全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)研究
——以軌道交通工程為例

鄧懷安

（中鐵通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100036）

1 軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)構(gòu)成

列車實(shí)時(shí)狀態(tài)、車載實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)以及集群調(diào)度、列控信息是軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)的主要業(yè)務(wù)構(gòu)成。傳統(tǒng)階段的通信系統(tǒng)技術(shù)作用于軌道交通工程時(shí)，由于技術(shù)有限，大部分均需連接獨(dú)立存在的多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)作支撐。例如，我國(guó)首條軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路，就是根據(jù)自身研究并且借鑒國(guó)外技術(shù)，通過(guò)互相協(xié)作的多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)支撐起了車地通信。其中：

1）關(guān)于列控信息：此條線路選用WLAN（頻段2.4 GHz）網(wǎng)絡(luò)予以信號(hào)系統(tǒng)支撐，由此完成車地通信中的列控信息業(yè)務(wù)。

2）關(guān)于媒體流及列車實(shí)況（狀態(tài)、監(jiān)視）：選用WLAN（頻段5.8 GHz）予以通信系統(tǒng)支撐，由此完成媒體流及列車實(shí)況（狀態(tài)、監(jiān)視）的檢測(cè)業(yè)務(wù)。

3）關(guān)于PIS文本信息以及語(yǔ)音調(diào)度：選用800 MHz雙中心的TETRA集群網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)分析我國(guó)首條軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路，就可明晰我國(guó)軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)構(gòu)成[1]。

2 軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)

我國(guó)首條軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路開(kāi)通后，經(jīng)過(guò)為期較長(zhǎng)的演練和實(shí)戰(zhàn)，以及對(duì)自動(dòng)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)仍然存在較大進(jìn)步空間。以下主要從制式架構(gòu)、承載業(yè)務(wù)、接口功能等方面的變化和需求進(jìn)行論述。

2.1 制式架構(gòu)

軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的制式架構(gòu)要求可靠性、安全性、可用性以及可維護(hù)性。這些制式架構(gòu)的性能要求是軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路系統(tǒng)穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)、線路安全、維修活動(dòng)的關(guān)鍵判斷指標(biāo)。通常情況下，對(duì)于制式架構(gòu)的性能要求，也可簡(jiǎn)稱為RAMS，屬于建設(shè)軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路的核心依據(jù)。

2.1.1 保證系統(tǒng)的可靠性

應(yīng)保證車地通信系統(tǒng)的可靠性，確保車地通信系統(tǒng)日常產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)不會(huì)受損或丟失。因此，建設(shè)軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路車地通信系統(tǒng)時(shí)，為了備份業(yè)務(wù)，應(yīng)該采用冗余的制式架構(gòu)模式。具體而言，可以采用綜合承載（LTE）和分別承載（WLAN+TETRA）兩種模式。

1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呈扁平化特征的LTE性能更加優(yōu)越、可靠，可以及時(shí)、快速地實(shí)現(xiàn)無(wú)損切換與無(wú)縫切換。

2）LET還可做到隨機(jī)接入（非競(jìng)爭(zhēng)性），可在越區(qū)時(shí)縮小100 ms的切換時(shí)延，保證小于1%的丟包率，單小區(qū)更能達(dá)到1.2 km的覆蓋范圍。

3）LTE模式的制式架構(gòu)所需設(shè)備甚少，對(duì)于建設(shè)軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)，可以有效降低難度、節(jié)約成本，提高整個(gè)系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)的可靠性。

4）相比而言，WLAN+TETRA模式的制式架構(gòu)建設(shè)則需眾多設(shè)備，因而這種模式的網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，極易在越區(qū)切換中受到干擾。因此，LTE模式的制式架構(gòu)由于保障機(jī)制完善、設(shè)備集成度高在實(shí)際應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)[2]。

2.1.2 安全為本

為避免通信系統(tǒng)受到干擾，應(yīng)選用專有頻道作為車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)支撐。

1）車地通信系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)如果采用WLAN制式，則其抗干擾能力弱。這是因?yàn)榇祟愔剖降臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)需在使用過(guò)程中頻繁切換眾多設(shè)備，若切換過(guò)程中恰逢干擾源，就會(huì)威脅車地通信系統(tǒng)的安全，尤其是運(yùn)行速度較高的列車如果采用WLAN制式更會(huì)嚴(yán)重影響所承載的業(yè)務(wù)質(zhì)量。

2）LTE系統(tǒng)運(yùn)用多項(xiàng)算法和手段將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能進(jìn)行優(yōu)化，因而，軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路逐漸采用LTE系統(tǒng)支撐車地通信，可使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境最大程度不受干擾，呈現(xiàn)更高安全系數(shù)。

2.1.3 制式架構(gòu)的可用性

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，LTE和WLAN+TETRA均已日趨成熟，可滿足軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路的基本需求。但隨著軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路的日益精進(jìn)，主以窄帶作為架構(gòu)的車地通信集群調(diào)度已經(jīng)難以滿足逐漸豐富的場(chǎng)景應(yīng)用，軌道交通的調(diào)度人員不僅需在控制中心“聽(tīng)得見(jiàn)”，還需“看得見(jiàn)，看得真，看得清”，因此，如若因循守舊，仍然采用集群調(diào)度勢(shì)，必會(huì)影響控制中心的運(yùn)作能力，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇LTE技術(shù)的制式架構(gòu)。

2.1.4 選擇LTE技術(shù)

為了更好地滿足軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的可維護(hù)性，亦需逐漸摒棄WLAN+TETRA技術(shù)，轉(zhuǎn)而選擇LTE技術(shù)。因前者屬于分別承載模式，設(shè)備密集、系統(tǒng)復(fù)雜、故障點(diǎn)多且實(shí)際運(yùn)行之中的維護(hù)，不僅需要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且也會(huì)基于維護(hù)的困難程度拖延維護(hù)時(shí)間。但后者設(shè)備集中，不僅可以減少維護(hù)次數(shù)，也可在發(fā)生故障時(shí)快速找準(zhǔn)點(diǎn)位。由此可見(jiàn)，關(guān)于軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的制式架構(gòu)，從核心性能對(duì)比而言，都應(yīng)果斷選擇LTE技術(shù)，以此促使車地?zé)o線通信系統(tǒng)更加符合當(dāng)前軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路的實(shí)際需要[3]。

2.2 承載業(yè)務(wù)

軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地通信系統(tǒng)的承載業(yè)務(wù)也在發(fā)生變化，例如，需改善視頻畫(huà)質(zhì)、需同步語(yǔ)音圖像、需要更加清晰明確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。通過(guò)這些變化可以看出，WLAN制式架構(gòu)已無(wú)法全面符合軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路的視頻監(jiān)視標(biāo)準(zhǔn)；TETRA制式架構(gòu)也已無(wú)法全面符合語(yǔ)音調(diào)度標(biāo)準(zhǔn)。因此，無(wú)論是WLAN制式架構(gòu)，還是TETRA制式架構(gòu)，都會(huì)影響全自動(dòng)運(yùn)行線路車地通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。而LTE技術(shù)，無(wú)論是業(yè)務(wù)帶寬，還是接入性能，都可滿足高速列車運(yùn)行狀態(tài)下的車地通信，繼而改善視頻畫(huà)質(zhì)，同步語(yǔ)音圖像，并且能夠提供更加清晰明確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，隨著軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路車地通信系統(tǒng)的變化，需采用LTE制式架構(gòu)進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)承載的全面性。例如，我國(guó)某軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路，在無(wú)線車地通信系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中選用LTE技術(shù)作為支撐，這種轉(zhuǎn)變不僅可以滿足軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路的全新需求，也可基于AB雙網(wǎng)的冗余備份制式架構(gòu)為未來(lái)全自動(dòng)運(yùn)行場(chǎng)景留出帶寬容量。

2.3 接口功能

我國(guó)軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)技術(shù)愈加先進(jìn)，傳統(tǒng)制式架構(gòu)的接口功能已經(jīng)無(wú)法全面滿足當(dāng)前列車的運(yùn)行需求。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)階段列車運(yùn)行需要司機(jī)進(jìn)行嚴(yán)密操作，而目前階段列車運(yùn)行已完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨认冗M(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。與此同時(shí)，列車司機(jī)職能由傳統(tǒng)階段的主體操作轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)控制中心和自動(dòng)化設(shè)備的分擔(dān)。做好控制中心和自動(dòng)化設(shè)備的分擔(dān)工作不僅需要根據(jù)總臺(tái)指示完成調(diào)度，還需要扎實(shí)掌握各種安全預(yù)案，并能準(zhǔn)確、快速地針對(duì)各類緊急狀況做出判斷與響應(yīng)。

隨著我國(guó)首條軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路的正式開(kāi)通、運(yùn)營(yíng)，為了讓車地通信系統(tǒng)更好發(fā)揮功用、保障安全、提升服務(wù)，軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路無(wú)線車地通信系統(tǒng)還在基礎(chǔ)調(diào)度功能之上，依據(jù)列車實(shí)際運(yùn)營(yíng)，特別增加乘客緊急呼叫功能。此項(xiàng)功能（簡(jiǎn)稱IPH）不僅可有效增強(qiáng)軌道交通的服務(wù)能力，同時(shí)可對(duì)乘客緊急呼叫為控制中心傳輸實(shí)時(shí)畫(huà)面，進(jìn)而促使控制中心的調(diào)度人員可以據(jù)此提高緊急故障的防御和處理能力。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)階段的制式架構(gòu)已無(wú)法滿足目前階段的接口功能需求。因TETRA制式架構(gòu)雖然可通過(guò)緊急呼叫幫助控制中心提供實(shí)時(shí)話音內(nèi)容，但傳輸過(guò)程中由于功能有限，極易造成圖像語(yǔ)音不匹配、不同步等偏差問(wèn)題。因此，需使用更為實(shí)際的LTE制式架構(gòu)。這種技術(shù)可通過(guò)帶寬配置的增加有效提高集群調(diào)度指揮性能，進(jìn)而可將乘客的視頻語(yǔ)音采用正面攝像頭同步傳輸至控制中心側(cè)。如此，全自動(dòng)線路調(diào)度人員便可根據(jù)更加全面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效解決故障問(wèn)題，化危險(xiǎn)于無(wú)形。

此外，隨著軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信技術(shù)的進(jìn)一步完善，關(guān)于接口功能的需求變化不僅體現(xiàn)在乘客緊急呼叫方面，還在場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)接口功能方面發(fā)生變化。區(qū)別于普通線路，全自動(dòng)運(yùn)行線路的創(chuàng)新之處在于通過(guò)制式架構(gòu)的轉(zhuǎn)變大幅增加系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)接口功能。具體而言，普通線路需要列車司機(jī)按照運(yùn)行章程依次操作，而全自動(dòng)運(yùn)行線路則可基于系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)接口功能實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)、高效率地全自動(dòng)運(yùn)行。這種技術(shù)突破對(duì)于列車運(yùn)行而言，可起到巨大的安全保障作用，例如，列車運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)需要應(yīng)急的場(chǎng)景，依靠列車司機(jī)依次操作會(huì)拖延應(yīng)急時(shí)效，而聯(lián)動(dòng)接口功能之下的全自動(dòng)運(yùn)行則可自動(dòng)化、智能化地完成應(yīng)急，有效提高應(yīng)急過(guò)程中的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。所以，為進(jìn)一步挖掘全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)有效能，還需為控制中心側(cè)傳遞更加全面的接口聯(lián)動(dòng)功能。

3 軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的實(shí)際演進(jìn)

結(jié)合軌道交通工程全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的RAMS要求，以及對(duì)近些年來(lái)全自動(dòng)運(yùn)行線路的需求變化分析，自我國(guó)首條軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路開(kāi)通、運(yùn)營(yíng)以來(lái)，相關(guān)從業(yè)人員付出不懈努力，將更加實(shí)用的車地?zé)o線通信技術(shù)通過(guò)研究試驗(yàn)運(yùn)用到一條全新的軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路中。此條線路采取LTE技術(shù)作為車地?zé)o線通信系統(tǒng)的主體支撐，應(yīng)用全程，收獲可觀成效，更好地滿足了當(dāng)前全自動(dòng)運(yùn)行線路的諸多要求；相關(guān)技術(shù)人員還通過(guò)進(jìn)一步的研究，在LTE技術(shù)之上展開(kāi)終端嘗試，有效完成分發(fā)、回傳調(diào)度視頻以及接收、派發(fā)運(yùn)營(yíng)工單的功能創(chuàng)新。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)即是依靠系統(tǒng)集成、通信控制以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析等技術(shù)，全過(guò)程完成列車自動(dòng)化運(yùn)行的軌道交通控制系統(tǒng)。目前階段，全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)需求變化主要表現(xiàn)在制式架構(gòu)發(fā)生變化、承載業(yè)務(wù)發(fā)生變化、接口功能發(fā)生變化等方面。根據(jù)這些變化，為有效提高全自動(dòng)運(yùn)行線路車地?zé)o線通信系統(tǒng)的應(yīng)用效能，某條全自動(dòng)運(yùn)行線路根據(jù)需求變化的分析對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)做出實(shí)際演進(jìn)，收效甚佳。