信號(hào)CBTC系統(tǒng)不同車地通信制式無縫自動(dòng)切換方法研究

0引言

基于無線通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)是當(dāng)前城軌列控系統(tǒng)的主流控制方式,其采用的車地通信技術(shù)在快速發(fā)展中實(shí)現(xiàn)了不斷演進(jìn)。在軌道交通四網(wǎng)融合發(fā)展的背景下,新建線路與既有線路互聯(lián)互通必將面臨采用不同無線通信制式承載CBTC系統(tǒng)的新場(chǎng)景,如何實(shí)現(xiàn)在不同車地通信制式下信號(hào)系統(tǒng)的無縫切換成為亟待解決的關(guān)鍵問題^[1—2]。

根據(jù)延伸或改造工程建設(shè)需要,國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究和工程實(shí)踐,采用的主要方法包括與既有線路車地通信采用相同制式^[3—4]、全線疊加雙套車地通信設(shè)備、采用兩套車載方案等^[5],但相關(guān)方法工程建設(shè)成本較高,大范圍改造影響正線日常運(yùn)營,因而并未有效解決技術(shù)不斷進(jìn)步過程中出現(xiàn)的新問題。而在變電站、測(cè)控專網(wǎng)等領(lǐng)域通過通信冗余協(xié)議 較好地解決了不同通信制式的兼容問題^[6—7],并獲得了一定的應(yīng)用。

鑒于此,本文首先根據(jù)不同車地通信承載CBTC 信號(hào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景,針對(duì)性分析了當(dāng)前新建線路主用的基于LTE的車地?zé)o線通信和既有線路采用的基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)架構(gòu)的差異,提出了CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換的需求,通過分析可實(shí)現(xiàn)無縫自動(dòng)切換的通信協(xié)議,形成基于無縫冗余協(xié)議的信號(hào)車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法和算法流程,可為工程實(shí)踐提供支撐。

1CBTC系統(tǒng)不同車地通信切換需求分析

1.1 CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)(圖1)以移動(dòng)閉塞來控制在線列車運(yùn)行間隔,通過實(shí)時(shí)測(cè)定的列車位置信息,根據(jù)電子地圖和進(jìn)路條件,考慮線路、車輛、臨時(shí)限速、防護(hù)距離等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算并向列車進(jìn)行移動(dòng)授權(quán),移動(dòng)授權(quán)伴隨列車前行而動(dòng)態(tài)更新,擺脫了由地面信號(hào)按固定物理區(qū)段行車的限制。列車實(shí)時(shí)位置及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸保障的關(guān)鍵即在于車地傳輸通道。車地?zé)o線通信系統(tǒng)主要采用第四代移動(dòng)通信長期演進(jìn)(LTE—M)與無線局域網(wǎng)(WLAN)兩種無線通信技術(shù)。

1.2 基于不同車地制式的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1基于WLAN的CBTC架構(gòu)

基于WLAN的車地?zé)o線通信系統(tǒng)(圖2)工作頻段為2.4 GHz頻段,開放性良好,雙向傳輸數(shù)據(jù)量大,密度高。通過在軌道交通線路旁布設(shè)無線熱點(diǎn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,主要的通信介質(zhì)包括波導(dǎo)管、漏纜等,車載設(shè)備由車載天線和對(duì)應(yīng)的通信單元組成,采用雙套冗余網(wǎng)絡(luò)來提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和可靠性。

1.2.2基于LTE—M的CBTC架構(gòu)

基于LTE—M的車地?zé)o線通信系統(tǒng)(圖3)通常工作在1.8GHz頻段,具有大容量、低延遲、覆蓋強(qiáng)、高 速移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)[8],且相比于WLAN具有更好的抗干擾性,成為近年來主要的通信制式。該系統(tǒng)由核心網(wǎng)、基站系統(tǒng)和車載設(shè)備等組成,基站系統(tǒng)由基帶單元(BBU)和射頻單元(RRU)組成。

1.3自動(dòng)切換需求分析

當(dāng)前國內(nèi)各擁有軌道交通的城市,在建線網(wǎng)已逐步成型,面臨既有線路延伸或新建線路接入貫通的需求,新建線路采用多年前方案或?qū)崿F(xiàn)既有線路的無線改造均存在較大不合理性,WLAN和LTE—M在同一場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)兼容或切換是其中的關(guān)鍵技術(shù)問題。實(shí)現(xiàn)列車在LTE—M與WLAN之間無縫切換需要滿足以下需求:

1)低時(shí)延性。車地?zé)o線通信切換應(yīng)滿足信號(hào)系統(tǒng)信息傳輸端到端延遲時(shí)間不大于150 ms的要求,同時(shí)滿足LTE—M和WLAN網(wǎng)絡(luò)自身越區(qū)切換的技術(shù)時(shí)效性指標(biāo)。

2)高可靠性。數(shù)據(jù)丟包率不大于1%,越區(qū)切換成功率不應(yīng)小于99.92%。

3)操作簡單易維護(hù)。設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單,能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無縫切換過程,不影響和改變既有系統(tǒng)的穩(wěn)定性,不增加系統(tǒng)故障點(diǎn)和維修成本。

2基于無縫冗余協(xié)議的雙路CBTC系統(tǒng)切換方法

2.1 通信無縫冗余協(xié)議

通信領(lǐng)域較早實(shí)現(xiàn)了無縫冗余的通信功能協(xié)議,其主要應(yīng)用于通信鏈路連接故障時(shí),不需要進(jìn)行新的通信配置,即可實(shí)現(xiàn)通信。國際電工委員會(huì)2016年發(fā)布的IEC 62439—3中并行冗余(PRP)協(xié)議和高可用性無縫冗余(HSR)協(xié)議均可實(shí)現(xiàn)無縫冗余。

PRP通過在數(shù)據(jù)鏈路層中組成終端設(shè)備的冗余節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中鏈路發(fā)生變化情況下數(shù)據(jù)的安全、正常通信過程,可以在不中斷、無延時(shí)狀態(tài)下完成無線通信切換過程。該協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層,對(duì)上層透明,適用性強(qiáng),其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

基于PRP的局域網(wǎng)采用線性并行運(yùn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),收發(fā)設(shè)備通過節(jié)點(diǎn)鏈DANP實(shí)現(xiàn)冗余。其中DANP 節(jié)點(diǎn)鏈將從上層接收到的經(jīng)過編碼的通信數(shù)據(jù)幀分別下發(fā)向兩個(gè)端口,數(shù)據(jù)幀經(jīng)過兩個(gè)互相獨(dú)立的鏈路后傳送給接收端,接收的節(jié)點(diǎn)鏈將先接收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)處理解譯后發(fā)給上層協(xié)議,同時(shí)棄用后續(xù)收到的另一路數(shù)據(jù)幀,從而實(shí)現(xiàn)傳輸通道的無縫冗余管理過程。

HSR協(xié)議冗余環(huán)網(wǎng)可以看作是將PRP從不同的方向連接后建立起了一個(gè)環(huán)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖5所示。HSR協(xié)議的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)鏈DANH進(jìn)行環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸,通過雙向的節(jié)點(diǎn)鏈環(huán)路實(shí)現(xiàn)冗余。而 DANH與DANP在數(shù)據(jù)處理的流程上相似,均可通過多路廣播和虛擬的局域網(wǎng)技術(shù)來保證傳輸質(zhì)量。

經(jīng)對(duì)比,信號(hào)CBTC系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同車地通信網(wǎng)絡(luò)間切換場(chǎng)景過程及無線通道傳輸特性更契合PRP網(wǎng)絡(luò)特征,且組網(wǎng)架構(gòu)更簡單,在同等場(chǎng)景下有助于減少組網(wǎng)過程節(jié)點(diǎn),減少系統(tǒng)故障點(diǎn)。

2.2雙路CBTC系統(tǒng)場(chǎng)景下車地?zé)o縫冗余組網(wǎng)方法

根據(jù)CBTC信號(hào)系統(tǒng)的典型特征和組網(wǎng)方式,結(jié)合PRP協(xié)議的結(jié)構(gòu)特性,為解決雙路不同車地通信制式場(chǎng)景下的車地?zé)o線通信傳輸問題,在原組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中通過PRP節(jié)點(diǎn)設(shè)備承擔(dān)原有系統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)鏈路層的通信過程,對(duì)上層協(xié)議透明,不會(huì)改變已成熟的信號(hào)系統(tǒng)車地通信冗余通道的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雙路車地通信冗余組網(wǎng)方案如圖6所示。

在綜合考慮組網(wǎng)成本和組網(wǎng)可靠性的場(chǎng)景下,可嘗試使用該組網(wǎng)方案。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以看出,在原車地傳輸通道的基礎(chǔ)上,該組網(wǎng)方案通過將需要傳遞的數(shù)據(jù)報(bào)文經(jīng)軌旁路由分別轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的冗余網(wǎng)PRP設(shè)備,由PRP設(shè)備做協(xié)議封裝后分別發(fā)送給LTE和 WLAN無線傳輸系統(tǒng)通道,LTE和WLAN無線設(shè)備的發(fā)送及接收設(shè)備按照互相獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸方式完成車地?cái)?shù)據(jù)的傳遞。列車車載設(shè)備收到數(shù)據(jù)后經(jīng)PRP設(shè)備按照先到先取的原則進(jìn)行使用,后到的數(shù)據(jù)則被丟棄。車載向地面軌旁傳遞數(shù)據(jù)與上相同。

3基于無縫冗余協(xié)議的車地通信信息模型

在列車運(yùn)行過程中,車地交互的主要信息流包括列車的定位和移動(dòng)授權(quán)等。一般通過軌旁信號(hào)應(yīng)答器提供線路的參數(shù)數(shù)據(jù),結(jié)合列車所裝備的設(shè)備融合速度傳感器及雷達(dá)測(cè)速模塊數(shù)據(jù)累加計(jì)算共同得到列車的定位信息。同時(shí),結(jié)合前行列車與地面的數(shù)據(jù)交互來確定前車的實(shí)際位置,并判斷列車前方的安全空閑區(qū)段。經(jīng)過計(jì)算后,由列車車載設(shè)備(VOBC)向信號(hào)軌旁的區(qū)域控制器(ZC)發(fā)送列車的位置數(shù)據(jù)信息,ZC綜合計(jì)算前方列車進(jìn)路、前車位置以及其他障礙物等信息得出移動(dòng)授權(quán),并通過車地?zé)o線通信向車載設(shè)備(VOBC)傳達(dá)移動(dòng)授權(quán)信息。

根據(jù)以上過程,形成基于無縫冗余協(xié)議的車地通信數(shù)據(jù)算法流程如圖7所示。

以車地通道下傳CBTC移動(dòng)授權(quán)數(shù)據(jù)過程為例,其主要流程包括:

1)軌旁區(qū)域控制器向列車下達(dá)移動(dòng)授權(quán)數(shù)據(jù)至帶有PRP協(xié)議的路由設(shè)備,路由設(shè)備編碼形成PRP數(shù)據(jù)報(bào)文。

2)軌旁PRP設(shè)備復(fù)制數(shù)據(jù)報(bào)文,并將數(shù)據(jù)報(bào)文分別通過WLAN和LTE鏈路進(jìn)行同步發(fā)送。

3)車載WLAN和LTE鏈路接收天線分別接收數(shù)據(jù)報(bào)文,通過兩條鏈路送至車載PRP設(shè)備。

4)通過車載PRP監(jiān)視機(jī)制判斷該報(bào)文是否已接收。未接收,則接收該報(bào)文并更新節(jié)點(diǎn)鏈;已接收,則轉(zhuǎn)移該報(bào)文至中轉(zhuǎn)棧并在下個(gè)循環(huán)前丟棄。

5)監(jiān)測(cè)并判斷網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)有故障,則故障報(bào)警,并請(qǐng)求再發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文;網(wǎng)絡(luò)無故障則去除封裝協(xié)議,發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)上層協(xié)議至設(shè)備終端處置。

4 工程驗(yàn)證

本文主要技術(shù)方案在無錫至江陰城際軌道交通 工程項(xiàng)目進(jìn)行了性能測(cè)試及工程驗(yàn)證。無錫至江陰城際軌道交通工程項(xiàng)目與既有無錫地鐵1號(hào)線工程貫通運(yùn)營,其中新建段多為120 km/h高架區(qū)段,車地?zé)o線通信鏈路選用1.8 GHz頻段的LTE—M車地通信制式,既有無錫地鐵1號(hào)線多為80 km/h線路,原采用 2.4 GHz頻段的WLAN車地通信制式。為滿足貫通運(yùn)營需求,需實(shí)現(xiàn)在接軌區(qū)段的無線無縫切換過程。

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和試驗(yàn)線測(cè)試后,在無錫至江陰城際軌道交通工程馬鎮(zhèn)站進(jìn)行了系統(tǒng)性能測(cè)試和驗(yàn)證。如圖8所示,經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證, 采用該方案的車地通信數(shù)據(jù)丟包率小于1%,端到端傳輸平均延遲時(shí)間小于30 ms,滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,可以實(shí)現(xiàn)WLAN與LTE車地通道無縫切換,保證通道上承載的CBTC信息安全、可靠傳輸。

5結(jié)論

針對(duì)既有線路延伸或新建線路接入線網(wǎng)車地通信不同的場(chǎng)景,通過基于無縫冗余協(xié)議的組網(wǎng)方法及設(shè)備,結(jié)合雙鏈路冗余數(shù)據(jù)算法流程,能較為有效地實(shí)現(xiàn)承載信號(hào)CBTC系統(tǒng)的不同車地通信數(shù)據(jù)無縫切換,且具有較好的通信服務(wù)質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。無縫冗余通信協(xié)議工作于數(shù)據(jù)鏈路層,適用性不限于WLAN與LTE的通信制式,后續(xù)可進(jìn)一步開展5G公專網(wǎng)應(yīng)用承載場(chǎng)景下的工程驗(yàn)證,為四網(wǎng)融合背景下完善車地通信系統(tǒng)技術(shù)提供支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉烈鋒,陸帥,姜玲超.市域鐵路與已建地鐵貫通運(yùn)營技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2022,39(8):93—97.

[2] 呂文龍,韓臻,麻吉泉.軌道交通“三網(wǎng)融合”跨線運(yùn)行的方案分析[J]. 自動(dòng)化儀表,2022,43(7):61—66.

[3] 羅建強(qiáng).地鐵延伸線信號(hào)CBTC系統(tǒng)無縫接入運(yùn)營線路解決方案[J].鐵道通信信號(hào),2015,51(3):82—85.

[4] 陳曉偉.機(jī)場(chǎng)線與西安地鐵14號(hào)線互聯(lián)互通的研究[J].鐵道運(yùn)營技術(shù),2019,25(2):9—10.

[5] 王衛(wèi)權(quán),李義丹,施莉娟,等.CBTC與CTCS—2系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)方案研究[J].城市軌道交通研究,2023,26 (12):266—270.

[6]許丹莉,文繼鋒,付艷蘭,等.基于無縫冗余協(xié)議的智能變電站通信組網(wǎng)方式[J].廣東電力,2017,30(12):75—80.

[7]邢銳鋒,唐建.PRP協(xié)議在實(shí)時(shí)測(cè)控專網(wǎng)中的初步應(yīng)用[J].兵工自動(dòng)化,2023,42(2):27—31.

[8]顧蔡君.LTE技術(shù)在城市軌道交通車地通信中的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù),2018,15(3):51—56.

2024年第11期第3篇