地铁车辆信号系统的研究

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摘 要：城市轨道交通具有高速度、高密度、不间断运营的特点。信号系统作为行车指挥和列车运行的控制设备，尽管其投资额在城市轨道交通的整个工程中所占比例甚低，但在保证行车安全、提高通过能力、节能及改善运输人员的劳动条件等方面却起着至关重要的作用。
关键词：地铁信号 DCS一、数据通信子系统（DCS）
地铁信号的传输主要依靠无线传输与轨旁子系统进行信息的交换和传递。这个传递的模型和系统就称之为数据通信子系统（DCS），它是一个宽带通信系统。而地铁控制所依赖的CBTC（基于无线通信的列车自动控制系统）则需要DCS来提供CBTC系统内的三个主要列车控制子系统，包括中控室，轨旁系统和车载系统以及其他沿线地面设备之间双向、可靠、安全的数据交换。
1.1 数据通信子系统（DCS）的技术标准
DCS一般有以下几部分构成：
骨干网络：轨旁骨干网络由骨干交换机构成。传输层面采用RPR弹性分组环技术连接组网。RPR同时拥有以下一些优点：IP协议的智能化、类似于光纤环网的高带宽效率以及常用以太网的实用经济性。接入交换机与骨干交换机之间通过光接口来连接。
轨旁数据接入网络：轨旁子系统和轨旁无线设备接入数据通信子系统的接口都布置于该网络内。接入交换机提供国际通用标准的10M/100M以太网接口，遵循国际通行的IEEE 802.3u和802.3x协议。网络层和传输层这两个层次采用的UDP/IP是协议，方便相关的设备集成使用。
车载数据通信网络：提供各车载子系统和车载设备以及车载无线设备之间的通信接口。车载ESE同轨旁数据接入网络一样国际通用提供标准的10M/100M以太网接口，同时也遵循国际通行的IEEE 802.3u和802.3x协议。
车地双向通信网络：主要功能是在列车与轨旁数据接入系统之间提供双向、可靠、安全的数据信息的交换。它的无线接口选用了适用性与广泛性俱佳的IEEE802.11g技术，同时遵循IEEE 802.11i无线网络安全协议，以提高整个网络的安全级别。
1.2 DCS子系统采用的协议结构
DCS子系统选取了ISO/OSI标准7层协议中的5层，分别是传输层、网络层、数据链路层、物理层和应用层，5层中除了应用层之外都遵守通行的标准和协议。通常列车控制子系统都包括标准的IEEE 802.3（以太网）接口和使用UDP/IP作为不同设备之间的通信协议。UDP协议效率高，速度快，占资源少，特别适用于列车控制所需的实时车地双向通信。由于UDP包的传送方式是无保障和无纠错机制的，因此它不像其他一些传输协议一样有包重传等纠错机制，因此采用UDP协议的信息在传送过程中丢包或者数据发生错误的概率极大，这样就需要额外提供相应方法或者手段实现包重传机制以降低误码率或者丢包率，即保证信息不会丢失。为保证数据的可靠传输，在网络支持子层（CNS），采用以下协议：
可靠传输协议（RELLABLE_P）来提供数据包重传机制；
安全传输协议（SAFE_P），可提供两个通信实体之间的时间同步（保证车地通信的实时性），数据包数据完整性检测（避免部分数据丢失，确保接收数据的完整）和CRC差错校验（检测数据出错和误码）。
二、DCS子系统功能与原理
2.1 CBTC各子系统间双向、可靠数据通信
作为系统的基础，DCS子系统提供了CBTC信号系统各单元之间通信的承载，列车控制子系统和设备之间可直接进行相互通信；同时，DCS能够满足数据传输对于传输延时、丢包率的需求。在DCS子系统的设计中，已提供所有合理方式，来避免单个独立故障或多个相关故障对列车运行的影响。由于要求DCS系统在进行信号信息传输时要达到的可靠性很高，为了保证这一点，整个DCS网络的设计采用了双网并行的方式，在物理和逻辑上，双网正常工作互不干扰，以此来提高整个信息传输系统的整体可靠性。
2.2 信息冗余传输
基于地铁控制相关信息的实时性与重要性，在系统设计之初就要考虑以下几个问题：
地铁在高速行进时重要控制信息的传输必须要小于一定的延时时间，否则会造成严重的后果，这是地铁安全性的要求。由于地铁所处电磁环境的复杂与干扰情况，除了要求即时性之外，还要考虑信息的传输要小于一定的丢包率，否则车地之间的信息传输是不成功的，也会导致严重的后果。CBTC系统内设备之间的连接，通过两个相互独立的网络，实现冗余通信。BIM_P是这个双媒介工作机制的管理协议。BIM_P协议的任务是确保两个通过双重网络连接的设备间的可靠通信，包括通信媒介发生单个独立故障和单个媒介内部分多重关联故障的情况。BIM P协议实现的基本原理是通过向两个相互独立的媒介同时地发送信息；接收单元过滤双重信息，只转发一条信息到应用层。
2.3 车载数据通信网络
车载数据系统其实是一个网络通信系统，它由两大部分所构成：一部分是车头驾驶室内部的传输网络部分，另一部分则是车尾驾驶室内部的传输部分。其中车头和车尾驾驶室网络部分分别由车载无线网络单元、车载天线、车载网络交换机和车载CBTC系统设备组成。由于采用了双网并行的工作方式，因此每列车上安装有两套不同且独立工作的MR，分别位于列车的两端。车载MR的功能就是用来完成车载设备和轨旁设备间之间的数据快速准确的交换。地铁车载系统中比较重要的自动列车运行装置（ATO）和列车自动保护装置（ATP）数据都由在列车两端的MR传输，提供连续的数据传输冗余。ATO可以实现自动调节列车行进的速度。由于ATO的存在已经可以实现由车载系统来控制开停车、开关门。ATO装置产生的列车加速与减速的命令来自于相关系统系统产生的一些信息，例如自动列车控制系统（ATC）以及自动列车保障装置（ATP）等信号系统提供的信息。而ATP属于一种自动保护装置，主要防止列车相撞，保障列车运行的安全。ATP子系统采用自动闭塞方式，也就是将轨道线路划分成若干个小区间，称为闭塞分区。每个闭塞分区传输的信号主要是列车的检测信号，检测车速以及相邻两车之间的距离。以此确定列车最大安全运行速度，并且监控两列列车之间的距离，实现超速防护。列车车头室与车尾室内的设备通信是靠双绞线构成的以太网来完成的。具体车载网络系统拓扑如图：
在图中，一个车载控制器（CC）安装在列车的一头（车厢A），包括一个ATP子系统和ATO子系统；同样的一个车载控制器（CC）安装在另一头（车厢B）。所有列车上的设备能通过两个独立的以太网连接在一起，形成车载网络。车载设备间的本地通信不会被发送到外部去。车载通信子系统由两个完全独立的网络（A网和B网，如上图所示）组成，这两个网络互为冗余。轨旁信号同时向A网和B网发送/接收信息；轨旁A网和B网采用不同的频点；车头和车尾的MR分别链接A网和B网，同时工作；当前工作端的CC通过A网和B网的MR同时与轨旁设备双向通信，并将接收到来自轨旁的（非工作端CC需要的）信息转发给非工作端CC。车载主用端CC同时接收/发送A网和B网信息，当A网或B网单网故障时不影响正常的车地通信。为了克服隧道内部的多径发射问题及其他地铁环境中特殊问题，建议使用定向天线作为车载无线单元的外置天线。为了达到更好的接受效果，克服多径问题，为每一个车载无线单元配置2个定向天线。
结论
本文主要研究车载系统的通信结构与所要求的功能，对于其性能先分析拓扑结构再计算整体的参数。其做法为，先确定系统设备之间采用什么样的拓扑结构（本系统的结构为串联连接），再根据其特点来计算总的稳定度。为了保证稳定，应用了冗余的硬件设计思路。
参考文献
[1]铁路信号基础设备.西南交通大学出版社，2008
[2]汪希时.铁路信号发展新纪元：基于通信的列车控制系统[J]北方交通大学学报，2000（8）