0引言

基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)是當前城軌列控系統(tǒng)的主流控制方式,其采用的車地通信技術(shù)在快速發(fā)展中實現(xiàn)了不斷演進。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)的新場景,如何實現(xiàn)在不同車地通信制式下信號系統(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營,因而并未有效解決技術(shù)不斷進步過程中出現(xiàn)的新問題。而在變電站、測控專網(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 信號系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景,針對性分析了當前新建線路主用的基于LTE的車地無線通信和既有線路采用的基于WLAN的車地無線通信系統(tǒng)架構(gòu)的差異,提出了CBTC系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換的需求,通過分析可實現(xiàn)無縫自動切換的通信協(xié)議,形成基于無縫冗余協(xié)議的信號車地通信系統(tǒng)組網(wǎng)方法和算法流程,可為工程實踐提供支撐。

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)以移動閉塞來控制在線列車運行間隔,通過實時測定的列車位置信息,根據(jù)電子地圖和進路條件,考慮線路、車輛、臨時限速、防護距離等參數(shù)實時計算并向列車進行移動授權(quán),移動授權(quán)伴隨列車前行而動態(tài)更新,擺脫了由地面信號按固定物理區(qū)段行車的限制。列車實時位置及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸保障的關(guān)鍵即在于車地傳輸通道。車地無線通信系統(tǒng)主要采用第四代移動通信長期演進(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的車地無線通信系統(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)無線熱點設(shè)備來實現(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的車地無線通信系統(tǒng)(圖3)通常工作在1.8GHz頻段,具有大容量、低延遲、覆蓋強、高 速移動的優(yōu)點[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自動切換需求分析

當前國內(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在同一場景下實現(xiàn)兼容或切換是其中的關(guān)鍵技術(shù)問題。實現(xiàn)列車在LTE—M與WLAN之間無縫切換需要滿足以下需求:

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

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。設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單,能實現(xiàn)自動無縫切換過程,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,不需要進行新的通信配置,即可實現(xiàn)通信。國際電工委員會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)點實現(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,對上層透明,適用性強,其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

基于PRP的局域網(wǎng)采用線性并行運行的拓撲結(jié)構(gòu),收發(fā)設(shè)備通過節(jié)點鏈DANP實現(xiàn)冗余。其中DANP 節(jié)點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)向兩個端口,數(shù)據(jù)幀經(jīng)過兩個互相獨立的鏈路后傳送給接收端,接收的節(jié)點鏈將先接收到的數(shù)據(jù)幀經(jīng)處理解譯后發(fā)給上層協(xié)議,同時棄用后續(xù)收到的另一路數(shù)據(jù)幀,從而實現(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環(huán)型的拓撲結(jié)構(gòu),如圖5所示。HSR協(xié)議的終端設(shè)備節(jié)點通過節(jié)點鏈DANH進行環(huán)路數(shù)據(jù)傳輸,通過雙向的節(jié)點鏈環(huán)路實現(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)對比,信號CBTC系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)不同車地通信網(wǎng)絡(luò)間切換場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,在同等場景下有助于減少組網(wǎng)過程節(jié)點,減少系統(tǒng)故障點。

2.2雙路CBTC系統(tǒng)場景下車地無縫冗余組網(wǎng)方法

根據(jù)CBTC信號系統(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景下的車地無線通信傳輸問題,在原組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中通過PRP節(jié)點設(shè)備承擔原有系統(tǒng)架構(gòu)下數(shù)據(jù)鏈路層的通信過程,對上層協(xié)議透明,不會改變已成熟的信號系統(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)報文經(jīng)軌旁路由分別轉(zhuǎn)發(fā)給對應(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)備按照互相獨立的數(shù)據(jù)傳輸方式完成車地數(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

在列車運行過程中,車地交互的主要信息流包括列車的定位和移動授權(quán)等。一般通過軌旁信號應(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測速模塊數(shù)據(jù)累加計算共同得到列車的定位信息。同時,結(jié)合前行列車與地面的數(shù)據(jù)交互來確定前車的實際位置,并判斷列車前方的安全空閑區(qū)段。經(jīng)過計算后,由列車車載設(shè)備(VOBC)向信號軌旁的區(qū)域控制器(ZC)發(fā)送列車的位置數(shù)據(jù)信息,ZC綜合計算前方列車進路、前車位置以及其他障礙物等信息得出移動授權(quán),并通過車地無線通信向車載設(shè)備(VOBC)傳達移動授權(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移動授權(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)報文。

2)軌旁PRP設(shè)備復(fù)制數(shù)據(jù)報文,并將數(shù)據(jù)報文分別通過WLAN和LTE鏈路進行同步發(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)視機制判斷該報文是否已接收。未接收,則接收該報文并更新節(jié)點鏈;已接收,則轉(zhuǎn)移該報文至中轉(zhuǎn)棧并在下個循環(huán)前丟棄。

5)監(jiān)測并判斷網(wǎng)絡(luò)通道狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)有故障,則故障報警,并請求再發(fā)數(shù)據(jù)報文;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 工程項目進行了性能測試及工程驗證。無錫至江陰城際軌道交通工程項目與既有無錫地鐵1號線工程貫通運營,其中新建段多為120 km/h高架區(qū)段,車地無線通信鏈路選用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。為滿足貫通運營需求,需實現(xiàn)在接軌區(qū)段的無線無縫切換過程。

通過實驗室測試和試驗線測試后,在無錫至江陰城際軌道交通工程馬鎮(zhèn)站進行了系統(tǒng)性能測試和驗證。如圖8所示,經(jīng)測試驗證, 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間小于30 ms,滿足技術(shù)標準要求,可以實現(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

針對既有線路延伸或新建線路接入線網(wǎng)車地通信不同的場景,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,能較為有效地實現(xiàn)承載信號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)量和實時性。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)可進一步開展5G公專網(wǎng)應(yīng)用承載場景下的工程驗證,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。

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2024年第11期第3篇