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地铁与网络 日期：2013-02 密级：内部公开 杭州华三通信技术有限公司 2 融入我们生活的地铁时代 今天，在中国许多城市，都已经建成 了地铁交通线路，特别是北京、上海 、广州、深圳等大都市，地铁交通线 路已经成为人们生活不可缺少的一部 分。 1843年英国人皮尔逊为伦敦市 设计了世界上最早的城市地铁系 统，1863年1月10日，世界公认 的第一条地铁，“大都会地区铁 路”正式开始营业。 3 武汉地铁2 号线已于去 年12月底开 通试运行， 在今后的五 到十年间， 会建成覆盖 全市的地铁 线路，极大 的方便人们 的生活，提 升城市形象 。 武汉-地铁元年 4 地铁运营的背后 为了保证地铁车辆、车站、票务、信 号、电力等系统的正常运营，形成了 一整套地铁控制体系 5 地铁系统子系统 车辆 信号系统 通信（有8-13个子系统组成）: (1)传输系统 专用无线通信系统 公务电话系统 专用电话系统 广播系统 电视监视系统 时钟系统 旅客向导系统 电源系统 公用传输系统 公用移动通信引入系统 公安、消防无线引入系统 自动售检票(AFC) 电力综合监控（SCADA) 防灾报警(FAS) 设备监控(EMCS或BAS) 电扶梯 通风空调 屏蔽门（安全门） 通用机械（车辆段） 综合信息管理(MIS) 给排水 大屏幕系统 TCC（路网管理中心 ）， ACC（运营控制中心） 地铁大楼OA系统 地铁公安监控 地铁公安OA 6 地铁网络拓扑图 系统分为车载网络、轨道接入网络、核心网络和业务应用层4个部分 7 地铁网络拓扑图 8 ATC系统（Automatic Train Control） 列车自动控制系统，简称为ATC。在城市轨道交通中，主要通过它来保障行车安全。除了 能确保列车运行的安全，防止追尾和冲突，还能提高运行效率，实现列车运行的信息化和 自动化。 从功能上来说，ATC系统主要包括三个子系统： 列车自动监控系统，简称ATS。这是ATC的核心功能。它主要的作用，是对线路上运行 的所有列车进行监督和管理，控制列车根据列车运行图完成运营作业。 列车自动防护子系统，简称ATP，它主要的作用是防止列车追尾、冲突事故的发生，并 控制列车的运行速度不超过允许的最高速度。 列车自动运行系统，简称ATO，主要的作用是实现列车自动驾驶，并使列车在设定的 车站自动停车。 9 ATC子系统之间的关系 10 ATP系统示意图 ATP系统由车载设备、地上 设备和控制中心组成。三方 面进行实时信号反馈，最终 向地铁发出各种行车指令。 ATP系统保证两车之间有足 够的安全距离来避免追尾等 事故的发生。 11 基于通信的列车控制系统CBTC （Communication based Train Control ） 运行中的列车需要实时向控制中心，汇报自己的位置和速度等运行参数，控制中心必 须实时的为列车解算运行参数，并发送给列车。这种机制的实现，需要连续式双向车地通 信系统支持。一般将这种列车控制方式，称为基于通信的列车控制（CBTC）。 也就是说，CBTC是用来实现ATC的。列车不间断地向控制中心传输其位置、方向和 速度等信息，控制中心根据列车的速度和位置动态，计算列车的最大制动距离。列车的长 度加上这一最大制动距离，并在列车后方加上一定的防护距离，便组成了一个与列车同步 移动的虚拟分区，保证列车的安全间隔。 12 CBTC系统的分类 固定闭塞制式：系统无法知道列车在分区内的具体位置, 列车制动的起点和终点总在某一分区的边 界，为充分保证安全,必须在两列车间增加一个防护区段,这使得列车间的安全间隔较大。 准移动闭塞制式CBTC系统：通过采用报文式轨道电路辅之环线或应答器来判断分区占用并传输 信息，告知后续列车继续前行的距离,后续列车可根据这一距离合理地采取减速或制动,从而改善列 车速度控制,缩小列车安全间隔,提高线路利用效率。但准移动闭塞中后续列车的最大目标制动点仍 必须在先行列车占用分区的外方,故并没有完全突破轨道电路的限制。 基于无线通信移动闭塞制式CBTC系统：通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,控制中心可 以根据列车实时的速度和位置动态计算列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离 并在列车后方加上一定的防护距离, 便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前 后的安全距离,两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进, 列车能以较高的速度和较小 的间隔运行,从而提高运营效率。 由于无线频谱分配的问题，目前没有很好的频率点提供使用，业界都是使用WLAN技 术进行承载CBTC信号系统 13 CBTC的优点 CBTC的突出优点是可以实现车地之间的双向通信，并且传输信息量大，传输速度快，很容易实现移 动自动闭塞系统，大量减少区间敷设电缆，减少一次性投资及减少日常维护工作，可以大幅度提高区 间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、不同运量、不同类型牵引的列 车运行控制等等。在CBTC中不仅可以实现列车运行控制，而且可以综合成为运行管理，因为双向无线 通信系统，既可以有安全类信息双向传输，也可以双向传输非安全类信息，例如车次号、乘务员班组 号、车辆号、运转时分、机车状态、油耗参数等等大量机车、工务、电务等有关信息。在CBTC应用中 的关键技术是双向无线通信系统、列车定位技术、列车完整性检测等。在双向无线通信系统中，在欧 洲是应用GSM-R系统，但在美洲则用扩频通信等其他种类无线通信技术。列车定位技术则有多种方式 ，例如车载设备的测速-测距系统、全球卫星定位、感应回线等。 14 CBTC系统参数要求 ParameterTypical range 单个轨旁控制控制器能处理的最大的列车数量10到40列车 测量的列车位置的分辨率 0.25 to 6.25 m 在正常运行（非降级）情况时的列车位置测量精度 5 to 10 m 在没有站台安全门的情况下，自动程序车站停车（ATO）的列车位置测量精度 0.25 m ( 10 in) 列车移动授权限制的分辨率 0.25 to 6.25 m 用于ATP的列车速度测量分辨率 0.5 to 2 km/h 用于ATP的列车速度测量精度 3 km/h ( 2 mi/h) 车到地的信息通信延时0.5 s (nominal)（额定） 地到车信息通信延时0.5 s (nominal)（额定） 轨旁CBTC设备反应时间0.07 to 1 s(nominal)（额定） 车载CBTC设备反应时间0.07 to 0.75 s(nominal)（额定） 溜车检测标准0.5 to 2 m 零速检测标准 1 to 3 km/h for 2 s 15 乘客信息系统-PIS系统（passenger information system ） 是依托多媒体网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显 示终端为媒介向乘客提供信息服务的 系统，使乘客通过正确的服务信息引导，安全、便捷地乘坐轨道交通。 PIS在正常情况下，提供乘车须知、列车到发时间 、列时刻表、管理者公告、政府公告、出行参考等实 时动态 的多媒体信息；在火灾、阻塞及恐怖袭击等。非正常情况下，提供动态紧 急疏散提示。 在列车运行中车载设备 要实时接收来自地面运营中心的节目，在列车车厢显 示屏上播出音视频。同时 通过车厢 内监控摄像头，监控旅客乘车情况，将监控视频信息实时上传至运营中心，作为管理部门安全决 策的支持信息。 16 乘客信息系统-PIS系统（passenger information system ） PIS系统作为地铁公司与乘客之间最直观的信息交互平台，所有实时播放的媒体流不能出现图像 马赛克、声音停顿的情况，这需要有线网络、车地无线通信网均有足够的带宽和良好的QoS保障 机制，同时网络的可靠性要求也非常高，不能因为网络的中断导致PIS系统故障。 为了保障列车播放图像的高清晰，目前PIS系统所需最低带宽为8M（按MPEG 2格式），考虑 到车辆内部监控还需4M带宽（每列车有多个摄像头，同时只上传两路图像），考虑突发流量的 存在，因有25%的冗余，平均无线网带宽应在15M以上，带宽是保障图像高质量的最基本要求。 为了满足多辆列车同时接收赛事、股票等实时信息的转播需求，列车PIS系统均要求支持组播 技术，但由于列车在快速行驶过程中车载AP与轨旁AP存在漫游切换，而车载网络却无法及时感 知这个过程，会依然试图从原有轨旁AP接收数据，最终导致组播数据流的中断，如何保障车辆 移动过程中的组播报文不丢失，也是PIS系统成功应用的一个关键技术。 新建地铁除了车站可采用IP监控，更可利用PIS系统车、地无线通信网的富裕带宽，构建基于 IP的车辆监控系统，地铁控制中心和地铁公安系统能及时发现车辆内的安全事故隐患并提前处理 ，确保列车行驶安全。以IP技术为核心，车辆监控和车站监控还可融合为一体化解决方案，实现 调度系统、存储系统、外置显示系统等多种系统的共享和一体化管理，降低成本，提高监控效率 。 17 地铁监控系统 18 CBTC系统对网络的要求 指标名称指标数据说明 网络带宽 1.3Mbps左右(包大小 为 64byte) 根据项目需求情况 网络时延50ms以内根据项目需求情况 流丢包率1%根据项目需求情况 链路切换时间（内部指标）=50ms80KM/h速率移动 19 PIS系统对网络的要求 指标名称指标数据说明 网络带宽 15Mbps左右此业务带宽主要作为系统能 力，不作为业务规划带宽 网络时延50ms以内根据项目需求情况 流丢包率= 1%根据项目需求情况 链路切换时间（内部指标）=50ms正常移动速率下 20 WLAN与列车控制 业务目标 n在车辆高速移动时，车载AP将动态地和轨旁轨旁AP建立无线链路动态链路切换 算法是实现低丢包率和保证吞吐的关键。 基本原理 n重用802.11s草案规定的链路建立、安全认证等过程； n预先建立多条冗余链路，用主链路进行数据转发，其余链路作为备用； n采用多个控制参数控制链路建立、主备链路切换过程； n车载AP将不断地评估各链路的信号质量。原则上，信号质量最优的链路作为主链路； n主链路切换时，车载AP将代车载上的终端发送地址更新报文，以触发轨旁AP更新转发表 项。 21 WLAN设备 轨旁机箱轨旁天线 无线控制器WX6103 轨旁AP WA2210X-GE WA2220X-AGE 22 轨旁机箱 n达到IP65防护标准，可直接在室外使用，也可耐隧道内 的冲洗； n充分考虑轨旁应用的规范性要求，AP、光纤终端盒等 设备都可安装内部，外部只有电缆/光缆； n采用不锈钢螺钉固定箱盖，防止锁固定形式的锈蚀问题 ； n提供了两种不同线径防水接口，可兼容不同规格的线缆 走线； n可以固定在隧道壁或管线架上； n机箱盖采用上下结构，可利用自身重力关紧门，防止忘 上锁带来的事故隐患 23 轨旁天线型号SL14011E 频率范围24002500MHz 输入驻波1.5 输入阻抗50 增益15dBi 前后比15dB 极化形式垂直或水平 垂直面波瓣宽度283 水平面波瓣宽度303 最大功率100W 输入接口N型阴头 雷电保护直流接地 长度545mm 重量753g 支撑杆3550mm 工作温度-40+60 注：目前只有2.4GHz频段的八木天线。 隧道壁安装架 地面抱杆（工程方提供）