信号CBTC系统不同车地通信制式无缝自动切换方法研究

0引言

基于无线通信的列车运行控制系统(CBTC)是当前城轨列控系统的主流控制方式,其采用的车地通信技术在快速发展中实现了不断演进。在轨道交通四网融合发展的背景下,新建线路与既有线路互联互通必将面临采用不同无线通信制式承载CBTC系统的新场景,如何实现在不同车地通信制式下信号系统的无缝切换成为亟待解决的关键问题^[1—2]。

根据延伸或改造工程建设需要,国内学者开展了相关研究和工程实践,采用的主要方法包括与既有线路车地通信采用相同制式^[3—4]、全线叠加双套车地通信设备、采用两套车载方案等^[5],但相关方法工程建设成本较高,大范围改造影响正线日常运营,因而并未有效解决技术不断进步过程中出现的新问题。而在变电站、测控专网等领域通过通信冗余协议 较好地解决了不同通信制式的兼容问题^[6—7],并获得了一定的应用。

鉴于此,本文首先根据不同车地通信承载CBTC 信号系统业务场景,针对性分析了当前新建线路主用的基于LTE的车地无线通信和既有线路采用的基于WLAN的车地无线通信系统架构的差异,提出了CBTC系统数据切换的需求,通过分析可实现无缝自动切换的通信协议,形成基于无缝冗余协议的信号车地通信系统组网方法和算法流程,可为工程实践提供支撑。

1CBTC系统不同车地通信切换需求分析

1.1 CBTC系统

CBTC系统(图1)以移动闭塞来控制在线列车运行间隔,通过实时测定的列车位置信息,根据电子地图和进路条件,考虑线路、车辆、临时限速、防护距离等参数实时计算并向列车进行移动授权,移动授权伴随列车前行而动态更新,摆脱了由地面信号按固定物理区段行车的限制。列车实时位置及相关数据传输保障的关键即在于车地传输通道。车地无线通信系统主要采用第四代移动通信长期演进(LTE—M)与无线局域网(WLAN)两种无线通信技术。

1.2 基于不同车地制式的CBTC系统架构

1.2.1基于WLAN的CBTC架构

基于WLAN的车地无线通信系统(图2)工作频段为2.4 GHz频段,开放性良好,双向传输数据量大,密度高。通过在轨道交通线路旁布设无线热点设备来实现数据传输,主要的通信介质包括波导管、漏缆等,车载设备由车载天线和对应的通信单元组成,采用双套冗余网络来提升网络服务质量和可靠性。

1.2.2基于LTE—M的CBTC架构

基于LTE—M的车地无线通信系统(图3)通常工作在1.8GHz频段,具有大容量、低延迟、覆盖强、高 速移动的优点[8],且相比于WLAN具有更好的抗干扰性,成为近年来主要的通信制式。该系统由核心网、基站系统和车载设备等组成,基站系统由基带单元(BBU)和射频单元(RRU)组成。

1.3自动切换需求分析

当前国内各拥有轨道交通的城市,在建线网已逐步成型,面临既有线路延伸或新建线路接入贯通的需求,新建线路采用多年前方案或实现既有线路的无线改造均存在较大不合理性,WLAN和LTE—M在同一场景下实现兼容或切换是其中的关键技术问题。实现列车在LTE—M与WLAN之间无缝切换需要满足以下需求:

1)低时延性。车地无线通信切换应满足信号系统信息传输端到端延迟时间不大于150 ms的要求,同时满足LTE—M和WLAN网络自身越区切换的技术时效性指标。

2)高可靠性。数据丢包率不大于1%,越区切换成功率不应小于99.92%。

3)操作简单易维护。设备结构应尽可能简单,能实现自动无缝切换过程,不影响和改变既有系统的稳定性,不增加系统故障点和维修成本。

2基于无缝冗余协议的双路CBTC系统切换方法

2.1 通信无缝冗余协议

通信领域较早实现了无缝冗余的通信功能协议,其主要应用于通信链路连接故障时,不需要进行新的通信配置,即可实现通信。国际电工委员会2016年发布的IEC 62439—3中并行冗余(PRP)协议和高可用性无缝冗余(HSR)协议均可实现无缝冗余。

PRP通过在数据链路层中组成终端设备的冗余节点实现数据传输中链路发生变化情况下数据的安全、正常通信过程,可以在不中断、无延时状态下完成无线通信切换过程。该协议工作在数据链路层,对上层透明,适用性强,其网络架构如图4所示。

基于PRP的局域网采用线性并行运行的拓扑结构,收发设备通过节点链DANP实现冗余。其中DANP 节点链将从上层接收到的经过编码的通信数据帧分别下发向两个端口,数据帧经过两个互相独立的链路后传送给接收端,接收的节点链将先接收到的数据帧经处理解译后发给上层协议,同时弃用后续收到的另一路数据帧,从而实现传输通道的无缝冗余管理过程。

HSR协议冗余环网可以看作是将PRP从不同的方向连接后建立起了一个环型的拓扑结构,如图5所示。HSR协议的终端设备节点通过节点链DANH进行环路数据传输,通过双向的节点链环路实现冗余。而 DANH与DANP在数据处理的流程上相似,均可通过多路广播和虚拟的局域网技术来保证传输质量。

经对比,信号CBTC系统在一定范围内实现不同车地通信网络间切换场景过程及无线通道传输特性更契合PRP网络特征,且组网架构更简单,在同等场景下有助于减少组网过程节点,减少系统故障点。

2.2双路CBTC系统场景下车地无缝冗余组网方法

根据CBTC信号系统的典型特征和组网方式,结合PRP协议的结构特性,为解决双路不同车地通信制式场景下的车地无线通信传输问题,在原组网结构中通过PRP节点设备承担原有系统架构下数据链路层的通信过程,对上层协议透明,不会改变已成熟的信号系统车地通信冗余通道的网络架构。双路车地通信冗余组网方案如图6所示。

在综合考虑组网成本和组网可靠性的场景下,可尝试使用该组网方案。从网络结构可以看出,在原车地传输通道的基础上,该组网方案通过将需要传递的数据报文经轨旁路由分别转发给对应的冗余网PRP设备,由PRP设备做协议封装后分别发送给LTE和 WLAN无线传输系统通道,LTE和WLAN无线设备的发送及接收设备按照互相独立的数据传输方式完成车地数据的传递。列车车载设备收到数据后经PRP设备按照先到先取的原则进行使用,后到的数据则被丢弃。车载向地面轨旁传递数据与上相同。

3基于无缝冗余协议的车地通信信息模型

在列车运行过程中,车地交互的主要信息流包括列车的定位和移动授权等。一般通过轨旁信号应答器提供线路的参数数据,结合列车所装备的设备融合速度传感器及雷达测速模块数据累加计算共同得到列车的定位信息。同时,结合前行列车与地面的数据交互来确定前车的实际位置,并判断列车前方的安全空闲区段。经过计算后,由列车车载设备(VOBC)向信号轨旁的区域控制器(ZC)发送列车的位置数据信息,ZC综合计算前方列车进路、前车位置以及其他障碍物等信息得出移动授权,并通过车地无线通信向车载设备(VOBC)传达移动授权信息。

根据以上过程,形成基于无缝冗余协议的车地通信数据算法流程如图7所示。

以车地通道下传CBTC移动授权数据过程为例,其主要流程包括:

1)轨旁区域控制器向列车下达移动授权数据至带有PRP协议的路由设备,路由设备编码形成PRP数据报文。

2)轨旁PRP设备复制数据报文,并将数据报文分别通过WLAN和LTE链路进行同步发送。

3)车载WLAN和LTE链路接收天线分别接收数据报文,通过两条链路送至车载PRP设备。

4)通过车载PRP监视机制判断该报文是否已接收。未接收,则接收该报文并更新节点链;已接收,则转移该报文至中转栈并在下个循环前丢弃。

5)监测并判断网络通道状态。网络有故障,则故障报警,并请求再发数据报文;网络无故障则去除封装协议,发送数据经上层协议至设备终端处置。

4 工程验证

本文主要技术方案在无锡至江阴城际轨道交通 工程项目进行了性能测试及工程验证。无锡至江阴城际轨道交通工程项目与既有无锡地铁1号线工程贯通运营,其中新建段多为120 km/h高架区段,车地无线通信链路选用1.8 GHz频段的LTE—M车地通信制式,既有无锡地铁1号线多为80 km/h线路,原采用 2.4 GHz频段的WLAN车地通信制式。为满足贯通运营需求,需实现在接轨区段的无线无缝切换过程。

通过实验室测试和试验线测试后,在无锡至江阴城际轨道交通工程马镇站进行了系统性能测试和验证。如图8所示,经测试验证, 采用该方案的车地通信数据丢包率小于1%,端到端传输平均延迟时间小于30 ms,满足技术标准要求,可以实现WLAN与LTE车地通道无缝切换,保证通道上承载的CBTC信息安全、可靠传输。

5结论

针对既有线路延伸或新建线路接入线网车地通信不同的场景,通过基于无缝冗余协议的组网方法及设备,结合双链路冗余数据算法流程,能较为有效地实现承载信号CBTC系统的不同车地通信数据无缝切换,且具有较好的通信服务质量和实时性。无缝冗余通信协议工作于数据链路层,适用性不限于WLAN与LTE的通信制式,后续可进一步开展5G公专网应用承载场景下的工程验证,为四网融合背景下完善车地通信系统技术提供支撑。

[参考文献]

[1]刘烈锋,陆帅,姜玲超.市域铁路与已建地铁贯通运营技术研究[J].铁道工程学报,2022,39(8):93—97.

[2] 吕文龙,韩臻,麻吉泉.轨道交通“三网融合”跨线运行的方案分析[J]. 自动化仪表,2022,43(7):61—66.

[3] 罗建强.地铁延伸线信号CBTC系统无缝接入运营线路解决方案[J].铁道通信信号,2015,51(3):82—85.

[4] 陈晓伟.机场线与西安地铁14号线互联互通的研究[J].铁道运营技术,2019,25(2):9—10.

[5] 王卫权,李义丹,施莉娟,等.CBTC与CTCS—2系统互联互通技术方案研究[J].城市轨道交通研究,2023,26 (12):266—270.

[6]许丹莉,文继锋,付艳兰,等.基于无缝冗余协议的智能变电站通信组网方式[J].广东电力,2017,30(12):75—80.

[7]邢锐锋,唐建.PRP协议在实时测控专网中的初步应用[J].兵工自动化,2023,42(2):27—31.

[8]顾蔡君.LTE技术在城市轨道交通车地通信中的应用[J].铁路通信信号工程技术,2018,15(3):51—56.

2024年第11期第3篇