地铁信号系统网络安全获奖科研报告

地铁信号系统网络安全获奖科研报告【关键词】地铁;信号系统

1绪论

近些年来，地铁在生活中的使用也越来越广泛，地铁运行的安全也受到了极大的重视。作为确保地铁列车安全运行和高效率运行的关键系统，信号系统应该要具备有较高的安全性，可靠性和可用性。本文主要探讨的是地铁信号系统网络安全系统的组成部分。

1.1研究背景及意义

随着通信和互联网技术潮流的袭来，传统通信行业也得到了更加快速的发展，众所周知CBTC系统是轨道交通控制系统中最常用的通信方式。CBTC系统与其他传统的依赖轨道电路向车载设备传输数据的制式不同，它是通过与轨道两侧的信号传输设备来进行无线通信的，然后列车和车站接地来实现信号传输模式，CBTC系统是一个移动阻塞系统。

1.2国内外研究现状

国外的CBTC系统研究和使用都比较的早，以美国及加拿大铁道协会共同研究的ATCS（AdvancedTrainControlSystem，先进列车控制系统）为例子，这个系统从上世纪80年代就开始进行了理论研究，90年代进行了阶段性的测试，最终它在20年代取得了实际的效果。先进的列车控制系统测量列车的速度，测量距离，并且通过GPS定位列车的位置信息，速度信息，然后通过后台系统进行数据分析和整理达到列车控制的效果。

2地铁信号系统

城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（AutomaticTrainControl，简称ATC）组成，ATC系统包括了三个子系统：

列车自动监控系统（AutomaticTrainSupervision，简称ATS）列车自动防护子系统（AutomaticTrainProtection，简称ATP）列车自动运行系统（AutomaticTrainOperation，简称ATO）

这三个子系统是通过信息交换网络过程闭环系统，实现对地面控制与车上控制相结合、现地控制与中央控制相结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。

2.1典型CBTC系统

CBTC系统（CommunicationBasedTrainControlSystem）是一个移动障碍系统。它是将列车线路分解成为若干个的交通单元，并根据了实际情况调整每个单元的长度。通过地面控制中心与车载设备之间的连续通信，则可以获得列车的识别，位置和速度，从而实时的实现列车的运行状态。通过计算机分析计算得出安全的行车区间，尽可能缩短两车之间的距离，尽可能的提高工作的效率。

CBTC系统使用的是IEEE802.11系列协议。CBTC系统的无线网络由车载无线设备和在线无线AP（接入点）组成，实现车辆与地面之间的双向通信。为了保证传输信息的安全性，系统中的无线设备应该具备备份和升级的功能。

CBTC系统的特点就是利用无线通信代替传统的轨道电路进行数据的传输，从而实现对列车的实时控制。CBTC系统使用车载单元和轨道之间的TCP/IP协议和以太网接口。

2.2CBTC系统传输方式

2.2.1天线传输方式

天线传输模式是通过轨旁无线AP接收和传输列车的信息。车载设备负责收集道路状况无线AP等交通信息或实时接收轨道AP发送的列车控制信息并实时的传输;无线网络包括轨道无线AP，光电转换器和轨旁交换机。并通过轨旁切换到控制中心总线，最后到达控制中心;控制中心是通过核心交换机连接到控制中心交换机的ATS（自动列车监控系统）总线。这样可以实时的处理车载设备发送的数据，并且在分析处理后通过无线网络发送给车载系统。

2.2.2漏缆覆盖方式

漏电同轴电缆也被称为漏电电缆，简称漏缆。绝缘介质在潮湿的环境下传输衰减小，传输性能稳定，保证了系统长期可靠的使用。电缆覆盖方法基本上与裂纹波导的覆盖相同，并且传输模式也类似。来自汽车天线的信号也可以通过插槽进入泄漏电缆，从而实现CBTC系统的双向通信。漏电缆覆盖模式具有更宽的工作频带，通常為450MHz-2GHz或者更高。

2.3BSS网络与ESS网络

BSS（BasicServiceSet，）与ESS（ExtendServiceSet，）是IEEE802.11标准下的两种网络拓扑结构。无线AP被设置为不同设备之间的中心站，设备通过访问无线AP与外界通信。ESS网络的主要特征是包含多个BSS网络的通信，并且可以在各个中心站点之间切换。

在ESS网络中，多个BSS被用作基本单元来形成无线网络。可以满足访问有线网设备的需要。当火车沿着轨道行进时，它穿过各种BSS网络并依靠列车上的WGB来检测附近无线AP的距离和信号强度并选择最佳通信。在成功连接到BSS网络后，列车的行驶状态信息通过WGB发送到无线AP，然后传送到有线网络的服务器。地面控制中心对列车所传输的数据进行分析处理，并通过无线AP将列车控制信息传回列车，实现车辆与地面的双向通信。

3.2应对措施

在802.11标准中使用CSMA/CA机制。信号对地通信是“及时”的通信，允许数百毫秒，由于干扰允许有限的时间延迟。根据该机制，可以在车辆数据通信的系统设计中进行以下的改进。

3.2.1采用DSSS直序扩频技术的CBTC系统

1.当一个网络受到影响时，另一个网络仍然有效。特别是在抗干扰和频率利用方面，使用无干扰双通道可以同时降低两种类型频率受到MIFI干扰的可能性。

2.采用窄带技术。通过减少原始信道占用的带宽，可以获得更高的功率谱密度，并且可以增加物理层以确定信道占用强度阈值。这使其更能抵御来自20-MHz带宽MIFI和其他商用802.11无线设备的干扰。与此同时，CBTC系统还可以使用更多的物理独立信道来减少窄带信道占用的可能性，增加设计方案的灵活性和适应性。

3.使用无线电和地面子系统来增强车辆的前后屏蔽功能，例如驾驶室和驾驶室之间的隔板，以加强屏蔽措施。

基于这些改进后，CBTC系统还可以使用低端信道13+14双频，因为信道13目前相对比较空闲。

随着民用通信技术的飞速发展，信号系统无线通信将面临