无线通信的列车控制中的数据通信子系统.doc

专业知识分享版摘要运用无线通信实现车地数据传输的列车自动控制才是真正意义上的移动闭塞。在基于无线通信的列车控制( CBTC) 系统中，数据通信子系统承载的数据直接关系到行车安全。结合西安地铁 2 号线一期工程信号系统，对其数据通信子系统的构成、作用、安全措施、抗干扰措施及主要性能等进行分析。关键词地铁; 基于无线通信的列车控制; 数据通信子系统 运用无线通信实现车地数据传输的 ATC( 列车自动控制) 才是真正意义上的移动闭塞1。西安地铁2 号线一期工程信号系统采用美国 USSI 公司设计的基于无线通信的列车控制系统( CBTC) ，能够安全、可靠地实现全功能、全方位的列车控制，在最不利故障情况下还可以后备模式( 站间自动闭塞，点式 ATP 防护，地面信号为主，计轴器检测列车位置) 安全运行。其信号控制系统主要包括列车自动保护( ATP) 、列车自动运行( ATO) 、列车自动监视( ATS) 、计算机联锁( CI) 、数据通信系统( DCS) 等子系统。其中，DCS 承载的 CBTC 数据直接关系到行车安全。DCS 采用目前最先进的有线无线一体化网络技术方案，能够实现车地之间双向、连续、高速、大容量的数据信息传输，是真正意义上实现移动闭塞的重要保证。 1 DCS概述 DCS 是 CBTC 系统的核心2，其主要功能是提供信号系统各设备之间双向、可靠、安全的数据通信。这些设备包括控制中心，轨旁子系统( 区域控制器 ZC、联锁控制系统 MicroLok ) ，车载子系统( 车载控制器( CC) 、无线电台、传感器、查询器等)以及轨旁无线基站 AP 等。通过 DCS，列车 CC 不间断地向轨旁 ZC 传输其标识、位置、方向、车次、列车长度、实际速度、制动潜能和运行状态等信息。轨旁ZC 与 ATS、CC 接口。ZC 接收来自 ATS 生成的动态临时限速指令和该控制区内列车 CC 发出的连续位置信息和列车运行其他信息，据此确定列车的安全行车间隔，并通过无线传输方式向其区域内列车 CC动态更新发送移动授权指令。ZC 还与 MicroLok II接口。MicroLok II 执行轨旁设备( 如站台屏蔽门、转辙机、计轴和信号机等) 联锁逻辑的安全性功能。列车 CC 根据接收到的移动授权指令和自身的运行状态，来确定允许速度执行、控制模式管理、移动授权，以及其他有关的 ATP 和 ATO 功能。 DCS 对列车控制的所有子系统是透明的，对数据通信的安全加密和接入防护等措施可保证数据通信的安全3。DCS 是一个宽带通信系统，它提供开放的体系架构和通信协议标准: 有线通信部分采用IEEE 8023 以太网标准，无线通信部分采用先进的WLAN 技术IEEE 80211g 标准，以最大程度地采用现成的商业化设备，便于不同厂商的网络设备间实现互联互通; 应用 UDP/IP 通信协议，确保车地之间双向数据传输的实时性。DCS 的传输网络均采用冗余结构设计，且数据信息采用冗余传送策略; 每个信息被复制后都通过两个独立的网络同时传送，单一网络的故障不会导致信息丢失，也不存在网络切换问题。这样可保证数据传输的连续性、可靠性和实时性，也消除了单个独立故障或多个相关故障对列车运行的影响。 2 DCS的构成及作用 DCS 主要由骨干网络、轨旁数据通信网络、车载网络、车地双向通信网络等四部分组成。其体系结构框图如图 1 所示4。其中，AS 为接入交换机 ，BS为骨干交换机，ZC 为区域控制器，ILC 为联锁控制器，ATS 为列车自动监视，MR 为车载无线设备，CC为车载控制器 AP 为无线接入点。2 1骨干网络 轨旁骨干网络由骨干交换机( 即光交换机) 组成，交互连接到两个独立( 冗余) 的单模光缆，形成环式拓扑结构。如果光纤电缆上的任何节点发生故障，轨旁骨干网络的通信能够迅速重新配置并通过另一个网络保持通信。骨干交换机安装在环路各处的信号设备室( 如设备集中站、控制中心) 。通常两个骨干交换机之间的距离不超过 10 km。通过增设骨干交换机，可以扩展光纤骨干网络的覆盖范围，满足地铁运营要求。 骨干网络采用弹性分组数据环( RPR) 技术将接入交换机连接起来。RPR 是 IP 技术与光网络技术直接融合的产物。该技术集 IP 的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高效带宽利用于一体，具有很好的服务质量保障，如 50 ms 故障自愈能力、高带宽利用或预留、先进 RPR Fa 公平算法( 对低优先级数据包进行动态调控网络流量，避免网络拥塞) 等，可以提供低成本、高可靠性、大吞吐量的业务保证能力; 在网络同时承载多业务时，可保障与列车控制直接相关的高优先级业务的优质服务质量。 骨干网络能够提供 1 Gbit/s 的数据传输能力，当未来业务扩展需要时，可以升级到 10 Gbit/s。2 2轨旁数据通信网络 轨旁数据通信网络如图 2 所示。其中 OCC 为运营控制中心。轨旁数据通信网络包括两个彼此独立( 冗余) 的网络，主要由轨旁设备、接入交换机和轨旁骨干网络等构成。轨旁子系统( ZC、MicroLok等) 通过 100BaseTX 以太网接口连接到接入交换机，轨旁两边的无线接入点( AP) 通过光纤以星型拓扑结构连接到接入交换机，接入交换机通过光纤连接到骨干交换机上。接入交换机提供标准的10M /100 M 以太网接口，遵循国际通行的IEEE8023 u 和 8023 x 协议。网络层和传输层采用UDP / IP 通信协议。 轨旁数据通信网络提供各轨旁子系统和轨旁AP 等接入DCS 的接口，提供 100 Mbit / s 的数据传输能力。2 3车载数据通信网络 车载数据通信网络如图 3 所示。其中，SE 为交换机 + 扩展器，TC 为车厢间连接器，TOD 为司机显示器。 每列车上安装有两套车载设备，分别位于列车的车头和车尾，主要为 CC( 包括车载 ATP 和 ATO)和 MR。CC 通过 100BaseTX 以太网接口连接到车载交换机( 工业交换机) ，车载交换机连接到MR。车载交换机提供标准的 10 M /100 M 以太网接口，遵循国际通行的 IEEE 8023 u 和8023 x 协议，采用双绞线彼此连接的以太网扩展设备实现车厢之间的通信。所有列车上的设备通过两个独立的、互为冗余的以太网连接在一起，形成车载网络。车载设备间的本地通信流经通信设备的过滤处理，信息不会发送到外部去。 车载数据通信网络提供车载 ATP、ATO 和车载设备( 司机驾驶台 TOD、安全 I/O 控制器 MTORE 等)的通信接口，提供100 Mbit/s 的数据传输能力。2 4车地双向通信网络 MR 与轨旁 AP 之间的无线链路构成车地双向通信网络。该网络采用国际先进的 IEEE 80211 g无线局域网技术，并遵循 IEEE 80211i 无线网络安全协议。IEEE 80211 g 是当前比较先进和成熟的WLAN 标准，可提供数据通信更大的带宽和更强的抗干扰能力，在高速移动环境中可支持车地之间可靠、实时的双向移动通信。其安全由 IEEE 80211i网络安全协议来保障，阻止未授权用户进入网络。 MR 提供车载以太网设备的无线接入，采用空间分集技术，对于无线信道的衰落具有较强抵抗能力。AP 提供轨旁以太网设备的无线接入。沿轨道线路每隔约 200 m 设置一个 AP。AP 设置的总体原则是列车上的 MR 在轨道上的任何一点都能至少检测到两个 AP 发送的信号。任何两个相邻 AP 的覆盖区域彼此交叠( 100% 无线信号冗余) ，确保覆盖的连续性和无缝漫游。当一个 AP 发生故障时，可以由相邻的 AP 继续提供覆盖，从而消除了某个AP 故障时可能出现的信号盲区。同一列车上的两个 MR 分别与两个独立的轨旁 AP 进行无线通信。 车地双向网络能够提供 20 Mbit/s 的有效数据传输带宽。 3 DCS的网络安全措施 空中接口是通信中的开放式空间，容易遭受恶意用户的拦截或袭击。错误信息可能导致危险情况发生，危及列车运行安全。为此，系统采用数据加密、用户认证、数据发送方校验、数据过滤和数据完整性检验等安全措施，以减少危害，不仅确保信息安全传输，而且限制接入，使 系 统 满 足 CENELEC50159 2 的安全标准。具体的无线局域网安全措施( 遵循 IEEE 80211i 标准) 如下: ( 1) AP 须加装防雷设施。AP( 不包括外置天线) 还必须放置在一个适应环境要求和防盗窃的密闭盒( 符合 IP65 级别的设备箱) 中，只有授权的人员在必需的时候才能重启 AP。该功能允许个人规避网络管理员事先设置在 AP 上的所有安全措施。 ( 2) 禁用服务集标志( SSID) 广播功能，客户端SSID 必须与 AP 设置一样才能接入网络，以减小恶意用户侵入 AP 的可能性。 ( 3) 设置媒介访问控制( MAC) 子层的允许接入用户列表。 ( 4) 不采用集线器，而是安装 2 层或更高层交换机用于与 AP 的连接。这样可把网络分成小的区段，减少恶意用户通过连接集线器侵入网络并监测网络数据的可能性。 ( 5) 动态刷新密码，极大地改善密码的安全性，减少密码被破获的可能性。 ( 6) 传往 AP 的远程管理数据需要通过加密的有线网络。使用系统网络管理协议 SNMP v3 以及安全传输协议 SSL/TLS 可以提供安全的鉴权和加密手段，保障基于网页的 AP 配置安全性。 ( 7) 无线网络部分需要设置入侵检测系统( IDS) 来监测可疑情况和非法侵入等行为并做出反应( 向管理员发出警告等) 。 ( 8) 使用先进的加密保护手段。采用 CBC MAC 协议和先进加密协议( 简称 CCMP / AES) ，使用128 位 AES 密码。 4 DCS的抗干扰措施 为了使 DCS 子系统( 特别是无线通信设备) 对外界电磁干扰( 接触网供电和杂散电流产生的电磁干扰等) 以及其他工作在相同频率的无线设备产生的同频干扰具有很强的抵抗能力，采取了以下措施: ( 1) AP 采用定向天线，使来自轨道方向的有用信号增强，来自干扰方向( 天线旁瓣) 的信号减弱，提高了载干比。 ( 2) 采用基于“自动重传”的通信协议。发送端在发送数据包后，将等待来自接收端的确认包( ACK) ，如因干扰或其他原因发生数据包丢失，在指定时间内未收到 ACK 消息，则发送端将重新发送相同的数据包。 ( 3) 无线信息传输采用正交频分复用( OFDM)技术，提高了载波的频谱利用率，减少了子载波间的相互干扰，也能有效对抗射频干扰、频率选择性干扰以及多径干扰。 ( 4) 采用低传输占空因数，在空中接口使用高速率和短数据包。 5 DCS的主要性能 DCS 采用有线无线一体化网络技术方案，其主要性能为: ( 1) 先进性。选用符合当今世界技术发展趋势且已得到工程应用实践检验的成熟技术，如 OFDM、RPR、WHFT、无线通信等技术。其中 WHFT 在越区切换时，实现 MR 从一个 AP 移到下一个 AP 的零切换时间，避免切换过程中通信中断。 ( 2) 开放性。系统的关键技术都基于标准协议实现，从标准协议角度支撑互联互通。 ( 3) 扩展性。网络体系架构的模块化设计具有良好的扩展性，包括无线网络扩展和有线网络扩展( 线路延长以及与其他线的互联) ，都支持平滑扩容与升级，同时系统也考虑与车地双向实时视频无线传输系统共用的可能性。 ( 4) 安全性。采用多种具有世界先进水平的安全防护措施，来保证开放式空间接口数据通信安全。 ( 5) 简易性。系统提供良好的网络管理手段，为用户提供简单、便携的管理维护方式。 ( 6) 健壮性。系统具有较高的可靠性，通过网络设备和链路的冗余，使系统有较强的故障导向安全的功能。无线传输设备全部采用工业级产品