朱 俊 陶小婧 張 郁 曾貴華

(1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 201103， 上海； 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 200235， 上海；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 200240， 上海∥第一作者， 工程師)

1 車(chē)地通信系統(tǒng)概述

CBTC(基于通信的列車(chē)控制)已經(jīng)成為目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流方式。CBTC系統(tǒng)中的列車(chē)控制主要通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信設(shè)備與軌旁系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息的交換和傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸，而管理這個(gè)信息傳遞過(guò)程的系統(tǒng)就是信號(hào)的車(chē)地通信系統(tǒng)。車(chē)地通信系統(tǒng)對(duì)于CBTC系統(tǒng)極其重要，城市軌道交通線路沿線包括車(chē)站、車(chē)輛段、運(yùn)營(yíng)控制中心等區(qū)域都被其覆蓋到。

CBTC系統(tǒng)對(duì)通信技術(shù)的可靠性及無(wú)線信息的傳輸效率要求非常高，要求MTBF(平均故障間隔時(shí)間)大于2×105h，可用性指標(biāo)大于99.999%。雖然DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))在設(shè)計(jì)階段一般均采用了雙套冗余結(jié)構(gòu)，可有效防止網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單點(diǎn)故障，但是一旦發(fā)生通信故障或傳輸效率降低等情況，可能會(huì)導(dǎo)致中央控制信息的中斷，直接影響整個(gè)CBTC系統(tǒng)的運(yùn)行，屬于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的致命風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，也是故障的零容忍環(huán)節(jié)。

由于車(chē)地通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)線傳輸模式，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中難以避免存在無(wú)線通信信號(hào)的衰減、丟失和受干擾等情況，由此可能會(huì)導(dǎo)致1輛或多輛列車(chē)發(fā)生EB(緊急制動(dòng))，或因區(qū)域網(wǎng)絡(luò)失效導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)模式降級(jí)等情況的發(fā)生，最終導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行晚點(diǎn)、運(yùn)輸效率下降。發(fā)生嚴(yán)重的車(chē)地?zé)o線通信故障時(shí)，不僅僅會(huì)影響城市軌道交通系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)，甚至可能威脅到乘客的人身財(cái)產(chǎn)安全。本文提出建立雙制式車(chē)地通信系統(tǒng)的方案，以保證城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)能穩(wěn)定、安全、高效地運(yùn)行。

2 車(chē)地通信系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀

車(chē)地通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要是通過(guò)設(shè)置在軌道旁的大量無(wú)線接入點(diǎn)與車(chē)輛上的車(chē)載無(wú)線單元設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。無(wú)線通信的故障主要集中為信號(hào)數(shù)據(jù)的丟包問(wèn)題、延時(shí)瓶頸問(wèn)題及信號(hào)干擾問(wèn)題。

現(xiàn)階段上海城市軌道交通的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用共用的2.4 GHz及1.8 GHz頻段。2.4 GHz頻段屬于非授權(quán)頻段，由于終端智能技術(shù)的發(fā)展及同頻無(wú)線產(chǎn)品的大量使用，壓縮了CBTC車(chē)地通信系統(tǒng)的使用空間，對(duì)CBTC系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成了很大的影響。為了確保CBTC系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，上海城市軌道交通在近階段信號(hào)系統(tǒng)大修改造的5號(hào)線、新建的15號(hào)線和18號(hào)線、在建的14號(hào)線均采用了1.8 GHz通信LTE (長(zhǎng)期演進(jìn))系統(tǒng)，用以承載CBTC的無(wú)線通信業(yè)務(wù)。正在改造的上海軌道交通2號(hào)線，其新增CBTC系統(tǒng)的無(wú)線通信也采用了1.8 GHz的LTE系統(tǒng)。現(xiàn)有車(chē)地通信系統(tǒng)無(wú)線制式的具體使用情況如表1所示。

表1 上海城市軌道交通車(chē)地通信無(wú)線制式的使用現(xiàn)狀

3 車(chē)地通信系統(tǒng)現(xiàn)有問(wèn)題分析

3.1 信號(hào)無(wú)線通信問(wèn)題分析

3.1.1 Wi-Fi(無(wú)線保真)的現(xiàn)有問(wèn)題

上海城市軌道交通線網(wǎng)的CBTC系統(tǒng)中，除了2號(hào)線、5號(hào)線、14號(hào)線、15號(hào)線、18號(hào)線外，其他線路的車(chē)地通信系統(tǒng)都是基于2.4 GHz頻段，并通過(guò)軌旁無(wú)線單元均勻分布在正線、車(chē)輛段、試車(chē)線中。隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展及普及，各種同頻用戶(hù)激增，城市軌道交通的外部干擾源日益復(fù)雜，各類(lèi)安全隱患也逐漸顯現(xiàn)。城市軌道交通使用Wi-Fi技術(shù)承載車(chē)地通信的無(wú)線業(yè)務(wù)，缺乏有效的抗干擾機(jī)制，容易受到外界的干擾，導(dǎo)致使用安全性降低。

此外，上海軌道交通線路6號(hào)線、7號(hào)線、8號(hào)線、9號(hào)線、11號(hào)線采用的第一代CBTC系統(tǒng)都基本達(dá)到了使用年限，部分電子器件的老化也導(dǎo)致無(wú)線通信的性能退化，且存在無(wú)線覆蓋能力降低、車(chē)載通信故障頻發(fā)等問(wèn)題，對(duì)這些線路的日常運(yùn)營(yíng)尤其對(duì)早晚高峰的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生了一定的影響。因此，這些線路車(chē)地通信的可靠性和可用性亟需提高。

3.1.2 LTE技術(shù)可能面臨的問(wèn)題

與Wi-Fi技術(shù)相比，LTE 技術(shù)有了非常大的改進(jìn)，特別是具有專(zhuān)用頻段、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)，在一定程度上緩解了外界對(duì)城市軌道交通信號(hào)無(wú)線通信的干擾。但是，移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線通信干擾仍難以避免。LTE無(wú)線通信面臨的干擾大致可分為系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)外干擾2部分，其中：系統(tǒng)內(nèi)干擾主要來(lái)自于同頻鄰區(qū)干擾，LTE系統(tǒng)一般會(huì)通過(guò)功控算法、IRC(干擾抑制合并)等技術(shù)來(lái)控制和消除外來(lái)干擾，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善的情況下，此類(lèi)干擾的影響不大；系統(tǒng)外干擾一般指來(lái)自于LTE系統(tǒng)外部的干擾。對(duì)于LTE來(lái)說(shuō)，1.8 GHz頻段的制約主要來(lái)自上海無(wú)線電管理委員會(huì)對(duì)無(wú)線資源上的分配。國(guó)家工業(yè)和信息化部〔2015〕65號(hào)《工業(yè)和信息化部關(guān)于重新發(fā)布1785-1805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》中明確，1.8 GHz頻段不僅可用于軌道交通，還可用于民航、電力、石油等行業(yè)，軌道交通使用1.8 GHz頻段中只有5 MHz為軌道交通地面、高架線路區(qū)間專(zhuān)用，其余15 MHz為行業(yè)共用頻段，由此可能會(huì)發(fā)生因附近如民航、電力、石油等其他行業(yè)系統(tǒng)較強(qiáng)同頻無(wú)線信號(hào)的干擾而引起城市軌道交通無(wú)線接收設(shè)備接收靈敏度降低的情況，最終導(dǎo)致無(wú)法解調(diào)信號(hào)，發(fā)生車(chē)地通信中斷。

另外，因?yàn)槭芟抻贚TE頻寬資源，LTE網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)帶寬通常比較小，無(wú)法將車(chē)輛CBTC系統(tǒng)日志、車(chē)輛狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到地面服務(wù)器。目前除了12號(hào)線、13號(hào)線、16號(hào)線使用Wi-Fi無(wú)線定時(shí)上傳外，其他線路仍采用人工進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制的方式。由于列車(chē)夜間集中停放在車(chē)輛基地，且隨著城市軌道交通智能運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，使得車(chē)載日志數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)及車(chē)載視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)大量增加，導(dǎo)致LTE單網(wǎng)無(wú)法承載大量的數(shù)據(jù)并發(fā)。

3.2 信號(hào)無(wú)線干擾的典型案例

本文給出1個(gè)車(chē)地通信受干擾的典型案例，用以說(shuō)明無(wú)線干擾對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。2020年7月1日，因受干擾信號(hào)影響，上海軌道交通9號(hào)線洞涇站—佘山站上下行區(qū)段突發(fā)車(chē)地通信故障，列車(chē)降級(jí)限速至20 km/h通過(guò)該區(qū)段，多列車(chē)出現(xiàn)迫?，F(xiàn)象。維護(hù)單位采用了重啟信號(hào)環(huán)網(wǎng)中無(wú)線AP (接入點(diǎn))板、重啟環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、插拔網(wǎng)線等方式，均無(wú)法解除該故障。對(duì)洞涇站的站臺(tái)、站廳、地面等多處進(jìn)行無(wú)線干擾測(cè)試后發(fā)現(xiàn)存在類(lèi)似高斯白噪聲干擾，該干擾嚴(yán)重影響了2.4 GHz無(wú)線頻段的通信質(zhì)量。后通過(guò)軌旁環(huán)網(wǎng)抓包分析和洞涇站的無(wú)線干擾測(cè)試，最終確定這次影響列車(chē)通信的故障根源為外部寬帶強(qiáng)干擾，致使洞涇站—佘山站上下行區(qū)段的列車(chē)通訊中斷，使列車(chē)在該區(qū)段無(wú)法正常運(yùn)行。該故障發(fā)生期間，9號(hào)線的徐家匯站、漕河涇開(kāi)發(fā)區(qū)站先后啟動(dòng)了三級(jí)客流應(yīng)對(duì)措施，故障共計(jì)造成5 min晚點(diǎn)13列次、清客15列次。

3.3 設(shè)備維護(hù)中面臨的問(wèn)題

無(wú)線通信技術(shù)正處于快速革新階段，從4G(第4代移動(dòng)通信技術(shù))的全面覆蓋、5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))的逐漸應(yīng)用到6G(第6代移動(dòng)通信技術(shù))的初步研究，歷時(shí)不滿(mǎn)10年，而且新一代制式的更新迭代周期明顯短于上一代的換代周期。但對(duì)于軌道交通行業(yè)而言，往往在線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后15年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間才進(jìn)入信號(hào)系統(tǒng)的大修改造階段。這15年的運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，可能會(huì)發(fā)生因建設(shè)時(shí)所使用的無(wú)線通信技術(shù)被淘汰而導(dǎo)致前代甚至是前前代無(wú)線通信設(shè)備停產(chǎn)停修、備品備件缺失的情況，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備的后續(xù)維護(hù)需求、因無(wú)備件更換而無(wú)法快速解決故障等問(wèn)題。

此外，由于上海城市軌道交通線網(wǎng)中不同線路所處的規(guī)劃與建設(shè)階段有所不同，10余條線路存在很多的通信制式問(wèn)題，也不利于后續(xù)通信系統(tǒng)的擴(kuò)展及線路間的互聯(lián)互通。

4 車(chē)地通信系統(tǒng)的建議方案

針對(duì)上文提到的幾個(gè)問(wèn)題，本文提出建立LTE-M和Wi-Fi雙制式車(chē)地通信系統(tǒng)的方案，即：針對(duì)車(chē)地通信建立2種無(wú)線制式的通信系統(tǒng)，以確保信號(hào)車(chē)地通信系統(tǒng)在至少有1個(gè)成熟穩(wěn)定的技術(shù)使用情況下，還有1個(gè)全新的技術(shù)模式作為冗余。雙制式的設(shè)計(jì)確保了單個(gè)無(wú)線系統(tǒng)在受到干擾發(fā)生故障時(shí)不會(huì)影響到另1個(gè)制式的無(wú)線系統(tǒng)。無(wú)論哪個(gè)制式的通信設(shè)備發(fā)生故障，理論上都不會(huì)導(dǎo)致通信的中斷或延時(shí)，因而不會(huì)影響整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而且，通過(guò)采用新技術(shù)，也解決了無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展快引起的相關(guān)問(wèn)題，保證在信號(hào)大修前該線在建設(shè)時(shí)所采用新的技術(shù)設(shè)備還未被淘汰，也不會(huì)面臨備品備件缺失的問(wèn)題。大修改造時(shí)，先對(duì)較舊制式的車(chē)地通信系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行更新改造，以減少大修改造期間的運(yùn)營(yíng)管理風(fēng)險(xiǎn)。

基于上海城市軌道交通的既有線網(wǎng)和新建線路的實(shí)際，本文將信號(hào)車(chē)地通信系統(tǒng)的雙制式方案分為更新改造及新線建設(shè)2部分進(jìn)行具體分析。

4.1 既有線路的更新改造方案

針對(duì)上?，F(xiàn)有的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)，其更新改造應(yīng)著重提升系統(tǒng)的可靠性及可實(shí)施性，并適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，滿(mǎn)足后續(xù)長(zhǎng)期高效運(yùn)營(yíng)的需求。車(chē)地通信系統(tǒng)的更新改造首先需要通過(guò)更換無(wú)線覆蓋的設(shè)備，消除同頻、臨頻干擾導(dǎo)致車(chē)地通信質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題。

對(duì)于采用Wi-Fi系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)地通信的線路，車(chē)地通信系統(tǒng)可以在保留原Wi-Fi系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)下，更換信號(hào)無(wú)線覆蓋設(shè)備，并增加1套LTE 車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)冗余配置，形成Wi-Fi系統(tǒng)和LTE-M系統(tǒng)共同組網(wǎng)的狀態(tài)。由此不僅可在大修改造期間保證設(shè)備不間斷運(yùn)營(yíng)及數(shù)據(jù)正常通信，還通過(guò)雙頻段組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了冗余，即使1個(gè)頻段的所有信道和帶寬都被干擾信號(hào)堵塞，另1個(gè)頻段仍然能夠維持正常的車(chē)地通信，從而降低車(chē)地通信通道的故障率，基本杜絕受同頻、臨頻干擾導(dǎo)致通信質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，在整體上提升了車(chē)地通信系統(tǒng)的可靠和可用性，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)的零干擾。

車(chē)地通信系統(tǒng)在保留既有CBTC 骨干網(wǎng)設(shè)備的同時(shí)，增加支持LTE-M車(chē)地通信的骨干網(wǎng)設(shè)備，并增設(shè)有線骨干網(wǎng)設(shè)備，確保線網(wǎng)的雙制式冗余狀態(tài)。如圖1所示，雙制式信號(hào)車(chē)地通信系統(tǒng)的設(shè)備包括適用于Wi-Fi與LTE-M的2套軌旁無(wú)線設(shè)備與車(chē)載，即RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元)、AP、OBRU(車(chē)載無(wú)線單元)。通過(guò)軌旁光纖骨干網(wǎng)鏈接車(chē)站、停車(chē)場(chǎng)/定修段、運(yùn)營(yíng)控制中心的網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)交換機(jī)。新的網(wǎng)絡(luò)將整體采用多重冗余網(wǎng)架構(gòu)，確保CBTC系統(tǒng)所有軌旁設(shè)備都與信號(hào)車(chē)地通信系統(tǒng)相連。新增無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，搭建LTE-M和Wi-Fi的雙無(wú)線架構(gòu)，使每列車(chē)均有4條無(wú)線鏈路和軌旁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最終形成冗余的車(chē)地通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

注：I/O——輸入/輸出。

4.2 新建線路的建設(shè)方案

對(duì)于新建線路的車(chē)地通信系統(tǒng)，建議采用最新的通過(guò)驗(yàn)證的系統(tǒng)和硬件，以全方位地提升系統(tǒng)的可靠性、可用性和可維護(hù)性。在目前的技術(shù)條件下，車(chē)地通信系統(tǒng)宜采用LTE-M和Wi-Fi雙冗余架構(gòu)綜合承載線路信號(hào)及通信專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)的多個(gè)業(yè)務(wù)，如CBTC系統(tǒng)、PIS(乘客信息系統(tǒng))、車(chē)載視頻監(jiān)控等，以進(jìn)一步控制工程建設(shè)成本。通過(guò)采用2套不同的通信制式，使之成為雙無(wú)線系統(tǒng)，各自獨(dú)立工作，從而達(dá)到2種制式之間的完全隔離且互為冗余。

隨著通信技術(shù)演進(jìn)，5G已在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬更大，傳輸時(shí)延更小，在海量物聯(lián)、信息傳遞可靠性、安全性等性能也有較大突破。5G的逐漸成熟，也使其在城市軌道交通中的應(yīng)用范圍有所拓寬，使用場(chǎng)景逐漸增加。近期上海城市軌道交通已考慮通過(guò)使用運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳輸CBTC車(chē)載系統(tǒng)日志、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到地面服務(wù)器的試驗(yàn)，后續(xù)將從基于5G的移動(dòng)視頻監(jiān)控及定位等方面入手，驗(yàn)證借助5G網(wǎng)絡(luò)作為信號(hào)數(shù)據(jù)通信傳輸通道的可行性。因此，鑒于現(xiàn)有2.4 GHz Wi-Fi使用的局限性，在5G成熟的條件下，后續(xù)新線的建設(shè)可以考慮采用LTE-M+5G的雙冗余架構(gòu)。新線車(chē)地通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和具體建造要求與更新改造線路基本一致，相較于更新改造線路，新線需要在新增LTE架構(gòu)的同時(shí)新建Wi-Fi或5G的架構(gòu)。

未來(lái)城市軌道交通無(wú)線傳輸將考慮采用更先進(jìn)的通信技術(shù)，其雙制式可進(jìn)一步向LTE-M+5G雙冗余推進(jìn)，甚至采用LTE-M+6G或5G+6G，以雙冗余的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

雙制式車(chē)地通信系統(tǒng)的使用，既可提升系統(tǒng)的應(yīng)用性、靈活性及互聯(lián)互通性，提高傳輸速率，增強(qiáng)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕部稍谝欢ǔ潭壬媳苊馐褂眯录夹g(shù)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。這種具備高可用性的雙制式無(wú)線通信系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)“純凈”的CBTC信號(hào)系統(tǒng)(即無(wú)需后備模式)，保障城市軌道交通的可靠運(yùn)營(yíng)。