車載綜合監(jiān)控及車地?zé)o線通信技術(shù)方案研究

查道林 楊軍華

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 202107）

0 引言

隨著城市軌道交通無人駕駛技術(shù)日漸成熟，軌道交通增加了對(duì)行車安全和乘客安全的關(guān)注，對(duì)無人駕駛線路的保障提出了更高的要求。在列車實(shí)現(xiàn)無人值守的目標(biāo)后，要求調(diào)度人員更加精準(zhǔn)化地管理全線列車和乘客，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)下的列車進(jìn)行管控巡視，在應(yīng)急情況下可以進(jìn)行防災(zāi)救援，要求信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)協(xié)同完成列車全場(chǎng)景自動(dòng)運(yùn)行。隨著無線技術(shù)的成熟、更新和發(fā)展，對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行下的列車管控提供了更加可靠的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)。

1 車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)需求

車載綜合監(jiān)控作為軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，它承擔(dān)著行車安全監(jiān)控、列車設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、乘客安全監(jiān)控和乘客服務(wù)的職責(zé)。行車安全監(jiān)控要求車載綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控列車行駛功能，配合信號(hào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)列車在不同運(yùn)行模式下的行車指標(biāo)，為行車調(diào)度提供有效監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。列車設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控要求綜合監(jiān)控系統(tǒng)具備監(jiān)控列車各子系統(tǒng)設(shè)備的功能，從而保證列車子系統(tǒng)的健康運(yùn)行。乘客安全監(jiān)控要求具備實(shí)時(shí)監(jiān)控列車車廂乘客、在突發(fā)情況下的安全管理功能，以保障乘客的乘車安全。乘客服務(wù)職責(zé)要求綜合監(jiān)控實(shí)現(xiàn)乘車導(dǎo)乘和信息發(fā)布的功能，從而為乘客提供相關(guān)服務(wù)。

基于現(xiàn)行UTO無人駕駛要求，控制中心調(diào)度人員須全線管控所有列車，通過信號(hào)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及屏蔽門等系統(tǒng)的場(chǎng)景配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。通過集成系統(tǒng)的分析和聯(lián)動(dòng)來降低列車管控的復(fù)雜性，并提升調(diào)度人員的管控效率和管控質(zhì)量。同時(shí)，還要求車載綜合監(jiān)控具備列車TCMS系統(tǒng)、車載PIS系統(tǒng)的集成功能。

2 車載綜合監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式

基于全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行和建設(shè)要求，車載綜合監(jiān)控基于信號(hào)系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)和車載PIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。集成信號(hào)系統(tǒng)和TCMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視列車運(yùn)行、列車設(shè)備的功能，集成車載PIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保障乘客安全以及提供乘客服務(wù)的功能。TCMS系統(tǒng)及車載PIS系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，TCMS系統(tǒng)承載列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和列車設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，車載PIS系統(tǒng)承載列車實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和乘車導(dǎo)向，TCMS系統(tǒng)及車載PIS系統(tǒng)通過列車無線系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至控制中心，信號(hào)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)有線將行車數(shù)據(jù)傳至綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載與信號(hào)數(shù)據(jù)的融合。車載綜合監(jiān)控接口如圖1所示。

圖1 車載綜合監(jiān)控接口圖

3 車地?zé)o線通信技術(shù)

3.1 LTE技術(shù)

長(zhǎng)期演進(jìn)LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的UMTS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，按照制式分為頻分雙工LTE系統(tǒng)（FDD-LTE）和時(shí)分雙工LTE系統(tǒng)（TDD-LTE）。

FDD是在分離的對(duì)稱頻率的信道上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，用保護(hù)頻段分離接收和發(fā)送信道。因此FDD制式必須采用成對(duì)的頻率，根據(jù)頻率區(qū)分上、下行鏈路。對(duì)稱業(yè)務(wù)能充分利用上、下行頻譜，非對(duì)稱業(yè)務(wù)使用該鏈路就會(huì)大大降低頻譜利用率。

TDD是以時(shí)間分離接收和發(fā)送信道，接收和發(fā)送使用同一頻率載波的不同時(shí)隙作為信道承載，單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在2個(gè)方向上進(jìn)行分配?；竞鸵苿?dòng)臺(tái)之間在某個(gè)時(shí)間段必須協(xié)同一致才能順利工作。上、下行數(shù)據(jù)在同一時(shí)間段內(nèi)不需要一起傳輸，可以根據(jù)上、下行的數(shù)據(jù)大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，可以提高信道的利用率。

中國城市軌道交通發(fā)布采用TDD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的LTE-M規(guī)范正式定義了地鐵行業(yè)應(yīng)用的LTE無線標(biāo)準(zhǔn)。并采用專用的1.8 GHz作為專用頻段進(jìn)行車地?zé)o線通信，與運(yùn)營(yíng)商4G、5G頻段間隔較遠(yuǎn)，受干擾風(fēng)險(xiǎn)小。最大帶寬20 M，除去頻率隔離帶可用帶寬為15 M 或 10 M， LTE-M采用正交頻分多址調(diào)制能夠較好地應(yīng)對(duì)多徑干擾。

LTE-M無線通信系統(tǒng)由EPC、eNodeB和TAU組成。EPC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分離和網(wǎng)絡(luò)交換功能，通過各業(yè)務(wù)的IP劃分實(shí)現(xiàn)獨(dú)立。eNodeB由室內(nèi)基帶處理單元（BBU）和射頻拉遠(yuǎn)模塊（RRU）組成，RRU實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的覆蓋。TAU位于列車上，實(shí)現(xiàn)車地?zé)o線通信。某城市15號(hào)線使用LTE-M標(biāo)準(zhǔn)的具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 LTE-M系統(tǒng)架構(gòu)圖

某城市軌道交通15號(hào)線LTE-M系統(tǒng)綜合承載業(yè)務(wù)占用10 Mbit/s。用于承載CCTV、PIS以及CBTC業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3.2 WLAN技術(shù)

WLAN技術(shù)遵循由IEEE（電子和電氣工程師協(xié)會(huì)）定義的802.11協(xié)議簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)絡(luò)，IEEE先后發(fā)布了802.11b、802.11a、802.11g、802.11n和802.11ac等標(biāo)準(zhǔn)。按照其常用頻段可分為2.4 GHz和5.1 GHz，帶寬分為20 MHz 和 40 MHz，峰值速率達(dá)到150 Mbit/s。

IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)采用補(bǔ)償編碼鍵控（CCK）調(diào)制方式，規(guī)定工作頻段為2.4000 GHz~2.4835 GHz，傳輸速率達(dá)到11Mbit/s，傳輸距離為15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11b的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)，采用正交頻分（OFDM）的擴(kuò)頻技術(shù)，采用QFSK調(diào)制方式，規(guī)定工作頻段為5.1500 GHz~5.8250 GHz，傳輸速率達(dá)到54 Mbit/s，傳輸距離范圍為10 m~100 m。IEEE 802.11g采用OFDM和CCK調(diào)制方式，做到802.11a和802.11b兼容，工作頻段為2.4000 GHz~2.4835 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到54 Mbit/s，傳輸距離為15.24 m~45.72 m。IEEE 802.11n采用OFDM、MIMO以及聚合幀等技術(shù)，采用2.4 GHz 和 5.0 GHz雙頻帶，兼容802.11a/b/g，傳輸速率達(dá)到150 Mbit/s~600 Mbit/s。IEEE 802.11ac是802.11n的繼任，沿用MIMO（多進(jìn)多出）技術(shù)，工作頻寬達(dá)到80 MHz （甚至 160 MHz），工作頻段為5.8 GHz，傳輸速率有望達(dá)到1 Gbit/s，用于中短距離無線通信。

在城市軌道交通中，WLAN無線系統(tǒng)承擔(dān)地鐵系統(tǒng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)、管理業(yè)務(wù)和公眾服務(wù)業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)覆蓋范圍廣。其主要由軌旁無線AP、車載AP、車站交換機(jī)以及AC漫游等設(shè)備構(gòu)成。與車載AP通過AC漫游設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車在行駛過程中接口網(wǎng)絡(luò)不間斷連接，軌旁AP與車站環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)落地控制中心。以某城市15號(hào)線為例，WLAN系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

圖3 WLAN系統(tǒng)架構(gòu)圖

某城市軌道交通15號(hào)線WLAN系統(tǒng)由生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(MMIS-O)、公眾業(yè)務(wù)系統(tǒng)（MMIS-P）以及管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)組成。生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)即MMIS-O系統(tǒng)為地鐵車載系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)提供無線網(wǎng)絡(luò)支持，列車生產(chǎn)業(yè)務(wù)車載橋接AP分布于車頭、車尾，分別與車載綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)形成業(yè)務(wù)接口；生產(chǎn)業(yè)務(wù)車載橋接AP與車地橋接區(qū)正線軌旁AP無線連接，通過車站環(huán)網(wǎng)接入交換機(jī)落地COCC控制中心，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度功能。公眾業(yè)務(wù)系統(tǒng)（MMIS-P系統(tǒng)）為乘客服務(wù)提供無線網(wǎng)絡(luò)支持，每節(jié)車廂的服務(wù)AP通過與交換機(jī)鏈?zhǔn)竭B接，車頭車尾公眾業(yè)務(wù)車載橋接AP與正線軌旁AP連接通過車站接入交換機(jī)完成外網(wǎng)業(yè)務(wù)連接。管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為地鐵系統(tǒng)的管理提供無線網(wǎng)絡(luò)的支持，車站管理區(qū)AP及車輛段AP線路匯聚交換機(jī)匯聚構(gòu)成線路管理網(wǎng)。

在軌道交通中，WLAN可承載的業(yè)務(wù)包括PIS業(yè)務(wù)、CBTC業(yè)務(wù)以及視頻業(yè)務(wù)等，在各地軌道交通系統(tǒng)中均有不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.3 TETRA技術(shù)

TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）制定的數(shù)字集群移動(dòng)無線通信標(biāo)準(zhǔn)，適用于組建數(shù)字集群專業(yè)網(wǎng)（PMR）和共用網(wǎng)（PAMR）。采用時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)可支持多用戶，大大增加了容量。使用/4-DQPSK調(diào)制技術(shù)達(dá)到36Kbit/s的調(diào)制速率，執(zhí)行ACELP編碼，運(yùn)行速率可達(dá)4.8bit/s。采用4：1D的TDMA時(shí)分多址技術(shù)，單載頻25 kHz帶寬，1個(gè)載頻帶4個(gè)信道，頻率利用率高。TETRA數(shù)字集群系統(tǒng)可工作于380MHz~400MHz、410 MHz~430 MHz、450 MHz~470 MHz、806 MHz~821 MHz （上行）/851 MHz~866 MHz（下行）以及870 MHz~876 MHz （上行）/915 MHz~921 MHz（下行）。

TETRA的設(shè)備可以組成最簡(jiǎn)單網(wǎng)，給定功能性和必要的接口，可以組成一個(gè)完整的單站系統(tǒng)。單交換中心多基站系統(tǒng)由交換機(jī)、多個(gè)基站、移動(dòng)臺(tái)以及調(diào)度臺(tái)組成。TETERA系統(tǒng)內(nèi)部接口具有基于電路交換、基于幀中繼以及基于IP三種方式。其中，基于IP的TETRA系統(tǒng)配置靈活，可以從小網(wǎng)絡(luò)逐步擴(kuò)容為大網(wǎng)絡(luò)，其相關(guān)網(wǎng)關(guān)、調(diào)度臺(tái)可配置在網(wǎng)絡(luò)中的任何位置。

TETRA技術(shù)在軌道交通系統(tǒng)中多用于語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。支持單呼、組呼以及固定呼叫的語音業(yè)務(wù)。支持短數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，包括文本消息、遙測(cè)遙控以及出入庫自檢等多種業(yè)務(wù)，支持信息最多1 120 bit，控制信道下的操作時(shí)間為1s~2s。

4 車載無線通信架構(gòu)

4.1 列車TCMS系統(tǒng)無線架構(gòu)

TCMS系統(tǒng)全名為列車控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其通過MVB總線將列車各子單元、子系統(tǒng)連接起來。各子單元通過MVB總線分配的端口及地址實(shí)現(xiàn)單元間的數(shù)據(jù)透?jìng)鹘换?，達(dá)到列車系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)配合的目的，實(shí)現(xiàn)列車安全、高效運(yùn)行的目標(biāo)。

UTO模式下的列車運(yùn)行將列車數(shù)據(jù)上傳至控制中心，須通過無線技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至控制中心，以實(shí)現(xiàn)調(diào)度統(tǒng)一管控?；谶@一要求需要滿足數(shù)據(jù)的高容量、高可靠、高實(shí)時(shí)以及高度穩(wěn)定的要求，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞郊盁o線技術(shù)提出了更高的要求。

某城市軌道15號(hào)線采用LTE系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)TCMS數(shù)據(jù)上傳至控制中心，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 TCMS系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

無線A網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)、綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)及集群業(yè)務(wù)，無線B網(wǎng)承載CBTC業(yè)務(wù)及集群業(yè)務(wù)。基于LTE-M無線通信技術(shù)特性，其承載的業(yè)務(wù)具備穩(wěn)定、冗余特性。在列車車頭、車尾各設(shè)置1套冗余車載綜合監(jiān)控服務(wù)器及交換機(jī)，通過MVB總線獲取全線列車數(shù)據(jù)。車頭、車尾設(shè)備采用冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)，在正常激活狀態(tài)下，2套車載綜合監(jiān)控僅有1套處于主用狀態(tài)，當(dāng)主用設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，備用側(cè)升級(jí)為主用獲取權(quán)限。TAU與RRU采用無線通信GRE VPN隧道技術(shù)保障無線數(shù)據(jù)可以安全、穩(wěn)定地傳輸， 數(shù)據(jù)通過A網(wǎng)信號(hào)骨干環(huán)網(wǎng)回傳至控制中心，通過三層路由實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隔離。LTE-M無線通信系統(tǒng)分布在全隧道的漏纜保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在鏈路冗余上，由于綜合監(jiān)控業(yè)務(wù)通過A網(wǎng)無線傳輸至控制中心，因此無線通道只在單鏈路進(jìn)行傳輸，不具備冗余無線通道功能。

4.2 列車CCTV系統(tǒng)無線架構(gòu)

列車視頻設(shè)備分布在列車車輛各處，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)交互，視頻設(shè)備通過靜態(tài)IP分布在列車PIS內(nèi)網(wǎng)。綜合監(jiān)控設(shè)備通過物理以太網(wǎng)接口與車載PIS環(huán)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。車載視頻數(shù)據(jù)上傳至控制中心，通過車載交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)隔離實(shí)現(xiàn)各列車PIS環(huán)網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行。

列車視頻監(jiān)視采用LTE-M無線通道和WLAN無線通道實(shí)現(xiàn)應(yīng)急視頻監(jiān)視和普通視頻監(jiān)視的功能?；贚TE-M無線通信和WLAN無線通信的傳輸帶寬要求，WLAN可車載較大數(shù)據(jù)流量，相對(duì)LTE-M系統(tǒng)來說，其抗干擾性較差，采用該LTE-M作為緊急視頻傳輸，采用混合方案可以有效地滿足正常運(yùn)營(yíng)下的場(chǎng)景需求和應(yīng)急場(chǎng)景下的需求，架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 無線視頻傳輸架構(gòu)圖

4.3 列車PIS系統(tǒng)無線架構(gòu)

列車PIS系統(tǒng)為乘客信息發(fā)布提供重要導(dǎo)向功能，包括PIS顯示設(shè)備和語音播報(bào)設(shè)備。PIS設(shè)備控制由列車PIS服務(wù)器實(shí)現(xiàn)控制和信息發(fā)布功能。綜合監(jiān)控與列車PIS系統(tǒng)的信息發(fā)布主要實(shí)現(xiàn)乘客緊急信息發(fā)布和列車廣告信息直播的功能。乘客緊急信息發(fā)布為應(yīng)急場(chǎng)景下的導(dǎo)向作用（由LTE-M無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)）。采用高帶寬WALN無線網(wǎng)絡(luò)來直播列車廣告信息。

乘客緊急信息發(fā)布實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 車載PIS緊急文本架構(gòu)圖

列車PIS服務(wù)器通過列車PIS環(huán)網(wǎng)與車載綜合監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，車載綜合監(jiān)控交換機(jī)通過LTE-M通道與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過車載綜合監(jiān)控交換機(jī)使LTE-M外網(wǎng)與列車PIS環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離。

列車廣告信息直播架構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 車載PIS廣告直播架構(gòu)圖

列車廣告投放由控制中心PIS廣告源與列車PIS完成數(shù)據(jù)交互，采用通道為綜合監(jiān)控車載網(wǎng)絡(luò)通道和WLAN網(wǎng)絡(luò)通道。列車PIS服務(wù)器通過WLAN通道與控制中心PIS廣告進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)廣告業(yè)務(wù)發(fā)布。

5 結(jié)語

3種無線通信系統(tǒng)的不同技術(shù)參數(shù)使用不同場(chǎng)景來滿足城市軌道交通的業(yè)務(wù)需求，在城市軌道交通的不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求的要求下對(duì)3種無線通信技術(shù)進(jìn)行最優(yōu)匹配，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛列車的運(yùn)行監(jiān)控和乘客服務(wù)，采用較為穩(wěn)定的LTE-M技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視全自動(dòng)無人駕駛列車運(yùn)行和應(yīng)急場(chǎng)景的功能。采用LTE-M技術(shù)和WLAN技術(shù)混合無線網(wǎng)絡(luò)方案最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)列車視頻監(jiān)視功能，滿足正常運(yùn)行下的視頻監(jiān)視和應(yīng)急場(chǎng)景監(jiān)視的需求。3種車載業(yè)務(wù)的無線方案最大性能滿足了無人駕駛場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求。