地铁CBTC信号系统DCS子系统的设计与研究

摘 要

随着我国城市社会经济的发展和城市化进程的加快，不少一二线城市交通拥堵状况日益严重，交通出行的供需矛盾也日益突出。城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，在缓解城市交通压力中起着举足轻重的作用。
CBTC (Communications Based Train Control)系统是一个安全的，具有高可靠性、高稳定性的基于无线通信的列车自动控制系统。不再依靠传统的轨道电路向车载设备传达信息，而是利用现代通信技术来实现车地双向通信实时传达列车定位控制信息，可大大缩短行车间隔，提高行车速度和运输效率。
数据通信系统（Data Communications System, DCS）提供了CBTC系统内各子系统间，以及控制中心、车辆段、停车场、沿线车站和车地设备间的双向、可靠、安全的数据交换，是CBTC系统中的传输神经。
论文首先介绍选题的背景和意义，结合国内外研究现状，阐述DCS系统对于CBTC系统的重要性，提出我国正迫切的对CBTC各系统包括DCS系统进行关键技术研究和国产化改造的现实意义。设计研究DCS系统骨干环网和接入网的解决方案。车地无线双向通信是DCS系统的关键技术，分析主流无线通信技术和无线传输媒介应用的优缺点，提出适合地铁实际情况的WLAN技术无线解决方案。DCS系统安全也是本文的研究重点，分析列举了DCS系统中存在的安全威胁类型，通过对 802.11i协议、差错控制编码技术的研究，确保CBTC信息传输的安全性。最后论文从实际出发，搭建隧道WLAN环境，对WLAN技术进行一系列功能测试，验证其在地铁CBTC系统应用的可行性。

关键词：CBTC，DCS，802.11i，车地双向通信，WLAN

DESIGN AND RESEARCH OF THE DCS SUBSYSTEM IN SUBWAY’S CBTC SIGNAL SYSTEM

1 绪论
1.1 选题背景和意义
我国正处在快速经济发展和城市化进程加快期，城市的交通“堵，堵，堵”问题日益突出，严重影响广大人民群众的日常出行工作。城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。世界各国普遍认识到：解决城市的交通问题的根本出路在于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。
地铁信号系统是地铁运输系统中的核心安全系统，是地铁行车指挥调度依据列车时刻表和运力需求组织行车，并按一定闭塞方式来指挥行车安全和正点运营的重要设备系统，它是集行车安全，提高运输能力，和减小列车追踪间隔的自动控制和通信技术的总称。信号系统的发展也是衡量着一个国家轨道交通技术装备现代化发展水平的重要组成部分。
CBTC (Communications Based Train Control)系统[1]是一个安全的，具有高可靠性、高稳定性的基于无线通信的列车自动控制系统，不再依靠传统的轨道电路向车载设备传达信息，而是利用通信技术来实现车地双向通信实时传达列车定位控制信息。CBTC系统可以分为CBI计算机联锁系统、ATO列车自动驾驶系统、ATP列车自动防护系统、ATS列车自动监控系统以及DCS数据通信系统[26]。
CBTC系统中现阶段关键技术[8]有以下2种：1、列车定位技术。在传统信号系统中靠轨道电路或计轴设备（新型设备）固定分区来判断位置，该方法由于分区的固定大大影响了运行效率。CBTC系统能按照一定的牵引制动计算与前车的安全距离，来调整虚拟分区的长度，大大减少追踪间隔。 2、车地双向通信技术。系统初期多采用基于感应环线电缆的感应环线通信系统，其传输速率低，带宽低的特征已经不适应轨道交通CBTC信号系统的发展。随着无线通信技术的发展，CBTC系统也进入了全新发展阶段。特别是基于IEEE802.11标准的无线局域网技术的不断发展成熟，车地间的通信更加可靠，更加透明了。它不同于一般通信，对信息传输的实时性、准确性和安全性也有很高的要求。
DCS系统是CBTC系统中的传输神经，无线双向车地通信又是DCS系统的支柱，一旦发生无线故障，控制中心调度与控制信息中断，直接影响着CBTC系统的控制，导致列车运营晚点，降低运输效率。因此，数据通信技术的应用和持续改进必将大大提高CBTC系统的可用性，对地铁信号技术的发展起到积极促进的作用。
1.2 国内外研究现状
CBTC系统起源于欧洲，已经在全世界推广使用，并成为列车控制系统发展的趋势。近年来，由于城市轨道交通的飞速发展，CBTC技术更是大量地应用于城市轨道交通上，我国现在已是城市轨道交通发展最快的国家[2]。
DCS系统是影响着CBTC系统的控制精度、效率和安全性的主要因素。一旦发生故障，势必会影响CBTC系统的控制，导致列车运营晚点，降低运输效率。欧美不少国家的地铁CBTC系统多数采用专用无线通信的数字集通信系统，是专为轨道交通开发的数字式的无线通信系统[20]。
国内信号系统CBTC技术起步虽然较晚，但是也正处于飞速发展时期[11]。到目前为止，开通的有北京4号线、机场线、广州APM线，但核心技术全部有外方掌握，设备均以进口设备为主，当然也包括DCS系统设备，无线传输无一例外都采用波导管技术，价格昂贵，后期保养维护成本高。
国内一些原有的运营线路也面临着CBTC大改造，因此市场需求量巨大，我国正迫切的对CBTC各系统进行关键技术研究和国产化的改造，来降低造价成本。
1.3 本文研究的主要内容和主要贡献
1.3.1 主要内容
本论文主要研究的内容如下：
（1）DCS系统骨干与接入网解决方案分析及研究
分析设计DCS系统骨干环网和接入网的网络架构，重点比较SDH环网与RPR环网的应用技术区别，阐述RPR环网技术的原理及优点，和实际环网故障时的自愈技术的分析。
（2）DCS系统车地无线WLAN技术解决方案分析及研究
列举五种主流无线通信技术优缺点，并对无线传输媒介也做出比较和总结，提出适合地铁实际情况的WLAN技术无线解决方案。再进一步阐述地铁实际环境下WLAN技术的工程设计关键问题：无线覆盖和AP无缝切换。
（3）DCS系统网络安全性研究及分析
分析列举了DCS系统中存在的安全威胁类型，通过对 802.11i协议、CCMP算法和RC4算法的比较和差错控制技术的选择，确保CBTC信息传输的安全性；从系统和工程实施角度提出无线网络安全解决方案，进一步保障DCS系统网络的安全。
（4）DCS系统车地无线WLAN技术解决方案现场隧道实测及分析
现场隧道搭建WLAN环境，对WLAN进行一系列功能测试场强、带宽、切换、CBTC流量支持、干扰测试等测试及分析，验证WLAN技术无线解决方案在地铁CBTC系统应用的可行性。
1.3.2 主要贡献
基于以上研究内容，本文主要贡献如下：
在满足CBTC系统数据传输要求的前提下，DCS系统解决方案的提出，特别是无线WLAN技术可行性的实践论证，有利于实现CBTC各子系统的国产化的改造，打破国外的设备技术的垄断，大幅降低造价成本。
1.4 本文创新点
本文的创新点有：
（1）列举现今主流的五种无线通信技术，结合我国轨道交通实际情况，分析其优缺点，选择DCS系统车地无线WLAN技术解决方案。对WLAN技术关键问题抗干扰能力分析上，结合实际工程需要，提出无线抗干扰方案。
（2）在已运营线路上搭建WLAN无线环境，对各项技术参数进行测试分析，对无线WLAN技术解决方案在CBTC系统中的应用可行性进行论证。
1.5 本文的组织结构
本文的正文部分共分为五章，现将其内容概述如下：
第一章是绪论，首先介绍选题的背景和意义，接着分析CBTC系统DCS子系统的国内外研究发展现状，之后提出本文的研究内容、主要贡献和创新点，最后是本文的内容安排。
第二章是DCS子系统的设计与研究，对比分析RPR和SDH环网技术，比较主流无线通信技术和抗无线干扰的分析，提出DCS系统骨干与接入网解决方案和DCS系统车地无线WLAN技术解决方案。
第三章是CBTC系统DCS子系统安全性分析，分析了DCS系统中存在的安全威胁，提出系统网络和无线网络安全防范措施。
第四章是基于上述对分析研究，搭建WLAN无线环境，对各项技术参数进行测试分析，对无线WLAN技术解决方案在CBTC系统中的运用可行性进行论证。
第五章是对本文研究工作的总结，并对下一步的研究工作进行分析，提出自己的想法。

2 DCS子系统的设计与研究
2.1 DCS系统的结构及功能
CBTC (Communications Based Train Control)系统是一个安全的，具有高可靠性、高稳定性的基于无线通信的列车自动控制系统。CBTC系统可以分为CBI计算机联锁系统、ATO列车自动驾驶系统、ATP列车自动防护系统、ATS列车自动监控系统以及DCS数据通信系统。
数据通信系统（Data Communications System, DCS）是一个宽带通信系统，提供了CBTC系统内各子系统间，以及控制中心、车辆段、停车场和沿线车站和车地设备间的双向、可靠、安全的数据交换。DCS系统可分为四层网络结构：骨干网络、轨旁通信网络、车地双向通信网络和车载数据通信网络。DCS系统体系结构框架如图2-1所示。

图2-1：DCS子系统体系结构框图
（1）骨干网络：轨旁骨干网络由骨干交换机构成。传输层面应采用智能环技术连接组网。提供标准的10M/100M 以太网接口，遵循国际通行的IEEE 802.3u和802.3x协议。
（2）轨旁数据接入网络：提供CBI、ATP、ATO、ATS和轨旁无线设备（轨旁AP等）接入数据通信子系统的接口。接入交换机提供标准的10M/100M 以太网接口，遵循国际通行的IEEE 802.3u和802.3x协议。
（3）车载数据通信网络：提供ATP、ATO和车载设备以及车载无线设备之间的通信接口。提供标准的10M/100M 以太网接口,遵循国际通行的IEEE 802.3u和802.3x协议。
（4）车地双向通信网络：提供车地之间双向、可靠、安全的数据交换。无线接口采用国际先进的IEEE 802.11a/g技术，并遵循IEEE 802.11i无线网络安全协议[9]。根据CBTC相关标准（IEEE Std 1474.1-1999 CBTC peorfrmance and Functional Requirements）[28]和国外CBTC案例的分析[20]，下表2-1针对车地通信的相关指标进行了说明
表2-1车地通信的相关指标
项 目 无线电台
传输介质的主要特点 电磁波
采用的技术标准 802.11系列无线局域网标准
CBTC带宽 1Mbps
CBTC网络时延 不大于500ms
丢包率 不大于1%
无线通信设备移动切换时间 不超过50ms
数据传输速率 最大54Mbps
车地通信的最高运行速度 100Km/h
凡是根据CBTC系统的标准建立并能满足CBTC系统中信息传输要求的传输系统，都可作为DCS子系统的解决方案[10]。
根据DCS系统对信号信息传送的高可靠性要求，整个DCS系统的设计均采用“双网并行”的设计思想，在物理和逻辑上，均保证双网的并行工作，实现最高的系统整体可靠性，同时需考虑提供所有合理方式，来避免单个独立故障或多个相关故障对列车运行的影响。
2.2 DCS系统骨干网络
在骨干网络设计选择上，我们一般会选择设备集中站和控制中心（OCC）作为设备汇聚节点，每个汇聚节点各部署两台骨干交换机（BS）作为汇聚节点的数据交换转发设备，分别为A、B两网各有一台，相互独立。每台骨干交换机通过传输模块和光缆连接组成环路。骨干网拓扑可见图2-2。

5 总结与展望
5.1 论文总结
地铁信号系统是地铁运输系统中的核心安全系统，是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运输效率的关键系统设备。信号CBTC系统是一个安全的，具有高可靠性、高稳定性的基于无线通信的列车自动控制系统。DCS系统是CBTC系统中的传输神经，无线双向车地通信又是DCS系统的支柱，一旦发生故障，控制中心调度与控制信息中断，直接影响着CBTC系统的控制，导致列车运营晚点，降低运输效率。
本论文根据DCS系统结构特点，分析设计DCS系统骨干环网和接入网的网络架构，重点比较SDH环网与RPR环网的应用技术区别，阐述RPR环网技术的原理及优点，和实际环网故障时的自愈技术的分析，提出DCS系统骨干网与接入网解决方案。同时列举五种主流无线通信技术优缺点，并对无线传输媒介也做出比较和总结，提出适合地铁实际情况的WLAN技术无线解决方案。进一步阐述了地铁实际环境下WLAN技术的工程设计关键问题，提出DCS系统车地无线WLAN技术解决方案。在DCS系统网络安全性研究及分析中，分析列举了DCS系统中存在的安全威胁类型，通过对 802.11i协议、CCMP算法和RC4算法的比较和差错控制技术的选择，确保CBTC信息传输的安全性；从系统和工程实施角度提出无线网络安全解决方案，进一步保障DCS系统网络的安全。论文的最后对DCS系统车地无线WLAN技术解决方案现场隧道实测及验证分析，现场隧道搭建WLAN环境，对WLAN进行一系列功能测试场强、带宽、切换、CBTC流量支持、干扰测试等测试，验证WLAN技术无线解决方案在地铁CBTC系统应用的可行性。
5.2 工作展望
本次WLAN实测，干扰源选定为蓝牙和802.11b，没有对其他类型的干扰源做出干扰测试。在现今的不少城市都推出“数字城市”的概念，大无线环境下，抗3G\4G\wifi的干扰也是我们下一步研究的重点课题。
现今不少地铁建设方，为了节约投资成本都在进行CBTC的DCS系统和PIS系统（旅客导乘系统）共建方案的可行性探索[20]，一个安全系统与非安全系统的合建仍面临着许多重大技术问题有待解决。