李宏輝， 李海玉

（ 廣州市地下鐵道總公司 工程技術(shù)研發(fā)中心，廣州 510335）

城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

李宏輝， 李海玉

（ 廣州市地下鐵道總公司 工程技術(shù)研發(fā)中心，廣州 510335）

為實現(xiàn)列車運行安全狀態(tài)的實時全面獲取和車地有效傳輸，對城軌列車在途監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行研究。文章分析城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性，設(shè)計了城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)架，詳細分析了車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)。通過室內(nèi)試驗、公路試驗和現(xiàn)場試驗等3種方式，對城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行了試驗，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)各項技能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，能夠滿足大容量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)車地傳輸?shù)男枰?/p>

數(shù)據(jù)傳輸；城軌列車；安全監(jiān)測

城軌列車正線運行時的網(wǎng)壓、車速及關(guān)鍵系統(tǒng)的運行參數(shù)等實時安全監(jiān)測數(shù)據(jù)是保證列車在途安全運行的基礎(chǔ)。目前，城軌列車均安裝了部件級安全監(jiān)測裝置并利用車載網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲及主要信息的顯示與報警，但僅限于列車本地數(shù)據(jù)處理，無法將列車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，車輛維修部門及控制中心等無法實時獲取在途車輛信息。為提高城軌交通主動安全保障能力，進一步實現(xiàn)城軌列車狀態(tài)修，采用先進通信技術(shù)實現(xiàn)城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時車地傳輸成為當(dāng)前城軌運營部門的迫切需求。

本文在分析城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)適應(yīng)性基礎(chǔ)上，給出了城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)架，詳述了車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)，描述了現(xiàn)場試驗過程，驗證了本文給出的城軌列車數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠滿足城軌列車大容量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

1 城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

鑒于應(yīng)用場景與使用對象等因素的差別，城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與公眾寬帶無線接入網(wǎng)有著顯著的不同，主要表現(xiàn)在信道傳播環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式、無線資源分配方式以及業(yè)務(wù)流量等方面，因此本節(jié)對城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性進行具體分析。

1.1 環(huán)境復(fù)雜多變與無線信道變化快速

現(xiàn)代城市軌道交通通常建設(shè)在密集城區(qū)、地下隧道或城郊空曠地帶，車外的傳播環(huán)境變化較多，電波傳播途徑豐富；地下隧道電波傳播局限于狹小空間，反射多且當(dāng)列車穿越覆蓋天線時，出現(xiàn)多普勒快速變化；城郊空曠地帶反射較少，直射波較強。

1.2 城軌列車運動的規(guī)律性和運動信息的可預(yù)知性

與公眾移動通信用戶在小區(qū)內(nèi)的隨機運動不同，由于城軌列車在確知的軌道上行駛，且具有先進的列車控制系統(tǒng)，其運行狀態(tài)是可知的。與公眾通信網(wǎng)的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)不同，城軌交通寬帶無線接入所

覆蓋的服務(wù)區(qū)域沿軌道呈帶狀分布。

1.3 車地傳輸寬帶無線接入的集中性和相對性

城軌列車監(jiān)測、監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡(luò)等安全數(shù)據(jù)的寬帶無線接入可看作是集體接入，而公眾移動通信用戶是獨立接入。

1.4 車地傳輸無線接入系統(tǒng)容量可預(yù)知性

針對城軌列車中的監(jiān)測、監(jiān)控、傳感網(wǎng)、預(yù)警和維護等系統(tǒng)，可以預(yù)先評估其帶寬，因此車地傳輸無線接入系統(tǒng)容量可預(yù)知。

因此應(yīng)根據(jù)城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的適應(yīng)性特點，在相應(yīng)的物理層傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，另一方面應(yīng)充分利用公眾無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開發(fā)出的先進技術(shù)，盡量在已有的開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上開發(fā)專用的車地傳輸系統(tǒng)。

圖1 城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

2 城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將移動中的列車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸至地面，并進一步分析處理，因此從物理結(jié)構(gòu)上可將城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)劃分為車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)之間通過大容量無線通信方式進行安全監(jiān)測數(shù)據(jù)交換，其構(gòu)架如圖1所示。

2.1 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)由車載無線通信主機、車載無線信道單元及天線組成，其中車載無線信道單元及天線包括車載實時信道單元、車載實時信道天線、車載靜止信道單元和車載靜止信道天線，如圖2所示。

圖2 車載子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載無線通信主機是整個車載子系統(tǒng)核心。它根據(jù)信息傳輸優(yōu)先級確定傳輸機制，對故障告警信息采用最高優(yōu)先級實時傳輸方式，對車輛和乘客實時狀態(tài)信息采用實時傳輸或周期傳輸方式，對低優(yōu)先級信息采用靜止信道大容量傳輸方式。對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行打包和緩存，并分發(fā)到相應(yīng)的信道單元，對實時信道單元、靜止信道單元進行控制，自動均衡實時無線信道與大容量靜止信道的傳輸資源，實現(xiàn)列車在途狀態(tài)信息向地面中心的實時傳輸。

圖3 車載實時/靜止單元與天線

車載無線信道單元分實時信道單元和靜止信道單元，如圖3所示。在車載通信主機的控制下，通過車載實時信道天線和靜止信道天線，與軌旁無線設(shè)備進行通信，完成車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。車載無線信道單元安裝于列車兩端司機室天花板上方，天線安裝于列車兩端司機室上方的列車頂部，天線安裝后不超出車輛限界。

2.2 地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)由軌旁無線接入設(shè)備和無線傳輸?shù)孛嬷行墓芾碓O(shè)備組成，其中軌旁無線接入設(shè)備包括軌旁的實時信道基站、站內(nèi)的靜止信道基站和車站接入管理器，無線傳輸?shù)孛嬷行墓芾碓O(shè)備包括隊列管理器、網(wǎng)絡(luò)控制中心設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心設(shè)備、維護管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，全部設(shè)備均連接在地面專用網(wǎng)絡(luò)上，如圖4所示。

實時信道基站由實時信道單元和實時信道天線組成，在站內(nèi)使用時單側(cè)站臺使用2 套基站，分別工作在不同頻點，每套基站包含1 個實時信道單元和4 副天線，在區(qū)間使用時每套基站包含1 個實時信道單元和2 個天線。靜止信道基站由靜止信道單元和靜止信道天線組成，每套基站包含1 個靜止信道單元和1 副天線，采用符合802.11n 協(xié)議的電信級無線訪問節(jié)點（AP） 實現(xiàn)。車站接入管理器控制管轄范圍內(nèi)的實時信道基站和靜止信道基站間的信道資源、用戶接入及相鄰切換，確保系統(tǒng)內(nèi)兩種車地?zé)o線傳輸方式的效率，實現(xiàn)各傳輸基站向管理器發(fā)送數(shù)據(jù)的匯聚并完成數(shù)據(jù)整合、封裝及向地面管理中心發(fā)送。

隊列管理器實現(xiàn)全部列車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)年犃谢旨壒芾?，采用序列進入跳躍響應(yīng)方式保證了處于緊急和非常規(guī)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度，從而保障了列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的分級、高效調(diào)度和傳輸。網(wǎng)絡(luò)控制中心設(shè)備完成整個系統(tǒng)設(shè)備的運行協(xié)同和列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的控制轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備實現(xiàn)與外部或公用網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)城軌列車運行狀態(tài)信息和故障預(yù)警信息的多平臺共享。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心設(shè)備實現(xiàn)系統(tǒng)中全部用戶數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、移動位置數(shù)據(jù)、配置參數(shù)和列車下傳的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)等的管理服務(wù)。維護管理設(shè)備用于整個系統(tǒng)及移動終端工作參數(shù)及狀態(tài)的設(shè)置查詢，以直觀的網(wǎng)頁方式提供每個軌旁及站內(nèi)無線接入設(shè)備和移動終端設(shè)備的位置及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作情況。

圖4 地面子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸可靠性與安全性保障技術(shù)

在城軌列車安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中，有可能會存在信息失效及安全威脅等問題，因此應(yīng)采取必要措施提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c安全性：采用基本卷積碼的方式，保障碼元的檢糾錯能力；采用塊交織的方式提高信道的檢糾錯能力；采用碼元中加擾碼的方式， 提高信道的可靠性和保密性；采用IPSec機制，保護 IP數(shù)據(jù)包的安全，通過采用數(shù)據(jù)包篩選技術(shù)及受信任通信的實施來防御網(wǎng)絡(luò)攻擊；采用網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證技術(shù)，實現(xiàn)本地認(rèn)證和本地授權(quán)的安全功能，防止非法用戶入侵。采用優(yōu)先級變換算法、網(wǎng)絡(luò)帶寬分配算法、傳輸質(zhì)量控制算法和無線鏈路冗余備份算法等保證高優(yōu)先級信息的傳輸。

3.2 多普勒頻移估計與補償技術(shù)

在較高速度的移動環(huán)境中，多普勒效應(yīng)造成的頻移將破壞正交頻分復(fù)用系統(tǒng)子載波間正交性，成為制約系統(tǒng)性能的主要因素之一，因此必須對系統(tǒng)頻偏進行準(zhǔn)確估計和補償。城軌列車運行線路和速度曲線相對固定，且可以較容易地獲取速度和位置信息，因此，本文采用簡化的最大似然估計法實現(xiàn)多普勒頻移估計，采用均衡法補償非完全正交所帶來的損失，從而改善了車載移動終端的傳輸性能和切換性能。

3.3 數(shù)據(jù)鏈路快速構(gòu)建與恢復(fù)技術(shù)

城軌列車運行環(huán)境復(fù)雜，無線數(shù)據(jù)鏈路容易出現(xiàn)斷鏈等情況，因此應(yīng)研究數(shù)據(jù)鏈路快速構(gòu)建與恢復(fù)相關(guān)技術(shù)。

為保證傳輸?shù)目煽啃院涂焖俳尤?，采用高可靠性的短距離多點冗余覆蓋方式實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為永久性數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)建提供物理層保障。采用具有路由功能的移動終端，與地面?zhèn)鬏斂刂葡到y(tǒng)的中心路由器共同進行鏈路的路由管理，形成數(shù)據(jù)鏈路的雙向自適應(yīng)路由機制，依據(jù)對鏈路時延、數(shù)據(jù)速率、差錯率和路由穩(wěn)定性的綜合評估，決定鏈路的路由選擇，基于單鏈路及多鏈路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路快速構(gòu)建和恢復(fù)。采用移動IP的3層切換技術(shù)實現(xiàn)高速移動條件下的快速切換，根據(jù)列車位置、運行方向、運行速度和線路情況，預(yù)測列車前方的最佳切換點，輔助實現(xiàn)信道的快速軟切換，通過優(yōu)化移動IP協(xié)議，縮短路由建立時間和切換時間，減少重發(fā)次數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的快速恢復(fù)，保證鏈路通信正常進行 [9～10]。

4 試驗與驗證

城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要設(shè)計技術(shù)指標(biāo)為：（1）車站靜止信道最大傳輸速率≥500 Mbps；（2）最高速度120 km/h理想條件下實時信道最大傳輸速率≥16 Mbps；（3）在不大于10%誤碼率條件下能夠傳輸不少于3路高優(yōu)先級信息。根據(jù)以上技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了3種指標(biāo)驗證場景，即室內(nèi)、公路和現(xiàn)場，其中室內(nèi)場景主要用于驗證靜止信道傳輸速率，公路場景主要用于驗證速度120 km/h時的實時信道傳輸速率，現(xiàn)場試驗主要用于驗證實時信道最大傳輸速率和高優(yōu)先級信息傳輸誤碼率。

4.1 室內(nèi)試驗

在實驗室搭建滿足要求的設(shè)備環(huán)境后進行數(shù)據(jù)發(fā)送測試。在無線設(shè)備兩端分別連接計算機終端，采用帶寬測試工具，在控制端上實時顯示數(shù)據(jù)傳輸速率，試驗環(huán)境如圖5所示。經(jīng)10次測試并取平均值得到靜止信道傳輸速率為581.216 Mbps，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，圖6給出了第4次測試的記錄截圖，其平均傳輸速率為589.811 Mbps，滿足靜止信道傳輸速率≥500 Mbps的設(shè)計要求。

圖5 室內(nèi)試驗環(huán)境

4.2 公路試驗

由于城軌列車運行最高速度一般為80 km/h，難以驗證120 km/h情況下的實時信道傳輸速率，因此采用公路試驗法進行指標(biāo)驗證。在汽車上安裝放置無線傳輸車載設(shè)備，在公路旁放置無線傳輸?shù)孛嬖O(shè)備，在車載設(shè)備和地面設(shè)備上連接筆記本電腦。在汽車車速120 km/h條件下，采用模擬軟件發(fā)送大數(shù)據(jù)文件，在模擬軟件上展示數(shù)據(jù)傳輸速率等結(jié)果，試驗環(huán)境如圖7所示。經(jīng)測試，在120 km/h條件，實時信道最大傳輸速率為17.948 Mbps，最小傳輸速率為16.138 Mbps，滿足120 km/h理想條件下實時信道最大傳輸速率≥16 Mbps的設(shè)計要求。

圖6 室內(nèi)測試記錄

圖7 公路試驗環(huán)境

4.3 現(xiàn)場試驗

在廣州地鐵2號線江泰路-昌崗-江南西的3站兩區(qū)間布設(shè)城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行主要性能指標(biāo)驗證，試驗在地鐵運營結(jié)束后，協(xié)調(diào)車站、通號、車輛及車務(wù)等部門共同實施。

在車載發(fā)送模擬端通過車載設(shè)備實時發(fā)送數(shù)據(jù)到地面，地面接收和處理終端記錄統(tǒng)計日志，在展示終端實時展示數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)，試驗結(jié)果表明，在列車正常運行時實時信道傳輸速率為16.52 Mbps，大于16 Mbps的設(shè)計指標(biāo)要求，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場測試記錄

在車載發(fā)送模擬端實時連續(xù)向地面發(fā)送1路視頻圖像、多功能車輛總線（MVB）數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果數(shù)據(jù)及部分傳感器原始數(shù)據(jù)。在地面展示平臺的多個終端上分別顯示視頻圖像等數(shù)據(jù)的實時狀態(tài)，在數(shù)據(jù)中心連接的維護終端查看原始數(shù)據(jù)的接收存儲情況，在地面測試展示終端上展示無線傳輸?shù)恼`碼率指標(biāo)，試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在傳輸視頻圖像、MVB數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果數(shù)據(jù)及部分傳感器原始數(shù)據(jù)等多路信號時，其無線傳輸誤碼率為1%左右，遠低于10%的設(shè)計要求。

通過室內(nèi)試驗、公路試驗和現(xiàn)場試驗等多種方式，對城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進行了驗證，試驗結(jié)果表明，本文提出的城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠以1%誤碼率、16 Mbps傳輸速率實現(xiàn)列車正線運行時的實時信道傳輸，能夠以500 Mbps傳輸速率實現(xiàn)列車停站時的靜止信道傳輸，滿足大容量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)車地傳輸?shù)男枰?/p>

5 結(jié)束語

我國城軌列車運行安全保障和運維仍主要依靠定期檢修及事后故障修，列車運行安全狀態(tài)的實時全面獲取和在途預(yù)警體系化技術(shù)與裝備的缺乏已成為我國城軌交通安全水平和運維效率提升的重大瓶頸，本文對城軌列車在途安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行了研究與設(shè)計，在對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)適應(yīng)性分析基礎(chǔ)上，進行了車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)的組成設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)分析，并進行了室內(nèi)、公路和現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明，本文提出的城軌列車在途數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能實現(xiàn)列車正線運行時的實時信道傳輸以及列車停站時的靜止信道傳輸，滿足城軌列車大容量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

[1] 叢衛(wèi)志.機車遠程信息傳輸與分析系統(tǒng)設(shè)計及研究[D].北京：北京交通大學(xué)， 2007.

[2] 胡朝暉，姚蔚迎. 基于無線局域網(wǎng)的列車安全監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2006，15（10）：18-20.

[3] 丁建文，鐘章隊. 基于 GSM-R的CTCS-3級列控系統(tǒng)安全數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議棧分析[J]. 鐵道通信信號，2010，46（9）：8-11.

[4] 于 鑫，闞庭明，吳 卉. 軌道交通乘客信息系統(tǒng)車地?zé)o線傳輸方案設(shè)計與優(yōu)化[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2012，21（2）：44-48.

[5] Aguado, M., Onandi, O., Agustin, P., Higuero, M., Taquet,E.J. WiMAX on Rails[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2008, 3(3): 47-56.

[6] 王延翠. 基于GPRS無線通信技術(shù)的機車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[7] 楊國榮. 地鐵車地通信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程，2013，21（9）：86-88.

[8] Emmelmann M, Langgartner T, Sonnemann M. System Design and Implementation of Seamless Handover Support Enabling Real-Time Telemetry Applications for Highly Mobile Users[A]. Proceeding of the 6th ACM International symposium on mobility management and wireless access[C]. Vancouver, Canada, October 2008: 1-8.

[9] Pareit D, Gheysens N, Moerman I. QoS-enabled Interneton-train network architecture: inter-working by MMP-SCTP versus MIP [A]. Proceeding of 7th International Conference on ITS[C]. Sophia Antipolis, France, June 2007: 1–6.

責(zé)任編輯 楊利明

Research on Data Transmission System of safety monitoring for train of Urban Transit

LI Honghui, LI Haiyu
( Engineering and Technical Research Center, Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510335, China )

In order to implement effective vehicle-ground communication and acquisition of safety status for train of Urban Transit in time, the Data Transmission System of safety monitoring for train of Urban Transit was designed and analyzed. Firstly, the adaptability of the System was analyzed. Secondly, the framework of the System was designed, and the composition and key technologies of its on-board subsystem and groundmounted subsystem were detailed. Finally, the experiments were conducted, including laboratory test, road test and fi eld test, to validate the designed System. The experiment results showed that the designed System could meet the needs of transmission for large amount of safety monitoring data.

data communication; train of Urban Transit; safety monitor

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2014）05-0006-06

2014-01-25

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助（2011AA110504）。作者簡介：李宏輝, 工程師；李海玉，高級工程師。