shí)際應(yīng)用

本文結(jié)合常規(guī)有人駕駛線路車輛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）已有的功能和配置，通過相互間的接口連接和信息傳輸，在不增加較大投資的情況下，提出實(shí)現(xiàn)車地信息互聯(lián)功能的技術(shù)方案。目前該方案已在佛山市軌道交通2 號線、3 號線工程中實(shí)施。佛山市軌道交通車地?zé)o線通信LTE 專用頻段批復(fù)情況為地下13 MHz、地面8 MHz，并已明確TD-LTE 技術(shù)應(yīng)用于信號系統(tǒng)CBTC 業(yè)務(wù)承載，CBTC 采用A、B雙網(wǎng)設(shè)計，地下為10 MHz（A 網(wǎng)）+3 MHz（B 網(wǎng)），地面為5 MHz（A 網(wǎng)） +3 MHz（B 網(wǎng)）；PIS 和CCTV 業(yè)務(wù)采用5.8 GHz 頻段的WLAN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線通信綜合承載，車地互聯(lián)信息傳輸業(yè)務(wù)納入該綜合承載網(wǎng)；車地互聯(lián)信息傳輸架構(gòu)方案與本文描述方案完全一致。

4 結(jié)論

本文提出的列車運(yùn)行狀態(tài)及故障信息傳輸方案，能夠使地面控制中心的維修調(diào)度人員和車輛維修工區(qū)的維修人員實(shí)時監(jiān)視列車各類運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)信息和故障信息，便于地面維修調(diào)度根據(jù)列車信息及時結(jié)合運(yùn)營調(diào)度進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和相關(guān)列車運(yùn)行調(diào)度指揮，提高調(diào)度管理水平；同時便于維修人員進(jìn)行列車信息的下載、收集、智能統(tǒng)計和分析，提高維修效率和管理水平［2］。