广州地铁移动闭塞信号系统车地传输方式简析
时间：2022-05-29 01:48:17
目前，在广州市轨道交通共开通9条线路，其信号系统类型涵盖了准移动闭塞和移动闭塞系统，都配备了列车自动防护系统（ATC），而移动闭塞作为广州地铁信号系统的主流模式，已经在广州广佛线、APM线、三号线、三北线、四号线、五号线、六号线进行使用。
自动保护系统（ATP）作为ATC系统的一部分 ，是用以防止列车超速，相撞及其他因列车行驶时可能出现的危险情况。车地传输系统作为列车自动防护ATP系统重要组成部分，起作用是连接轨旁ATP设备与车载ATP设备，保证ATP设备间安全信息的稳定安全传输。
1 西门子Trainguard MT系统-无线天线技术
广州市轨道交通四、五、广佛线采用的是西门子Trainguard MT系统，其车地传输方式为自由无线方式，轨旁发送和接收传感器终端为轨旁AP以及与之相连接的轨旁高增益定向天线，列车发送和接收传感器终端为列车车载天线。如图1所示。
列车通过安装在车顶的车载天线接收轨旁控制器单元、ATS 等发送给无线AP的状态信息和控制命令，并将这些信息送至车载ATP/ATO系统进行运算处理，控制列车运行；同时车载ATP/ATO系统将列车的运行状况和定位信息等实时通过车载天线发送给无线AP，反馈给轨旁设备和ATS，以实现列车信息的实时更新。
（1）采用DSSS直接序列展频技术，DSSS通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，采用此方法，与一位信息相关的传输能量在载波的22MHZ带宽上分布，只要确保信噪比余量，就不会影响到数据传输。
（2）通过采用定向天线等方法提高信号覆盖率而有效地抑制此影响，使用定向天线，将信号现定于需要区域，降低高功率非标准发射器对使用中的频带的无意或有意占用。且车载和轨旁的定向天线只允许在辐射方向内的通信。此外，列车自身将车头天线和车尾天线的通信分隔起来。因此，即使在有干扰的情况下，也总有一个上下行通路不受到干扰源的影响。
（3）此系统在结构层上按照完全冗余进行设计，如轨旁一个AP箱一块计算机板上包含两件无线网卡，两个电源模块。在系统设计中，冗余概念应用在系统的所有层上，包括“空气中”的信号路径。
（4）同样的信息被传输了几次，在几次传输之间具有一定的延时。这是为了增加“至少有一次信息在足够低的噪声电平下成功传输”的可能性。如果传输丢失或者发生延时，此系统自动地重新传输数据，这样就有效地产生了时间多样性。这是为了避免了由传统方式所导致的显著的带宽损失。
轨旁天线的安排使每个AP（接入点）使用相同的无线频率服务于各自所在轨道的两个方向。轨道沿线频率通常遵循一个固定的序列，如果可用的话，通常使用三个不同的WLAN频率和一个备用频率，这个备用频率用于拓扑结构复杂的特定的情形，不同频率的覆盖区域安排为具有明显的重叠，以提高健壮性，而相同频率的覆盖区域被清楚地彼此分离开来，以避免叠加影响和相应的噪音。
在地下隧道较多的情况下，无线传输系统工作在隧道内较为稳定的工作环境下，故障率较低，而在高架段较多的情况下，外部自然环境和人为干扰较大，在部分极端环境下，易造成无线系统故障，从而导致列车发生紧急制动。
2 卡斯柯URBALIS888系统-漏隙波导管技术
广州市轨道交通六号线使用卡斯柯信号有限公司URBALIS888信号系统，采用漏隙波导管作为持续的无线覆盖解决方案，其可靠性采用冗余架构实现，使用的无线传输技术是运行在2.4GHz的IEEE802.11g协议，其传输方式为轨旁TRE通过连接的漏隙波导管发送无线信号，车载DCS天线在波导管上方30CM-40CM地方接收无线信号，通过滤波器和车载moden连接至车载CC单元。
车载调整解调器和沿线的无线接入点之间的交接主要分为三个阶段，其原则如下：
检测交接需要、扫描中发现新的接入点、连接到新的接入点。在完整的交接过程中，在连接阶段，包括授权和连接的交换在扫描过程中实现和在合适的时间决定开始交接。为了达到交接性能，要求检测交接和扫描更精确。
2.1 检测阶段
检测阶段是一个后台任务（不影响用户数据的传输），当连接到AP时，移动的无线基站将一直在该区域并监督连接质量。如果以下条件满足，将进入扫描和连接阶段：当前AP接收信号强度（RSSI）低于临界值、当前AP的无线Beacons丢失、收到一个新AP的无线Beacons 、当前AP的误包率超过临界值。
2.2 扫描阶段
该阶段主要指搜索新的AP ，在指定的时间周期，移动的无线基站将扫描AP通道列表中的通道。在扫描时，该无线基站将保持与当前AP的连接根据特定的情况，将采用两种类型的扫描：主动扫描和被动扫描。
2.3 连接阶段
该阶段主要为连接，取消授权，授权，连接到新的AP这四个步骤。
在检测到交接需求和发现一个可用的新AP后，移动无线基站首先将从老AP中退出，然后连接到新AP。根据交接检测标准，扫描阶段是可以忽略的，直接进入连接阶段。
在退出AP时，移动的无线基站将发送一个取消授权的指令给无线接入点。然后移动的无线基站执行对新AP点的授权，授权协议是基于共享密钥认证机制，在AP和移动无线基站之间交换4次信息
最后，移动无线基站必须连接到新的AP，在收到新AP的成功连接的回执信息后，该连接建立并用于交换用户数据。
卡斯柯无线子系统的无线接入点（APs）提供802.11接入点无线LAN服务。不管列车在那个位置，都将提供两个无线LAN接入（“红网”或“蓝网”），保证无线APs在物理上保持冗余，同时DCS系统使用运行在2.4GHz的IEEE802.11g协议，列车在无线moden和车载天线之间将使用窄带滤波设备，并使用互不干扰的频点，并更改了的车载moden配置，减少其余2.4GHz设备对无线DCS传输系统造成影响，避免列车因干扰而造成的信道切换。漏隙波导管单面开口的物理特性，保证了波导管至车载DCS天线的局部信号强度。
3 泰雷兹SelTrac S40-感应环线技术
广州市轨道交通三号线采用的是加拿大泰雷兹的感应环线方式进行车-地双向通信。交叉感应环线传输方式特性好，抗干扰好，但是传输设备为单网传输，无物理上的冗余设置，传输速率较低，但是能满足移动闭塞对数据量的需求。
通过感应环进行传输的数据带有冗余校验位，以确保拒绝接收被电磁干扰的数据。通过对所有运输安全性信息的数据传输进行循环冗余校验（CRC）可实现该功能。传送的数据会得到周期性地更新。从VCC传送到VOBC和STC的命令将在每个新电文中得到更新或确认。
对于接收到的信息，将做合理性和持续一致性检查，子系统会根据以前的电报、物理规则以及设计限制所期望的信息来检验收到的数据。精确的位置参数是通过感应环交叉信息来建立的，感应环交叉点之间的位置则由车轴上附带的转速计来确定，这样通过转速计和环路交叉相结合的方式建立列车位置信息。
环路电缆可持续探测列车占用和空闲状态；列车定位的分辨率为6.25m。对列车是否被占用的探测是安全的和可靠的，符合“故障-安全”原则的要求。环路电缆和VOBC之间可实现双向数据传输，信息的传送是安全和可靠的。
但是对于感应环线其安装和维护要求较高，感应环线作为全线铺设设备，其环线电缆下垂不能超过75mm，若超过此范围必须拉直，同时，每季度必须测量室内环线馈电设备的电气参数，避免其超出工作范围，同时在日常运营中，一旦感应环线出现数据通信故障即环线电缆断裂或者通信中断3S以上，就会造成该环线区域内所有列车的紧制，该区域外的列车也无法以自动驾驶进入该区域。
4 总结
现今，大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的信息传输，即基于通信的列车控制系统（CBTC）。而选择好的车-地传输方式会对系统稳定性、可用性、性价比等产生影响。
对比三种传输方式，可以针对不同的传输环境进行使用：无线天线特点为安装简单灵活、易维护、成本相对较低，但易受干扰；漏隙波导管的特点为安装要求较高，易维护、成本较高、传输稳定；感应环线则的特点则为安装要求高、成本和维护量高、传输稳定。
参考文献
[1]李晋，付嵩.CBTC无线传输方式性能分析及现场测试[J].现代城市轨道交通，2011（03）.
[2]邓俊.广州地铁CBTC信号系统车-地通信传输方式的分析比较[J].铁道通信信号，2011（11）.
作者单位
广州市地下铁道总公司 广东省广州市 510310【关键词】移动闭塞 信号系统 传输方式
自动保护系统（ATP）作为ATC系统的一部分 ，是用以防止列车超速，相撞及其他因列车行驶时可能出现的危险情况。车地传输系统作为列车自动防护ATP系统重要组成部分，起作用是连接轨旁ATP设备与车载ATP设备，保证ATP设备间安全信息的稳定安全传输。
1 西门子Trainguard MT系统-无线天线技术
广州市轨道交通四、五、广佛线采用的是西门子Trainguard MT系统，其车地传输方式为自由无线方式，轨旁发送和接收传感器终端为轨旁AP以及与之相连接的轨旁高增益定向天线，列车发送和接收传感器终端为列车车载天线。如图1所示。
列车通过安装在车顶的车载天线接收轨旁控制器单元、ATS 等发送给无线AP的状态信息和控制命令，并将这些信息送至车载ATP/ATO系统进行运算处理，控制列车运行；同时车载ATP/ATO系统将列车的运行状况和定位信息等实时通过车载天线发送给无线AP，反馈给轨旁设备和ATS，以实现列车信息的实时更新。
（1）采用DSSS直接序列展频技术，DSSS通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。直接序列扩频技术在军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，采用此方法，与一位信息相关的传输能量在载波的22MHZ带宽上分布，只要确保信噪比余量，就不会影响到数据传输。
（2）通过采用定向天线等方法提高信号覆盖率而有效地抑制此影响，使用定向天线，将信号现定于需要区域，降低高功率非标准发射器对使用中的频带的无意或有意占用。且车载和轨旁的定向天线只允许在辐射方向内的通信。此外，列车自身将车头天线和车尾天线的通信分隔起来。因此，即使在有干扰的情况下，也总有一个上下行通路不受到干扰源的影响。
（3）此系统在结构层上按照完全冗余进行设计，如轨旁一个AP箱一块计算机板上包含两件无线网卡，两个电源模块。在系统设计中，冗余概念应用在系统的所有层上，包括“空气中”的信号路径。
（4）同样的信息被传输了几次，在几次传输之间具有一定的延时。这是为了增加“至少有一次信息在足够低的噪声电平下成功传输”的可能性。如果传输丢失或者发生延时，此系统自动地重新传输数据，这样就有效地产生了时间多样性。这是为了避免了由传统方式所导致的显著的带宽损失。
轨旁天线的安排使每个AP（接入点）使用相同的无线频率服务于各自所在轨道的两个方向。轨道沿线频率通常遵循一个固定的序列，如果可用的话，通常使用三个不同的WLAN频率和一个备用频率，这个备用频率用于拓扑结构复杂的特定的情形，不同频率的覆盖区域安排为具有明显的重叠，以提高健壮性，而相同频率的覆盖区域被清楚地彼此分离开来，以避免叠加影响和相应的噪音。
在地下隧道较多的情况下，无线传输系统工作在隧道内较为稳定的工作环境下，故障率较低，而在高架段较多的情况下，外部自然环境和人为干扰较大，在部分极端环境下，易造成无线系统故障，从而导致列车发生紧急制动。
2 卡斯柯URBALIS888系统-漏隙波导管技术
广州市轨道交通六号线使用卡斯柯信号有限公司URBALIS888信号系统，采用漏隙波导管作为持续的无线覆盖解决方案，其可靠性采用冗余架构实现，使用的无线传输技术是运行在2.4GHz的IEEE802.11g协议，其传输方式为轨旁TRE通过连接的漏隙波导管发送无线信号，车载DCS天线在波导管上方30CM-40CM地方接收无线信号，通过滤波器和车载moden连接至车载CC单元。
车载调整解调器和沿线的无线接入点之间的交接主要分为三个阶段，其原则如下：
检测交接需要、扫描中发现新的接入点、连接到新的接入点。在完整的交接过程中，在连接阶段，包括授权和连接的交换在扫描过程中实现和在合适的时间决定开始交接。为了达到交接性能，要求检测交接和扫描更精确。
2.1 检测阶段
检测阶段是一个后台任务（不影响用户数据的传输），当连接到AP时，移动的无线基站将一直在该区域并监督连接质量。如果以下条件满足，将进入扫描和连接阶段：当前AP接收信号强度（RSSI）低于临界值、当前AP的无线Beacons丢失、收到一个新AP的无线Beacons 、当前AP的误包率超过临界值。
2.2 扫描阶段
该阶段主要指搜索新的AP ，在指定的时间周期，移动的无线基站将扫描AP通道列表中的通道。在扫描时，该无线基站将保持与当前AP的连接根据特定的情况，将采用两种类型的扫描：主动扫描和被动扫描。
2.3 连接阶段
该阶段主要为连接，取消授权，授权，连接到新的AP这四个步骤。
在检测到交接需求和发现一个可用的新AP后，移动无线基站首先将从老AP中退出，然后连接到新AP。根据交接检测标准，扫描阶段是可以忽略的，直接进入连接阶段。
在退出AP时，移动的无线基站将发送一个取消授权的指令给无线接入点。然后移动的无线基站执行对新AP点的授权，授权协议是基于共享密钥认证机制，在AP和移动无线基站之间交换4次信息
最后，移动无线基站必须连接到新的AP，在收到新AP的成功连接的回执信息后，该连接建立并用于交换用户数据。
卡斯柯无线子系统的无线接入点（APs）提供802.11接入点无线LAN服务。不管列车在那个位置，都将提供两个无线LAN接入（“红网”或“蓝网”），保证无线APs在物理上保持冗余，同时DCS系统使用运行在2.4GHz的IEEE802.11g协议，列车在无线moden和车载天线之间将使用窄带滤波设备，并使用互不干扰的频点，并更改了的车载moden配置，减少其余2.4GHz设备对无线DCS传输系统造成影响，避免列车因干扰而造成的信道切换。漏隙波导管单面开口的物理特性，保证了波导管至车载DCS天线的局部信号强度。
3 泰雷兹SelTrac S40-感应环线技术
广州市轨道交通三号线采用的是加拿大泰雷兹的感应环线方式进行车-地双向通信。交叉感应环线传输方式特性好，抗干扰好，但是传输设备为单网传输，无物理上的冗余设置，传输速率较低，但是能满足移动闭塞对数据量的需求。
通过感应环进行传输的数据带有冗余校验位，以确保拒绝接收被电磁干扰的数据。通过对所有运输安全性信息的数据传输进行循环冗余校验（CRC）可实现该功能。传送的数据会得到周期性地更新。从VCC传送到VOBC和STC的命令将在每个新电文中得到更新或确认。
对于接收到的信息，将做合理性和持续一致性检查，子系统会根据以前的电报、物理规则以及设计限制所期望的信息来检验收到的数据。精确的位置参数是通过感应环交叉信息来建立的，感应环交叉点之间的位置则由车轴上附带的转速计来确定，这样通过转速计和环路交叉相结合的方式建立列车位置信息。
环路电缆可持续探测列车占用和空闲状态；列车定位的分辨率为6.25m。对列车是否被占用的探测是安全的和可靠的，符合“故障-安全”原则的要求。环路电缆和VOBC之间可实现双向数据传输，信息的传送是安全和可靠的。
但是对于感应环线其安装和维护要求较高，感应环线作为全线铺设设备，其环线电缆下垂不能超过75mm，若超过此范围必须拉直，同时，每季度必须测量室内环线馈电设备的电气参数，避免其超出工作范围，同时在日常运营中，一旦感应环线出现数据通信故障即环线电缆断裂或者通信中断3S以上，就会造成该环线区域内所有列车的紧制，该区域外的列车也无法以自动驾驶进入该区域。
4 总结
现今，大多数先进的移动闭塞系统已采用无线通信系统实现各子系统间的信息传输，即基于通信的列车控制系统（CBTC）。而选择好的车-地传输方式会对系统稳定性、可用性、性价比等产生影响。
对比三种传输方式，可以针对不同的传输环境进行使用：无线天线特点为安装简单灵活、易维护、成本相对较低，但易受干扰；漏隙波导管的特点为安装要求较高，易维护、成本较高、传输稳定；感应环线则的特点则为安装要求高、成本和维护量高、传输稳定。
参考文献
[1]李晋，付嵩.CBTC无线传输方式性能分析及现场测试[J].现代城市轨道交通，2011（03）.
[2]邓俊.广州地铁CBTC信号系统车-地通信传输方式的分析比较[J].铁道通信信号，2011（11）.
作者单位
广州市地下铁道总公司 广东省广州市 510310
