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干货!地铁CBTC系统——无线通信技术浅析

e车轨道交通资讯2019-01-10 04:53:01

随着全国各大城市大力建设公共交通系统,具有大容量、高速率和高效率特点的地铁系统的建设也如火如荼的进行。


在整个地铁系统中,列车的自动控制系统无疑是其大脑和核心,目前地铁系统采用的是列车自动控制(ATC)设备,ATC通过车载设备、轨旁设备、车站和控制中心组成的控制系统完成对列车运行的控制;通过调节列车运行间隔和运行时分,实现列车运行的安全、高效和指挥管理有序。ATC信号系统由ATP(列车自动防护)子系统、ATO(列车自动驾驶)子系统和ATS(列车自动监督)等三个子系统组成,主要分为固定闭塞制式、准移动闭塞制式和移动闭塞制式三种,其中固定闭塞制式已经无法满足当代地铁发展的需要,移动闭塞制式的应用规模越来越大。


移动闭塞制式信号系统主要是基于无线通信技术的列车控制系统(CBTC),CBTC系统集无线电通信技术和自动化控制技术于一体,利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路),双向连续、大容量的车-地数据通信和车载、地面安全功能处理器等实现的一种连续自动列车控制系统,利用轨间电缆、漏泄电缆和空间无线技术或者他们之间的结合组网来实现。


CBTC相比传统的铁路信号系统有着诸多优越性:


1)以无线通信系统代替有线通信系统,减少电缆铺设、轨旁设备,降低维护成本。


2)可以实现车辆与控制中心的双向通信,大幅度提高了列车区间通过能力。

3)信息传输流量大、效率高、速度快,容易实现移动自动闭塞系统。


4)容易适应各种车型、不同车速、不同运量、不同牵引方式的列车,兼容性强。


5)可以将信息分类传输,集中发送和集中处理,提高调度中心工作效率。


6)便于既有线改造升级。


当前全球各城市轨道交通现状从单一线路建设逐步走向多线路并行建设,并初步形成线网轨道交通格局,具备了线网间联通联运的基础条件,同时国内的地铁系统对列车的发车间隔要求越来越短,对列车的精密调度和控制提出了很高的要求,加上通信、计算机、网络和列控技术的不断发展,尤其是无线通信技术的发展,使得基于无线通信的列车控制系统(CBTC)现得到迅速发展和普遍应用。


目前CBTC已经有多家地铁控制系统设备商支持,且有很多建设和应用经验,应用技术十分成熟,目前全球新建地铁,尤其是国内基本都是采用此系统。

一、地铁CBTC系统介绍和发展现状


1、地铁CBTC系统组成


地铁无线CBTC系统主要包括3个部分:无线移动通信系统、列车控制系统和列车定位子系统。列车控制系统又包括中央控制室、无线闭塞中心和车载子系统。


其中,高可靠的无线一同通信系统是RBC、车载子系统和列车定位子系统的基础。无线移动通信系统主要是进行车地通信,在移动的列车和地面控制设备之间实时双向传输行车星系,由无线车地通信技术提供保障,列车通过相应的地面设备,如信标灯、应答器,可以获知自身的位置及速度等信息,通过可靠的无线移动通信网络,列车将位置、车次、列车长度、实际速度、制动潜能、欲行状况等信息以无线的方式发给RBC,RBC则开始追踪列车并发送移动权限、允许速度、限速、紧急停车等命令。因为,无线CBTC系统中,无线移动通信网络取代了对到电路的信息传输地位。


图1 地铁CBTC系统结构

2 、CBTC系统发展现状


随着社会的不断发展和城市化进程的逐渐提高,城市轨道交通在安全性、可靠性、运输效率和整体服务质量方面提出了更为严格的要求,以满足现代运输业的各种挑战。同时,世界各地的轨道交通运营商都希望以最佳的投资获得更高的性能。基于通信的列车控制系统CBTC就在这种背景氛围下应运而生。


1999年9月,IEEE将CBTC定义为:“利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路)、双向连续和大容量的车-地数据通信以及车载和地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统”。国外着手研究CBTC的时间较早,技术发展比较成熟,国外新建的地铁项目已经大量的采用CBTC系统。目前我国新建地铁虽已经基本都采用了先进的CBTC系统,但设备主要都是由国外系统设备商提供,国产化的CBTC应用很少,只在北京地铁亦庄有过尝试运行。


CBTC全球共有三大体系,分别是美国的 AATC,日本的ATACS和欧洲的ETCS,主要的设备供应商有西门子、GE、阿尔卡特、阿尔斯通和庞巴迪。

二、地铁CBTC无线通信技术分析


地铁CBTC系统要求不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息,利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。


通过车载设备、轨旁通信设备实现列车与车站或控制中心之间的信息交换,完成速度控制。系统通过建立车地之间连续、双向、高速的通信,使列车命令和状态可以在车辆和地面之间进行实时可靠的交换,并确定列车的准确位置及列车间的相对距离,保证列车的安全间隔。


所以CBTC对无线传输的系统容量、稳定性、抗干扰能力以及高速移动下的切换等都有较高的要求,目前从宽带技术的角度出发,GSM-R、WLAN、漏泄同轴电缆、裂缝波导管、WiMax等技术都可以提供CBTC系统中相应的无线数据传输服务,但这些技术本身的技术标准、技术成熟度、系统应用经验和整个产业链的发展以及部署成本等决定了它们能否最终应用广泛引用到地铁CBTC系统中。具体每种技术方案分析如下:

1、 基于GSM-R技术

GSM-R是在公网GSM技术基础上融合了调度通信功能的专门用于铁路无线通信的数字集通信系统,是专为铁路系统开发的数字式的无线通信系统。其主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能,可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道,并可提供列车自动寻址和旅客服务。


GSM-R目前在全世界的铁路系统中都有非常广泛的成熟的应用,在我国已经作为铁路系统的首选,包括300KM以上的高铁。我国使用的频段为上行885-889MHz,下行930-934MHz,为铁道系统和中国移动公用,但在铁路2-6公里范围内为铁路系统专属频段。


基于GSM-R目前的技术,最大理论速率是115kbps,可以支持大于500km/h的漫游切换,且安全性高,整个产业链也很成熟。但如果应用于地铁系统,它仅能提供CBTC现在的功能需求,无法满足统一车地无线通信的业务需求,即使不考虑以后的扩展性,也要基于现在的CDMA1X及GPRS二种技术进行功能改造,以支持多信道捆绑以达到带宽要求,另外在我国频段的申请问题也是其没能在城市轨道交通中使用的主要原因。


深圳地铁二号线在设计初期曾考虑采用此技术,但因为GSM-R应用于行车间隔短,车流密度大的城市轨道交通的实例和经验较少,需要做大量的实验和验证工作,考虑到工期等因素,最终放弃此技术。

2、基于无线电台的WLAN技术

采用无线电台实现WLAN技术,体积较小, 安装比较灵活, 受其他因素影响小,使用开放的IEEE802.11标准,广泛采用2.4G的ISM频段。可根据现场条件和无线场强覆盖需要进行设计和安装, 且安装和维护容易,但无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大,同时隧道内的反射比较严重,需要考虑多径干扰等问题。无线电台的传输距离小, 为了保证在一个无线接入点( AP, AccessPoint ) 故障时, 通信不中断,提供通信的可靠性, 以及考虑到高速下的无缝切换,往往需要在同一个地点设置双网覆盖,这要求进一步缩短AP 布置间距。


大量的高密度的AP点的部署,导致了列车在各个AP 之间的漫游和切换特别频繁, 大大降低了无线传输的连续性和可靠性. 同时相应的电缆使用量很大。基于WLAN的CBTC系统方案如下:



图2 基于WLAN的CBTC系统方案

3、基于漏泄同轴电缆技术

泄漏同轴电缆LCX( Leaky Coaxial Cable) 是在同轴电缆外导体上开有一定形状和间距的糟,使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间,部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中, 并和附近的移动电台天线耦合构成无线通道。同轴电缆外导体上开的槽可以有许多形状,各种形状在传输损耗和耦合损耗方面各不相同。


使用泄漏同轴电缆的通信方式是比较简明的,两条LCX 交叉环线分别负责上行及下行的车辆通信,车上天线和LCX 之间的距离很近,LCX 还连接着基地台,通过泄漏同轴,各种安全调度信息和语音信息可以在地面和车辆之间双向传递。由于电磁波在同轴电缆交叉环线内传播,场分布稳定, 辐射性能可以由槽的形状位置控制、传输速率高、节省频率资源、受环境影响很小,因而对地形的适应性强,在数字化、大容量的移动车辆通信方面有独特的优势。


泄漏同轴电缆上的开槽有着严格的尺寸要求,而且它的收发、中继设备比较复杂,用它来组成通信无线传输媒介采用的是基于2. 4 GHz 的ISM频带漏泄同轴电缆,漏缆的传输特性和衰减性能较好,传输距离较远,最大传输距离达到600 m,且沿线无线场强覆盖均匀,呈现良好的方向性分布,抗干扰能力较强,适合于狭长的地下隧道内使用,减少列车在各个AP 之间的漫游和切换,提高了无线传输的连续性和可靠性。


另外,漏泄同轴电缆的安装要求不是很高,可以根据现场条件安装隧道侧墙( 仅适用于全地下线路),或隧道顶部(仅适用于全地下线路,且三轨供电)。漏泄信道,初期投入很高,这是它的不足之处。同轴电缆对于地面和高架线路安装比较困难,且美观效果较差。因漏泄同轴电缆的安装位置较高,不会影响一般轨旁维护工作,其自身安装调试完成后维护工作量很小。并且漏缆分布系统对解决GSM-R 系统在隧道等弱场强区段的覆盖是一种非常重要的手段。


 3 基于泄漏同轴光缆CBTC系统方案

4、基于裂缝波导管技术

裂缝波导管采用的是一种长方形铝合金材料,在其表面每隔一段距离( 约6 cm) 刻有一条2 mm宽3 cm 长裂缝,能够让无线电波从此裂缝中漏泄出来,因其波导管物理特性和衰减性能很好,传输距离较远,理论最大传输距离可达到1600 m, 且沿线无线场强覆盖均匀,呈现良好的方向性分布,抗干扰能力较强。


其具有漏泄同轴电缆的优点,适合于狭长的地下隧道内使用,且传输距离要优于漏泄同轴电缆,减少列车在各个AP 之间的漫游和切换,大大提高了无线传输的连续性和可靠性。目前采用裂缝波导管进行无线传输的信号系统供货商只有法国阿尔斯通公司, 其已经在2002 年开通的新加坡东北线中得到成功应用。


裂缝波导管的安装要求较高,安装位置受到现场制约,其与列车车载天线的安装位置要求对应,故其安装精度要求也比较高,裂缝波导管可以根据现场条件安装在隧道底部钢轨旁(适用于地下、地面、高架或混合线路均可),或隧道侧墙(仅适用于全地下线路),或隧道顶部(仅适用于全地下线路,且三轨供电)。另外,对于波导管内部和表面的维护量较大,要防止沙尘侵入和污物覆盖等。基于裂缝波导管的CBTC系统方案如下:


图4 基于裂缝波导管的CBTC系统方案

5、基于TETRA的多基站+直放站+中继器制+漏泄光缆技术

TETRA数字集群系统除了包括一些控制中心设备、调度台设备外,本身还有一整套无线覆盖设备,包括集群基站、光纤直放站、终端设备、电缆及其附件和天线等,可以完成CBTC系统所需要的无线数据通信,其无线通信系统的组成决定了其本质是WLAN和漏泄光缆的结合式组网,目前这种结合式组网在在基于TETRA数字集群系统中有广泛的,成熟的应用。


国内外大部分地铁采用此种方案。TETRA无线覆盖系统分为多基站小区制、多基站中区制(光纤直放站)和多基站(射频直放站)三种,多基站中区制由于其容量、可靠性、可维护性及传输时延上的缺陷已经无法适应现代地铁的发展需求,所以目前新建的地铁系统主要采用多基站小区制覆盖方案,该无线覆盖方案通过在控制中心设置集群交换机和调度台,在地铁沿线各基站、车辆段设置集群基站,在车辆段设车辆段调度台。


交换控制设备与基站之间通过有线传输通道连接,地铁沿线架设中继器和漏泄同轴电缆实现车站站台及隧道内的场强覆盖;各地下站站厅用小天线覆盖。各基站均采用2载频基站共8个信道。此方案较复杂,但从系统容量、稳定性及高速移动切换性能等多方面变现优异,应用广泛、成熟,系统结构图如下:


图 5基于TETRA多基站小区制系统方案

6、基于WiMax技术

WiMax的全名是微波存取全球互操作,是建立在IEEE802.16无线城域网标准基础上的无线数字通信技术,支持点对点或点对多点的网络结构,全球使用的频段集中在2.5G和3.5G,部分设备上也支持免申请的频段。理论上能提供70Mkbps的速率,目前主要使用的标准是IEEE802.16e,WiMax架构相对比较复杂,且目前存在很多问题。


  • 协议不完善,尤其是核心网方面的标准仍在制定和完善中。

  • 目前基于IEEE802.16e标准下的WiMax无法支持高速移动下的切换问题,目前主要应用还是游牧式的。

  • 技术开展缓慢,诸多特性发展停止不前。

  • 抗干扰能力一般。

  • 语音只能采用VOIP实现,且目前没有大量应用。

  • 主流运营商、通信设备厂商及芯片商不支持,虽然已经发展多年,但整个产业链不成熟,相关的配套产品匮乏。

  • 目前尚未通过中国通信标准委员会审定,政府也没有对齐进行频率分配,在全球也没有固定的频段。

  • 在全球列车控制信号系统中没有应用的经验。


WiMax作为一种从固网发展起来的无线宽带技术,从一开始就未能得到全球主流运营商的关注,包括频谱一直没有统一。而且主流芯片厂商和全球的各大运营商支持力度也不够,再加上与LTE主要关键技术重合(全球大的运营商和设备商主要关注LTE),这些都导致WiMax没有大规模商用,整个产业链也始终不成熟。再结合本身协议和技术上的缺陷,使得选择WiMax技术进行类车信号控制信存在很大风险。


因此WiMax最好应用在提供宽带的上网或者视频业务(可以使用在列车上的PIS系统中),不适合应用在地铁控制系统中。

三、 地铁CBTC无线通信技术比较和总结


地铁CBTC系统对无线通信的要求非常高,除了技术本身的因素外,还要考虑全球的应用成熟度和发展趋势,以及部署的成本等。因此选用何种技术进行列车控制系统中的无线通信要综合考虑。以下对每种技术的优劣进行比较:

1、GSM-RWLANWiMax和的对比

GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA技术指标对比


WLAN

GSM-R

WiMAX

TETRA多基站小区制

适用频率

2.4G/5.8G

800M/900M

2.5G/3.5G

800M/900M/公共频段

带宽能力

IEEE802.11g理论最大速度54Mbit/s

理论最大速度115Kbit/s

IEEE802.16e理论最大速度70Mbit/s

几百K(取决于信道带宽)

是否为宽带无线

覆盖范围

开阔环境200-600米

开阔环境5-10公里

开阔环境16公里

最远可达几十公里

漫游切换

120km/h

500km/h

低速或游牧

超过300km/h

产品成熟度

成熟

成熟,但需要改频

不成熟

成熟

价值链成熟度

成熟

成熟,但需要改频

不成熟

成熟

在轨道交通行业信号系统的使用情况

在地铁多条线路中使用

但在大铁线路中,中国和欧洲均有实际案例

在地铁多条线路中使用

抗干扰能力

技术架构复杂性

技术架构严谨性

安全性

频率管制

2.4开放,5.8管制

管制

管制

可定制






工程施工

工程量较小

安装工作量不大,但安装后网优工作量较大

隧道内勘测计算复杂

包括有线和无线,工程复杂

表 1GSM-R、WLAN、WiMax和TETRA技术指标对比


从以上技术指标和工程方面的对比中我们可以发现,综合考虑各种因素,WLAN和TETRA(本质上TETRA无线覆盖主体也是WLAN)更加适合应用到现代地铁的无线控制系统中;而GSM-R在系统容量和隧道内的复杂勘测上有所欠缺,它的高速移动性更适合于在铁路上使用;而WiMax虽说在系统容量上有优势,但在技术协议、高速下的切换和产品链成熟度上多存在很多缺陷,且工程方面需要严格复杂的勘测和计算,这都限制了它在地铁列车控制系统这方面的应用。

2、裂缝波导、漏泄光缆和WLAN的对比

无线组网

裂缝波导

漏泄电缆

WLAN

优点

传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强

场强覆盖较好、抗干扰能力强

轨旁设备少、方便安装及维护

主要组件

中空铝质矩形管(WG),无线接入设备(TRE),波导管连接器(TGC),双面连接法兰(DFL),末端负载等

漏泄电缆(LCX),移动台,基地台,终端等

无线接入点(AP),无线客户端(AP Client),天线,工业以太网交换机等

最大传输距离

1600m

600m

300-400m

漫游切换

很少

较少

频繁

安装精度要求

衰减特性

缓和

较缓

较快

抗干扰性

维护方便度

相对困难

方便

方便

厂家

ALSTOM、北京交大等

ALSTOM、Bombadier等

日信、SIEMENS等

应用案例

北京地铁2号线及机场线信号系统等

上海轨道交通1号线、2号线及3号线二期等

北京地铁10号线和15号线信号系统等

表2 裂缝波导、漏泄电缆和无线电台的比较


以上三种技术在目前的地铁系统都有应用,各有优劣,单独建网时都会存在某些方面的不足,比如使用WLAN建网,目前大多数地铁系统使用的都是2.4G的免费频段,公众的某些发射机如果采用同样的频段有可能影响到地铁系统中车地的无线传输,进而影响到类车的调度;而选用泄漏电缆和裂缝波导管除了安装复杂外,成本也是不得不考虑的因素。


因此在实际建网当中除了考虑频段外,可以考虑选择其中的2种或者3种技术结合使用。这样不仅可以建立更加完善的覆盖,而且成本也能得到更好的控制,这也是目前很多地铁系统采用的方案,包括与TETRA中设备的结合。


3、总结


地铁是与民生密切相关的重大工程,我们在追求无线通信带宽性能的同时更应该注重的是稳定,成熟和安全性。目前地铁系统所采用的整体数字集群方案基本都是TETRA系统,国内更是如此。


所以国内绝大多数城市地铁基本上是采用WLAN技术或者LAN与漏泄光缆的结合(或者TETRA多基站与中继器和漏泄光缆的结合)承载CBTC和PIS系统,主要的出发点是基于技术和产品链的成熟度。


目前采用的频段也以2.4G频段为主,个别采用5.8G频段(5.8G供货厂商比较少、布置密度大,且频率高导致衰减也大,而且根据无委会规定还需要收费)。尽管基于WLAN的应用已经很成熟,应用也很广泛,但其采用的频段还是存在一些问题和潜在的风险,主要有:


Ø开放信道,无法阻止被窃听修改并转发,甚至伪造、干扰信息。


Ø用户不必与内部网络进行连接,攻击者容易隐藏和伪装。


Ø无线信号的衰减和丢失。


近期深圳地铁出现的列车被手持WIFI逼停的事件已经发生两次,经分析极有可能就是采用的2.4公共频段受到手持WIFI的干扰导致的。


据报道,深圳目前除了龙华线采用有5.8G外,其他都是2.4G。而据深圳地铁人员介绍,目前全国地铁系统基本都是2.4G频段,但仅深圳出现这种情况,主要原因可能是深圳地铁中引入了3G信号,3G信号的引入使得乘客有条件使用特定设备将3G信号转为WIFI作为并网络热点,进而干扰到列车的调度信号,而北京、上海等城市目前未引入3G信号,广州地铁一直在做测试中,但也没有引入。


虽然目前主流地铁设备商大都提供基于2.4G频段的设备,且2.4G频段在地铁中的应用全球都很普遍,但随着信息技术的发展,WIFI作为无线覆盖会越来越普遍,乘客携带能发射WIFI信号的设备也会逐渐增加,因此采用公共频段的地铁调度未来系统受到的威胁越来越大。


目前可以考虑采用扩频技术(深圳龙岗线使用的是庞巴迪公司提供的信号系统,系统对使用的频段进行扩频,使其有别于常规公共频段,且设备信号比较强,经过多次对地面上的线路测试,没有发现被WIFI干扰),或者申请专属频段(目前中国铁路系统使用的就是专属的800/900M频段,上下行各4M,此频段是铁路系统和中国移动公用,但在铁路沿线2-6公里属于铁路系统专属频段),目前法国地铁系统采用的就是专属频段。


同时,国内外已经在对这些存在问题做研究来降低或者解决这些风险,例如:


Ø通过建模计算AP的最佳密度,减少信号覆盖范围的同时留有相对冗余,防止数据丢失。


Ø使用信息序列号(Message Sequence Number)、时间戳(Time Stamp)。


Ø信息过时处理(Time-out)、源地址和目的地址鉴别(Source and Destination Indentifiers)、反馈信息(FeedbackMessage)、安全编码(Safety Code)。


Ø使用动态密钥、随机密钥、数据加密算法等。


相信随着研究的深入和技术的发展,这些问题会逐步得到解决,而新的应用技术也会出现。

(来源:地铁的真相)


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