張 惺

目前，國內常規(guī)有人駕駛城市軌道交通線路的列車運行狀態(tài)和故障信息多以非實時方式傳輸至地面，即列車維保人員上車通過車載專用接口進行信息下載采集，或列車回庫后通過庫內設置的專用車地通信設施進行信息下載［1］。隨著城市軌道交通全自動運行技術的發(fā)展，常規(guī)有人駕駛線路的運營服務和維護要求逐步提高，需要對列車運行狀態(tài)進行跟蹤監(jiān)控，因此將列車運行狀態(tài)及故障信息實時傳輸至地面的要求也逐步顯現。

1 需求分析

1.1 信息內容

車地互聯信息，即列車運行狀態(tài)及故障信息，根據其信息內容可分為以下三級［3］。

一級為關鍵信息，對列車安全、運營和服務造成顯著影響的列車事故和故障，如車輛火災警報、車門緊急解鎖、乘客緊急對講、列車緊急制動、牽引系統嚴重故障、制動系統嚴重故障等，需要立即采取措施處理。

二級為次關鍵信息，對列車安全、運營和服務造成不顯著或沒有影響的列車事故和故障，需要在列車返回段場之前采取措施處理。

三級為非關鍵信息，用于段場維修、故障發(fā)現及列車日檢確認等情況下的故障記錄、監(jiān)控數據，以及環(huán)境數據。

上述各類信息中，一級信息大約60 KB，二級信息大約6 KB，三級信息大約2 KB。三類信息的實際數據量在16 KB/s 以內。按照16 KB/s 進行估算，數據流量為128 kb/s，所需的傳輸帶寬不低于1 Mb/s。

1.2 傳輸要求

車地互聯信息無線傳輸要求［4］：①車地通信傳輸帶寬要確保低延遲和低丟包率，傳輸延遲時間應不大于500 ms，丟包率應不大于1%；②車地通信連續(xù)覆蓋要滿足列車實時傳輸數據要求，無線傳輸通道的設備布置應全線場強連續(xù)覆蓋；③列車高速移動時車地通信切換要達到無縫切換，通信網絡的越區(qū)切換時間不大于100 ms。

2 技術方案

2.1 傳輸技術比較

目前國內軌道交通車地無線傳輸網主要有TD-LTE 和WLAN 2 種規(guī)?；瘧玫募夹g，2 種技術各有特點。

TD-LTE 技術以正交頻分復用（OFDM） 和多入多出技術（MIMO）為核心技術，其優(yōu)勢體現在：高數據速率、分組傳送、延遲降低、廣域覆蓋和向下兼容。TD-LTE 技術在20 MHz 頻譜帶寬能夠提供下行100 Mb/s、上行50 Mb/s 的峰值速率。經過多年的研究、應用以及發(fā)展，該技術目前已經成為一種非常成熟的寬帶無線技術，并已在國內城市軌道交通中得到了廣泛應用［5-6］。

無線局域網（WLAN）技術以IEEE 802.11 工作組規(guī)定的無線通信系統為代表，主要包括802.11b、802.11a 和802.11g、802.11n、802.11ac等物理層標準?；谧钚乱淮?02.11ac 標準的WLAN 技術，較上一代標準有更寬的射頻帶寬（高達160 MHz 通道）、更多重輸入/輸出（MIMO）、空間流（高達8 個），以及高密度調制解調（高達256 QAM），其理論傳輸速度可由802.11n 最高的600 Mb/s 躍升至1 Gb/s?；赪LAN 技術的車地無線傳輸網廣泛應用于軌道交通領域乘客信息系統（PIS）、無線上網等高速率的應用系統中［5-7］。

雖然TD-LTE 技術和WLAN 技術均能滿足車地互聯信息無線傳輸承載需求，但TD-LTE 較WLAN 技術有頻譜利用率高、數據傳輸時延小、移動性能優(yōu)異、抗干擾能力強、安全性高等優(yōu)勢，理論上更適用于需要連續(xù)覆蓋、QoS 保障要求高的業(yè)務；WLAN 技術的優(yōu)勢在于頻率資源充足、數據傳輸速率高［8-9］。具體采用何種技術，應結合實際工程的車地無線通信業(yè)務承載方案統籌考慮確定。

軌道交通車地無線通信傳輸承載的業(yè)務主要有CBTC 業(yè)務、PIS 業(yè)務和車載視頻監(jiān)控（CCTV）業(yè)務。近幾年，國內軌道交通建設TD-LTE 技術多應用于信號系統CBTC 業(yè)務承載，因CBTC 的安全等級要求高，不能與其他業(yè)務共網承載；同時由于TD-LTE 頻率資源有限，最大20 MHz，一般為10 M～15 MHz，其他系統再建設TD-LTE 網便不具備頻率資源。因此，PIS、CCTV 等業(yè)務多采用WLAN 技術進行綜合承載。由于WLAN 頻率資源相對充足，且列車運行狀態(tài)及故障信息屬維護、維修類信息，安全等級低于CBTC，將車地互聯信息傳輸業(yè)務納入到PIS、CCTV 業(yè)務的車地通信綜合承載中更具有實施性。

若TD-LTE 頻率資源足夠（15 M～20 MHz），PIS、CCTV 與CBTC 業(yè)務采用TD-LTE 共網承載，則車地互聯信息傳輸業(yè)務同樣可以納入TD-LTE 共網承載。

2.2 傳輸架構搭建

車地互聯信息傳輸架構由車輛系統、通信系統、PIS、綜合監(jiān)控系統（ISCS）共同組成，該架構充分利用這些系統已具備的車地通信、系統集成互聯、中央級信息處理等功能，并通過相互接口進行搭建。

2.2.1 車地互聯信息傳輸網絡及接口

車地互聯信息傳輸網絡見圖1。

PIS 系統的車地通信承載列車信息由車傳輸到地的業(yè)務，車輛管理系統（TMS）通過數據接口將列車信息發(fā)送給PIS 車載接口服務器，列車信息經PIS 車地通信網絡傳輸至控制中心的PIS 系統中央服務器?？刂浦行牡腜IS 系統中央服務器將承載的列車信息通過數據接口傳輸至綜合監(jiān)控系統（ISCS）中央服務器。綜合監(jiān)控系統作為全線機電系統的集成+互聯系統，收集到列車信息后，承擔分發(fā)列車信息至各地車輛維修終端的業(yè)務［10］。各地車輛維修終端包括控制中心OCC 總調度臺的車輛維修終端、消防控制室的車輛維修終端、車輛段/停車場DCC 的車輛維修終端和車輛工區(qū)的車輛維修終端。發(fā)送至車輛段/停車場車輛維修終端的信息需由綜合監(jiān)控系統中央服務器通過通信傳輸系統分別傳輸至車輛段和停車場綜合監(jiān)控系統服務器，再通過數據接口分發(fā)到車輛維修終端。

2.2.2 車輛維修終端的配置

所有列車運行狀態(tài)及故障信息最終是在車輛維修終端上統計、分析和處理。因此列車信息由車傳輸至地后，應根據信息使用需求分別傳輸至控制中心OCC、段場調度DCC、車輛維修工區(qū)等地，其中列車火災報警信息還應傳輸至消防控制室。車輛系統應在上述各地相應設置維修終端以及配套的應用軟件，用于車輛狀態(tài)信息的接收、顯示、報警，以及故障分析和統計等。

圖1 車地互聯信息傳輸架構

車輛系統在控制中心OCC 總調度臺設置2 套維修終端，在硬件和軟件上具有相同的配置，功能互為備用；在車輛段和停車場的調度DCC 各設置1 套維修終端；在車輛段車輛維修工區(qū)設置2 套維修終端，在硬件和軟件上具有相同的配置，功能互為備用；在車輛段消防控制室設置1 套維修終端；在控制中心消防控制室設置1 套維修終端。

3 實際應用

本文結合常規(guī)有人駕駛線路車輛系統、通信系統、乘客信息系統（PIS）、綜合監(jiān)控系統（ISCS）已有的功能和配置，通過相互間的接口連接和信息傳輸，在不增加較大投資的情況下，提出實現車地信息互聯功能的技術方案。目前該方案已在佛山市軌道交通2 號線、3 號線工程中實施。佛山市軌道交通車地無線通信LTE 專用頻段批復情況為地下13 MHz、地面8 MHz，并已明確TD-LTE 技術應用于信號系統CBTC 業(yè)務承載，CBTC 采用A、B雙網設計，地下為10 MHz（A 網）+3 MHz（B 網），地面為5 MHz（A 網） +3 MHz（B 網）；PIS 和CCTV 業(yè)務采用5.8 GHz 頻段的WLAN 技術實現車地無線通信綜合承載，車地互聯信息傳輸業(yè)務納入該綜合承載網；車地互聯信息傳輸架構方案與本文描述方案完全一致。

4 結論

本文提出的列車運行狀態(tài)及故障信息傳輸方案，能夠使地面控制中心的維修調度人員和車輛維修工區(qū)的維修人員實時監(jiān)視列車各類運行信息、設備狀態(tài)信息和故障信息，便于地面維修調度根據列車信息及時結合運營調度進行遠程管理和相關列車運行調度指揮，提高調度管理水平；同時便于維修人員進行列車信息的下載、收集、智能統計和分析，提高維修效率和管理水平［2］。