王歷珘

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！蔚谝蛔髡?， 高級工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)是一種基于車地?zé)o線通信的列車控制系統(tǒng)。移動中的列車通過車載無線MR(移動電臺)接入軌旁DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))無線網(wǎng)絡(luò)，建立車地?zé)o線通信通道。列車VOBC(車載控制器)和軌旁ZC(區(qū)域控制器)、ATS(列車自動監(jiān)控)服務(wù)器通過車地?zé)o線通道進(jìn)行雙向、實時的數(shù)據(jù)交互，VOBC將列車位置、車速、車次號等信息實時上報給ZC、ATS;ZC、ATS開始追蹤列車，并發(fā)送移動授權(quán)、最高限速等命令給VOBC，控制列車在軌道上的移動。與傳統(tǒng)的列車控制系統(tǒng)相比，CBTC系統(tǒng)的列車發(fā)車間隔更小，列車的開行密度更大，所以運輸效率也更高。

1 DCS的組成及性能

1.1 既有DCS網(wǎng)絡(luò)的組成

既有DCS網(wǎng)絡(luò)可分解為3部分：①軌旁有線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)車站、運營控制中心(OCC)、車輛段、試車線等軌旁區(qū)域信號設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交互；②車地?zé)o線網(wǎng)，負(fù)責(zé)軌旁信號設(shè)備和車載信號設(shè)備的數(shù)據(jù)交互；③車載有線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)車載信號設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交互。

1.2 DCS的性能要求

對于CBTC系統(tǒng)而言，DCS是一個透明的傳輸子系統(tǒng)，其任務(wù)是傳輸行車控制數(shù)據(jù)。如果某列車在行駛過程中DCS發(fā)生故障，列車車載信號子系統(tǒng)與軌旁信號子系統(tǒng)會丟失通信，后續(xù)列車運行將會受到影響。因此，DCS的穩(wěn)定性直接決定了整條線的運行效率。DCS運行的穩(wěn)定性通常通過以下方面來保證：

1) 冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計。即在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時充分考慮冗余性，包括冗余的接入層、冗余的分布層和冗余的核心層，以確保網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單點故障或多點故障時，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸不會中斷。

2) 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能。包括DCS有線和DCS無線的吞吐率、時延、丟包率等性能參數(shù)，以充分滿足信號系統(tǒng)的運行需求。

3) 可靠的網(wǎng)絡(luò)安全機制。即需要確保列車行車控制數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會被篡改，非法的網(wǎng)絡(luò)入侵會被隔絕在DCS網(wǎng)絡(luò)之外，接入DCS網(wǎng)絡(luò)的終端/用戶都是經(jīng)過DCS認(rèn)證的合法終端/用戶。

2 上海城市軌道交通既有DCS介紹

上海軌道交通8號線是上海第1條部署CBTC系統(tǒng)的線路。目前，上海城市軌道交通線網(wǎng)中，除了1號線、3號線、4號線外，其余線路的信號系統(tǒng)均采用CBTC系統(tǒng)。在后續(xù)的線路信號系統(tǒng)改造項目以及新線建設(shè)項目中，在保持各家信號供應(yīng)商的架構(gòu)特性基礎(chǔ)上，上海城市軌道交通將對DCS的高冗余性、高可靠性及高吞吐量提出新的要求。本文以上海軌道交通6號線、7號線、8號線、9號線等線路為例，對既有的DCS架構(gòu)進(jìn)行分析，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上研究下一代DCS架構(gòu)的搭建，以滿足上海城市軌道交通高密度、零故障的運營需求。

注：LATS——集中站的監(jiān)控系統(tǒng)；DTI——發(fā)車指示器；SD——安全設(shè)備；AP——接入點;MR——移動廣播。

2.1 既有DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點

2.1.1 接入層網(wǎng)絡(luò)

接入層網(wǎng)絡(luò)包括軌旁有線接入網(wǎng)、軌旁無線接入網(wǎng)和車載有線接入網(wǎng)3部分。

1) 軌旁有線接入網(wǎng)。軌旁有線接入網(wǎng)需要接入網(wǎng)絡(luò)的終端，使用冗余的物理網(wǎng)口連接至2臺冗余的接入交換機。在網(wǎng)絡(luò)終端使用鏈路捆綁技術(shù)將2個物理接口捆綁成1個虛擬接口后對外通信。在正常情況下，主用鏈路激活，備用鏈路后備；當(dāng)主用鏈路故障情況時，備用鏈路會接替主用鏈路繼續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)，以確保通信業(yè)務(wù)不被中斷。

2) 軌旁無線接入網(wǎng)。軌旁無線接入網(wǎng)使用2.4 GHz頻段，通過基于FHSS(跳頻擴頻)技術(shù)的AP實現(xiàn)軌旁無線覆蓋。軌旁AP采用冗余部署方案，即第n個AP的信號可以覆蓋到第n+2個AP點，在列車運行軌道的任意一處，列車任意一端都有至少2個信號強度滿足要求的AP信號，從而確保了單點的AP故障不會導(dǎo)致信號盲區(qū)的出現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 軌旁AP的冗余覆蓋示意圖

3) 車載有線接入網(wǎng)。VOBC為2oo3(2 out of 3,即3取2)架構(gòu)，車載信號設(shè)備主設(shè)備安裝在列車帶司機室拖車的TC1端(又稱A端)。2套DCS設(shè)備分別安裝在列車的TC1端和TC2端(又稱B端)。 VOBC通過冗余的2條FHSS車地?zé)o線鏈路(含車載電臺+車載SD)分別部署，與軌旁ZC、ATS交換數(shù)據(jù)。這2條鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全相同，單條鏈路故障不影響另1條鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2 分布層網(wǎng)絡(luò)

分布層網(wǎng)絡(luò)使用SD作為安全網(wǎng)關(guān)，其中：“安全”的意思是SD運行了IPSec(IP安全)功能，即在IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)層面對進(jìn)出SD所屬區(qū)域的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行加密、解密、鑒權(quán)及完整性校驗，同時對不合法的流量進(jìn)行過濾；“網(wǎng)關(guān)”的意思是SD屬于3層設(shè)備，具備路由功能，可以對終端提供網(wǎng)關(guān)服務(wù)。

SD主要部署于軌旁集中站、OCC和車載等區(qū)域，不同區(qū)域的SD間需使用CA(認(rèn)證授權(quán))證書進(jìn)行相互認(rèn)證。使用認(rèn)證的證書來自同一臺CA服務(wù)器，只有經(jīng)過認(rèn)證的SD之間才能相互信任，建立IPSec鏈接。

SD按照物理位置可以分為軌旁SD和車載SD。其中：軌旁SD工作于集群主備模式，主機故障時備機會接替主機繼續(xù)工作；車載SD工作于單機模式，在車載A端和B端各部署1臺，2臺車載SD并行工作，單機故障不影響另一臺的正常運作。

2.1.3 核心層網(wǎng)絡(luò)

CBTC骨干網(wǎng)由100 Mbit/s的2層交換機組成，這些交換機以環(huán)形方式互連，以實現(xiàn)冗余。交換機運行環(huán)形解析協(xié)議。根據(jù)此協(xié)議，環(huán)網(wǎng)中的1臺交換機被配置為RM(冗余管理器)。配置為RM的交換機將自身的1個環(huán)網(wǎng)端口設(shè)為禁用，從而使環(huán)網(wǎng)中的1條鏈路處于備用狀態(tài)，這樣在骨干網(wǎng)中不會產(chǎn)生任何環(huán)路。在單點故障時，如鏈路或交換機故障的情況下，RM將激活禁用的端口，從而在500 ms內(nèi)啟用備用鏈路。這意味著在發(fā)生交換機或鏈路故障的情況下，DCS仍然可以保持骨干網(wǎng)內(nèi)的通信。

2.2 既有DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)待優(yōu)化問題

1) 冗余性問題。主要包括：①采用單套無線網(wǎng)；②軌旁SD為分散式部署；③采用單骨干網(wǎng)。

2) 網(wǎng)絡(luò)性能問題。主要包括：①骨干網(wǎng)吞吐率(100 Mbit/s)和無線網(wǎng)吞吐率(1 Mbit/s)均偏低，無法承載更多的應(yīng)用；②列車運行的軌道沿線的電磁環(huán)境日趨惡化，充斥著大量的2.4 GHz同頻干擾信號，這些密集部署且工作在不同2.4 GHz信道的同頻干擾設(shè)備對基于2.4 GHz的DCS產(chǎn)生一定的干擾。

3) 車載網(wǎng)絡(luò)的擴展性問題。在以太網(wǎng)已經(jīng)成為主流的當(dāng)下，車載CAN(控制器局域網(wǎng))需要整體向以太網(wǎng)方向改造。

3 優(yōu)化的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對既有DCS存在的問題，本文在冗余性、網(wǎng)絡(luò)性能等方面對DCS的架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。如圖3所示，優(yōu)化后的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個高度冗余的架構(gòu)。

3.1 冗余性

1) 骨干網(wǎng)。使用多重骨干網(wǎng)代替既有單骨干網(wǎng)，以解決既有網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)缺乏冗余的問題。多重骨干網(wǎng)包括4部分：①ATP骨干網(wǎng)，用以承載行車控制相關(guān)的ATP流量；②ATS骨干網(wǎng)，用以承載列車監(jiān)控相關(guān)的ATS流量；③FHSS骨干網(wǎng)，用以承載流經(jīng)FHSS無線系統(tǒng)的車地通信流量；④LTE(長期演進(jìn))骨干網(wǎng)，用以承載流經(jīng)LTE無線系統(tǒng)的車地通信流量。不同類型的業(yè)務(wù)流量在不同的骨干網(wǎng)上傳輸，相互之間不會影響。同時，針對ATP骨干網(wǎng)、ATS骨干網(wǎng)發(fā)生骨干網(wǎng)故障后可能會導(dǎo)致ATP業(yè)務(wù)流、ATS業(yè)務(wù)流中斷的情況，優(yōu)化后的DCS引入了“雙網(wǎng)切換機制”，即如果ATP骨干網(wǎng)故障了，ATP業(yè)務(wù)流會順暢切換到ATS骨干網(wǎng)；如果ATS骨干網(wǎng)故障了，ATS業(yè)務(wù)流會順暢切換到ATP骨干網(wǎng)。

2) 無線網(wǎng)。使用“LTE-M和Wi-Fi”雙制式網(wǎng)絡(luò)代替既有DCS的單FHSS無線網(wǎng)架構(gòu)，解決了既有DCS無線網(wǎng)缺乏后備的問題。同時，LTE無線系統(tǒng)采用“A/B網(wǎng)”架構(gòu)設(shè)計，以進(jìn)一步提升無線網(wǎng)的冗余性，車地?zé)o線鏈路數(shù)量由既有DCS的2條FHSS鏈路增加到了4條(新增了2條LTE鏈路)。優(yōu)化后DCS的VOBC可以同時通過這4條無線鏈路與軌旁ZC、ATS做數(shù)據(jù)交互，任意1條或者多條鏈路故障不影響數(shù)據(jù)傳輸，只要有1條鏈路正常，列車就不會和軌旁丟失通信。

注：LTE——長期演進(jìn)。

3) SD。軌旁SD使用“集中化A/B網(wǎng)部署”方式代替既有DCS網(wǎng)絡(luò)“分散式部署”，其中：“集中化”是指將所有的軌旁SD集中到OCC進(jìn)行集中維護(hù)，以降低了維護(hù)難度；“A/B網(wǎng)”是指針對車載SD分A端和B端的架構(gòu)，軌旁SD分為A組和B組，軌旁A組的SD只負(fù)責(zé)和A端的車載SD通信，軌旁B組的SD只負(fù)責(zé)和B端的車載SD通信。A組和B組的SD物理隔離，單組SD故障不會導(dǎo)致車地通信的丟失。

3.2 網(wǎng)絡(luò)性能

1) 有線部分。優(yōu)化后的DCS網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)吞吐率由100 Mbit/s升級為1 Gbit/s，車載網(wǎng)絡(luò)使用100 M的車載以太網(wǎng)交換機代替CAN總線，車載信號設(shè)備內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬得到很大提升。

2) 無線抗干擾。優(yōu)化后的DCS新引入LTE無線系統(tǒng)。與2.4 GHz頻段相比，該系統(tǒng)使用1.8 GHz專有頻段，專網(wǎng)專用，干擾問題較少，理論上可大幅提高DCS的無線抗干擾能力。

4 DCS未來的發(fā)展方向

優(yōu)化后的DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于既有DCS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演化而來，主要針對既有網(wǎng)絡(luò)的冗余性、網(wǎng)絡(luò)性能和可擴展性三方面進(jìn)行了優(yōu)化。在未來，優(yōu)化后的DCS架構(gòu)還可以進(jìn)一步在以下方面進(jìn)行優(yōu)化：

1) 將DCS整體過渡到A/B網(wǎng)架構(gòu)。如圖4所示，A/B網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)勢是A網(wǎng)和B網(wǎng)并行工作，并行傳輸數(shù)據(jù)，不存在雙網(wǎng)切換，因而也不存在切換時延；雙網(wǎng)物理隔離，單網(wǎng)故障不會傳導(dǎo)到另外一張網(wǎng)上。鑒于A/B網(wǎng)架構(gòu)上述的優(yōu)點，目前A/B網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)成為信號DCS的主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。優(yōu)化后的DCS架構(gòu)在車地通信網(wǎng)層面是A/B網(wǎng)架構(gòu)，列車A端和B端與軌旁系統(tǒng)的通信走相互獨立的通道，在軌旁有線網(wǎng)層面則采用“ATP+ATS雙網(wǎng)切換”架構(gòu)。未來DCS的車地?zé)o線網(wǎng)和軌旁有線網(wǎng)在架構(gòu)方面將趨于一致，可整體過渡到A/B網(wǎng)架構(gòu)。

圖4 優(yōu)化后DCS的A/B網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

2) 將部分DCS設(shè)備異地部署。既有DCS中，與車地通信相關(guān)的軌旁SD、LTE設(shè)備全部部署在OCC。優(yōu)化后的DCS車地通信網(wǎng)部分為A/B網(wǎng)架構(gòu)，A端和B端完全獨立，與列車B端通信相關(guān)的軌旁交換機、SD、LTE等設(shè)備可以考慮拆分出來異地部署，如A端設(shè)備部署在OCC、B端設(shè)備部署在車輛段。這樣部署后，任意一處設(shè)備發(fā)生故障，軌旁ZC和VOBC都不會丟失通信。

3) 應(yīng)對目前LTE頻譜資源有限問題。LTE所使用的的1.8 G頻段，可用于城市軌道交通的頻率范圍為1 785～1 805 MHz，帶寬20 MHz，頻譜資源有限，獲取頻段難度很大。以上海軌道交通5號線為例，該線的信號業(yè)務(wù)只申請到5 MHz帶寬，雖然可以滿足信號業(yè)務(wù)需求，但是有限的頻譜帶寬限制了后續(xù)新增業(yè)務(wù)的擴展。DCS會考慮在后續(xù)的項目中采用新技術(shù)來解決頻譜資源受限的問題，如引入5G(第5代移動通信技術(shù))等。不同于4G(第4代移動通信技術(shù))，5G在通信帶寬、傳輸時延、信息傳遞可靠性和安全性等方面都有顯著的優(yōu)勢，使用5G網(wǎng)絡(luò)承載城市軌道交通信號業(yè)務(wù)將會是未來發(fā)展的大趨勢。因此，可以在當(dāng)前階段，積極對基于5G的DCS演進(jìn)進(jìn)行探索和技術(shù)儲備。

上述幾點是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)性能2個方面對優(yōu)化后DCS網(wǎng)絡(luò)提出的優(yōu)化方案。未來DCS的基本任務(wù)依然是行車控制數(shù)據(jù)的可靠傳輸， 優(yōu)化DCS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、提升DCS的網(wǎng)絡(luò)性能都需要圍繞這個基本任務(wù)來開展。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)趨于穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)性能充分滿足信號系統(tǒng)需求之后，DCS還需要在運營穩(wěn)定性方面下功夫，既有DCS的故障解決流程如圖5所示。嘗試將目前的運維工作由被動運維轉(zhuǎn)為主動運維，在故障發(fā)生之前就能發(fā)現(xiàn)存在的故障隱患并及時處理，在故障發(fā)生后可自動定位故障并出具故障分析報告，這樣可以大大提升運維效率，將DCS故障對運營的影響降到最低。

圖5 既有DCS的故障處理流程

5 結(jié)語

信號系統(tǒng)承擔(dān)著城市軌道交通高效運營的重任。由于信號的數(shù)據(jù)傳輸故障會對運營造成重大影響，因此信號系統(tǒng)演進(jìn)的核心目標(biāo)之一是涉及運營的關(guān)鍵功能“零失效”。 為提高設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，需通過多模冗余的架構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備單系故障不導(dǎo)致整體失效、故障設(shè)備和冗余設(shè)備間實現(xiàn)無縫切換，以達(dá)到對運營不造成顯性影響的目的。