轨道交通自动运行线路无线通信系统技术探讨

摘要：城市轨道交通车地无线通信系统需要结合通信技术的发展，匹配全新的运营场景需求，完成全自动相关的系统架构和业务功能演进。以上海轨道交通10号线、15号线两条全自动运行线路为例，通过比较不同时期上海轨道交通全自动运行线路的需求变化，分析全自动运行模式下车地无线通信的制式架构和业务功能演进，提出基于LTE无线宽带技术的综合承载是今后全自动运行线路车地通信的优先选择。

关键词：轨道交通全自动运行无线通信宽带技术乘客紧急呼叫

全自动运行系统是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术，实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统，旨在实现全自动化、无人干预的运营模式，是衡量城市轨道交通系统可靠性、安全性、可用性、可维护性(RAMS)先进水平的标尺，也是未来城市轨道交通技术发展的方向。

作为支撑全自动运行的核心子系统，车地无线通信系统的可靠性、安全性、可用性、可维护性与系统的长期安全稳定运行紧密相关。随着轨道交通多条全自动运行线路的开通，运营场景变化引起的需求也在不断地变更，如何把这些新增需求与车地通信系统的技术演进相融合则是全自动运行线路后续运营亟待研究的问题。

1轨道交通车地无线通信业务和架构

全自动运行的车地无线通信网络主要包含列控信息、集群调度业务(含乘客紧急呼叫IPH)、列车PIS紧急文本、车载实时监视及列车实时状态检测4类业务，受制于通信技术的发展，以往轨道交通往往需要同时建设多张独立的车地通信网络来支撑这些业务。

以国内第一条重载全自动运行线路的上海轨道交通10号线(下称“10号线”)为例，线路借鉴新加坡东北线的建设模式，车地通信网络为多个相互独立的网络，信号系统采用2.4G频段WLAN网络承载列控信息，通信系统采用5.8G频段WLAN网络承载PIS媒体流及车载视频监视业务，语音调度和PIS文本信息下发则采用双中心的800兆TETRA集群网络。

通过对10号线实际应用的大致分析，得到早期全自动运行线路车地无线网络承载的业务和带宽的基础需求，见表1。

2全自动运行车地无线通信的新需求

上海轨道交通在10号线一期开通后，通过全自动运营场景应用的长期实战和演练，对车地无线网络的系统制式架构、承载业务、接口功能完善提出了进一步的需求，主要体现在以下几个方面。

2.1RAMS需求系统制式和架构变化

轨道交通RAMS(可靠性、安全性、可用性、可维护性)是全自动运行实现长期运营、维修活动、系统稳定和线路安全的主要衡量指标，是全自动运行建设的核心依据。

首先，从系统的可靠性角度而言，车地无线网络应采用冗余的架构模式建设，承载的重要业务应有冗余备份。采用WLAN+TETRA分别承载和LTE综合承载的方式均可实现车地无线通信业务的需求，前者网络架构复杂，设备数量众多。后者为扁平化的网络架构，高可靠性的无损切换和快速及时的无缝切换，以及基于非竞争的快速随机接入，确保越区切换时延小于100ms，丢包率小于1%，单小区的覆盖范围可达1.2km，网元节点设备数量远少于前者，有效节约建设成本的同时也利于系统整体可靠性的提升。因此，集成度高、QoS保障机制完善的LTE架构相对于WLAN架构优势明显。

其次，从系统的安全性角度而言，车地无线网络宜采用专有频段建设，避免公共频段干扰。WLAN制式的车地无线网络抗干扰能力较弱，尤其对于高速运行的列车而言，因轨旁设备数量众多，越区切换频繁，如干扰源恰好处于切换点时，对于WLAN承载业务的干扰影响较为明显。LTE系统的抗干扰设计，通过多种技术手段和算法将干扰控制到最低来保证整体网络环境，有效降低网络整体干扰水平。因此，出于安全性的考虑，全自动运行承载CBTC列控业务的车地无线网络宜采用专用频段建设、抗干扰能力出众的LTE技术制式网络架构。

第三，从系统的可用性角度而言，WLAN+TETRA的车地网络架构和LTE的车地网络架构技术已日趋成熟，均可满足承载的各类业务的基本需求。但随着全自动运行场景应用的逐步丰富，集群调度采用窄带车地通信的架构已越来越难以满足全自动运营的需求，控制中心调度员在使用集群调度网络时不仅要“听得到”，还要“看得见、看得清”，因此LTE技术制式车地网络架构更符合全自动运行的集群调度场景应用。

另外，从系统的维护性角度而言，WLAN+TETRA的车地网络架构因采用不同车地网络分别承载业务的网络架构，系统复杂，轨旁设备密集，故障点多，维护困难。LTE技术制式车地网络可以实现综合承载，所有业务和设备集中在一个网络内集中管理，大大降低了运营维护的成本。

2.2承载业务需求带宽变化

对车地网络承载业务的逐步演进而言，需求的变化主要集中在集群调度指挥业务的语音图像同步、车载实时视频监视的画质改善以及列车状态实时监测这三类业务。大体的需求变化如表2所示。

从需求变化看，TETRA制式的纯语音调度业务已无法满足全自动的场景功能需求，WLAN制式的车载实时视频监视也很难达到列车高速运行的稳定性可靠性需求。LTE技术的车地无线业务在高速移动状态下接入性能更好，业务带宽也可以同步满足集群调度和车载视频的需求。这对于全自动运行线路则是更好的选择。

以15号线为例，采用LTE技术的车地无线网络是冗余备份的A、B双网架构，网络带宽既满足了全自动新增的带宽需求，也为将来新的场景应用预留了带宽增加的余量。地无线网络冗余备份的A、B双网架构见表3。

2.3接口功能的新需求

2.3.1乘客紧急呼叫(IPH)的需求变化

全自动运行线路的列车运行模式用高度自动化控制系统替代了传统列车司机的操作，司机职能改由自动化设备和控制中心分担，控制中心除了完成常规的调度指挥任务以外，还需对各类应急故障场景做出快速准确的判断及响应。

随着上海轨道交通全自动运行线路运营的深入，为保障列车的安全可靠运行，车地网络集群调度业务除了增加调度与乘客的紧急呼叫功能外，还应尽可能地将正在进行IPH呼叫的乘客正面实时画面传输至控制中心，用以辅助调度员的判断，因此传统的窄带调度集群系统已逐渐无法胜任，采用高带宽的车地网络并分配合适的带宽也成为全自动运行新的需求。

以往的TETRA系统仅能提供IPH紧急呼叫功能的基础话音需求部分，联动视频监控业务传送只能通过另外的车地无线网络进行传输，单个功能双网传输的方式容易造成语音和图像不同步、匹配度差等问题。采用增加集群调度指挥的带宽配置，增加正面摄像头将乘客语音及视频同步传输至中心调度侧，满足调度员对全自动运行故障应急场景的准确响应需求，从而解决以往线路乘客语音与视频经由不同网络传输引起的数据不同步问题。基于LTE的宽带无线集群将此功能整合为系统内的单体功能，更贴合运营场景的需求和维护的便利。

2.3.2场景联动接口功能的新需求

全自动运行相对于普通线路的一个重要变化在于系统间的接口联动功能大幅度的增加，自动化系统承接了许多以往列车司机的规程操作。为让调度员准确清晰地了解到正线列车的运行状况，尤其是故障应急场景下的一些设备状态和功能实现，车地无线网络需要把更多的接口联动功能准确地传递至控制中心侧，以目前上海2条全自动线路为例，接口联动功能变化见表4。

3上海轨道交通15号线全自动运行的演进

结合RAMS要求，承载业务变化及接口联动功能的新需求，上海轨道交通在10号线一期开通运营多年后，从全自动运营的场景出发，将这些变化运用于15号线全自动运行线路中，整合多个车地无线网络，统一采用了LTE技术双网综合承载业务的方式建设了车地无线网络。15号线利用LTE车地网络高带宽及灵活的组网架构，开展了进一步的终端应用上的尝试，如集群调度的图形化调度界面视频回传和分发、结合运营模式的电子工单派发和接收等。

4结语

对比不同时期两条全自动运行线路车地无线系统的需求及架构变化，采用LTE技术的车地无线网络无疑更贴合将来愈加丰富的轨道交通运营场景应用;同时，LTE综合承载在全自动运行线路上的摸索还在起步阶段，如何挖掘出宽带集群系统新的应用亮点来匹配日益更新的运营场景需求，也将成为后续线路建设的一个全新课题。