城轨列车在途安全监测数据传输系统研究

李宏辉， 李海玉

（ 广州市地下铁道总公司 工程技术研发中心，广州 510335）

城轨列车在途安全监测数据传输系统研究

李宏辉， 李海玉

（ 广州市地下铁道总公司 工程技术研发中心，广州 510335）

为实现列车运行安全状态的实时全面获取和车地有效传输，对城轨列车在途监测数据传输系统进行研究。文章分析城轨列车在途数据传输系统的适应性，设计了城轨列车在途数据传输系统的构架，详细分析了车载子系统和地面子系统的组成及其关键技术。通过室内试验、公路试验和现场试验等3种方式，对城轨列车在途数据传输系统进行了试验，试验结果表明，该系统各项技能指标均满足设计要求，能够满足大容量安全监测数据车地传输的需要。

数据传输；城轨列车；安全监测

城轨列车正线运行时的网压、车速及关键系统的运行参数等实时安全监测数据是保证列车在途安全运行的基础。目前，城轨列车均安装了部件级安全监测装置并利用车载网络进行数据传输，从而实现了安全监测数据存储及主要信息的显示与报警，但仅限于列车本地数据处理，无法将列车安全监测数据传输到地面，车辆维修部门及控制中心等无法实时获取在途车辆信息。为提高城轨交通主动安全保障能力，进一步实现城轨列车状态修，采用先进通信技术实现城轨列车在途安全监测数据的实时车地传输成为当前城轨运营部门的迫切需求。

本文在分析城轨列车在途安全监测数据传输系统适应性基础上，给出了城轨列车在途数据传输系统的构架，详述了车载子系统和地面子系统的组成及其关键技术，描述了现场试验过程，验证了本文给出的城轨列车数据传输系统能够满足城轨列车大容量安全监测数据传输的需求。

1 城轨列车在途安全监测数据传输系统的适应性分析

鉴于应用场景与使用对象等因素的差别，城轨列车在途数据传输系统与公众宽带无线接入网有着显著的不同，主要表现在信道传播环境、网络覆盖方式、无线资源分配方式以及业务流量等方面，因此本节对城轨列车在途数据传输系统的适应性进行具体分析。

1.1 环境复杂多变与无线信道变化快速

现代城市轨道交通通常建设在密集城区、地下隧道或城郊空旷地带，车外的传播环境变化较多，电波传播途径丰富；地下隧道电波传播局限于狭小空间，反射多且当列车穿越覆盖天线时，出现多普勒快速变化；城郊空旷地带反射较少，直射波较强。

1.2 城轨列车运动的规律性和运动信息的可预知性

与公众移动通信用户在小区内的随机运动不同，由于城轨列车在确知的轨道上行驶，且具有先进的列车控制系统，其运行状态是可知的。与公众通信网的六边形蜂窝结构不同，城轨交通宽带无线接入所

覆盖的服务区域沿轨道呈带状分布。

1.3 车地传输宽带无线接入的集中性和相对性

城轨列车监测、监控、传感网络等安全数据的宽带无线接入可看作是集体接入，而公众移动通信用户是独立接入。

1.4 车地传输无线接入系统容量可预知性

针对城轨列车中的监测、监控、传感网、预警和维护等系统，可以预先评估其带宽，因此车地传输无线接入系统容量可预知。

因此应根据城轨列车在途数据传输系统的适应性特点，在相应的物理层传输技术、数据链路层技术和网络层技术进行相应的优化设计，另一方面应充分利用公众无线通信网络已经开发出的先进技术，尽量在已有的开放技术标准基础之上开发专用的车地传输系统。

图1 城轨列车在途数据传输系统构架示意图

2 城轨列车在途安全监测数据传输系统的设计

城轨列车在途数据传输系统将移动中的列车安全监测数据实时传输至地面，并进一步分析处理，因此从物理结构上可将城轨列车在途数据传输系统划分为车载子系统和地面子系统，两个子系统之间通过大容量无线通信方式进行安全监测数据交换，其构架如图1所示。

2.1 车载子系统

车载子系统由车载无线通信主机、车载无线信道单元及天线组成，其中车载无线信道单元及天线包括车载实时信道单元、车载实时信道天线、车载静止信道单元和车载静止信道天线，如图2所示。

图2 车载子系统结构

车载无线通信主机是整个车载子系统核心。它根据信息传输优先级确定传输机制，对故障告警信息采用最高优先级实时传输方式，对车辆和乘客实时状态信息采用实时传输或周期传输方式，对低优先级信息采用静止信道大容量传输方式。对需要传输的数据进行打包和缓存，并分发到相应的信道单元，对实时信道单元、静止信道单元进行控制，自动均衡实时无线信道与大容量静止信道的传输资源，实现列车在途状态信息向地面中心的实时传输。

图3 车载实时/静止单元与天线

车载无线信道单元分实时信道单元和静止信道单元，如图3所示。在车载通信主机的控制下，通过车载实时信道天线和静止信道天线，与轨旁无线设备进行通信，完成车地数据传输的任务。车载无线信道单元安装于列车两端司机室天花板上方，天线安装于列车两端司机室上方的列车顶部，天线安装后不超出车辆限界。

2.2 地面子系统

地面子系统由轨旁无线接入设备和无线传输地面中心管理设备组成，其中轨旁无线接入设备包括轨旁的实时信道基站、站内的静止信道基站和车站接入管理器，无线传输地面中心管理设备包括队列管理器、网络控制中心设备、网络服务中心设备、维护管理设备、网络接入设备，全部设备均连接在地面专用网络上，如图4所示。

实时信道基站由实时信道单元和实时信道天线组成，在站内使用时单侧站台使用2 套基站，分别工作在不同频点，每套基站包含1 个实时信道单元和4 副天线，在区间使用时每套基站包含1 个实时信道单元和2 个天线。静止信道基站由静止信道单元和静止信道天线组成，每套基站包含1 个静止信道单元和1 副天线，采用符合802.11n 协议的电信级无线访问节点（AP） 实现。车站接入管理器控制管辖范围内的实时信道基站和静止信道基站间的信道资源、用户接入及相邻切换，确保系统内两种车地无线传输方式的效率，实现各传输基站向管理器发送数据的汇聚并完成数据整合、封装及向地面管理中心发送。

队列管理器实现全部列车安全监测数据传输的队列化分级管理，采用序列进入跳跃响应方式保证了处于紧急和非常规状态下的数据传输调度，从而保障了列车在途安全监测数据的分级、高效调度和传输。网络控制中心设备完成整个系统设备的运行协同和列车在途安全监测数据的控制转发。网络接入设备实现与外部或公用网络的连接，实现城轨列车运行状态信息和故障预警信息的多平台共享。网络服务中心设备实现系统中全部用户数据、设备状态数据、移动位置数据、配置参数和列车下传的安全监测数据等的管理服务。维护管理设备用于整个系统及移动终端工作参数及状态的设置查询，以直观的网页方式提供每个轨旁及站内无线接入设备和移动终端设备的位置及网络设备的工作情况。

图4 地面子系统结构

3 关键技术

3.1 数据传输可靠性与安全性保障技术

在城轨列车安全监测数据传输过程中，有可能会存在信息失效及安全威胁等问题，因此应采取必要措施提高数据传输的可靠性与安全性：采用基本卷积码的方式，保障码元的检纠错能力；采用块交织的方式提高信道的检纠错能力；采用码元中加扰码的方式， 提高信道的可靠性和保密性；采用IPSec机制，保护 IP数据包的安全，通过采用数据包筛选技术及受信任通信的实施来防御网络攻击；采用网络接入认证技术，实现本地认证和本地授权的安全功能，防止非法用户入侵。采用优先级变换算法、网络带宽分配算法、传输质量控制算法和无线链路冗余备份算法等保证高优先级信息的传输。

3.2 多普勒频移估计与补偿技术

在较高速度的移动环境中，多普勒效应造成的频移将破坏正交频分复用系统子载波间正交性，成为制约系统性能的主要因素之一，因此必须对系统频偏进行准确估计和补偿。城轨列车运行线路和速度曲线相对固定，且可以较容易地获取速度和位置信息，因此，本文采用简化的最大似然估计法实现多普勒频移估计，采用均衡法补偿非完全正交所带来的损失，从而改善了车载移动终端的传输性能和切换性能。

3.3 数据链路快速构建与恢复技术

城轨列车运行环境复杂，无线数据链路容易出现断链等情况，因此应研究数据链路快速构建与恢复相关技术。

为保证传输的可靠性和快速接入，采用高可靠性的短距离多点冗余覆盖方式实现无线网络覆盖，为永久性数据链路构建提供物理层保障。采用具有路由功能的移动终端，与地面传输控制系统的中心路由器共同进行链路的路由管理，形成数据链路的双向自适应路由机制，依据对链路时延、数据速率、差错率和路由稳定性的综合评估，决定链路的路由选择，基于单链路及多链路数据转发方式实现数据链路快速构建和恢复。采用移动IP的3层切换技术实现高速移动条件下的快速切换，根据列车位置、运行方向、运行速度和线路情况，预测列车前方的最佳切换点，辅助实现信道的快速软切换，通过优化移动IP协议，缩短路由建立时间和切换时间，减少重发次数，实现数据链路的快速恢复，保证链路通信正常进行 [9～10]。

4 试验与验证

城轨列车在途安全监测数据传输系统的主要设计技术指标为：（1）车站静止信道最大传输速率≥500 Mbps；（2）最高速度120 km/h理想条件下实时信道最大传输速率≥16 Mbps；（3）在不大于10%误码率条件下能够传输不少于3路高优先级信息。根据以上技术指标，设计了3种指标验证场景，即室内、公路和现场，其中室内场景主要用于验证静止信道传输速率，公路场景主要用于验证速度120 km/h时的实时信道传输速率，现场试验主要用于验证实时信道最大传输速率和高优先级信息传输误码率。

4.1 室内试验

在实验室搭建满足要求的设备环境后进行数据发送测试。在无线设备两端分别连接计算机终端，采用带宽测试工具，在控制端上实时显示数据传输速率，试验环境如图5所示。经10次测试并取平均值得到静止信道传输速率为581.216 Mbps，满足系统设计指标，图6给出了第4次测试的记录截图，其平均传输速率为589.811 Mbps，满足静止信道传输速率≥500 Mbps的设计要求。

图5 室内试验环境

4.2 公路试验

由于城轨列车运行最高速度一般为80 km/h，难以验证120 km/h情况下的实时信道传输速率，因此采用公路试验法进行指标验证。在汽车上安装放置无线传输车载设备，在公路旁放置无线传输地面设备，在车载设备和地面设备上连接笔记本电脑。在汽车车速120 km/h条件下，采用模拟软件发送大数据文件，在模拟软件上展示数据传输速率等结果，试验环境如图7所示。经测试，在120 km/h条件，实时信道最大传输速率为17.948 Mbps，最小传输速率为16.138 Mbps，满足120 km/h理想条件下实时信道最大传输速率≥16 Mbps的设计要求。

图6 室内测试记录

图7 公路试验环境

4.3 现场试验

在广州地铁2号线江泰路-昌岗-江南西的3站两区间布设城轨列车在途数据传输系统进行主要性能指标验证，试验在地铁运营结束后，协调车站、通号、车辆及车务等部门共同实施。

在车载发送模拟端通过车载设备实时发送数据到地面，地面接收和处理终端记录统计日志，在展示终端实时展示数据传输速率等参数，试验结果表明，在列车正常运行时实时信道传输速率为16.52 Mbps，大于16 Mbps的设计指标要求，测试结果如图8所示。

图8 现场测试记录

在车载发送模拟端实时连续向地面发送1路视频图像、多功能车辆总线（MVB）数据、诊断结果数据及部分传感器原始数据。在地面展示平台的多个终端上分别显示视频图像等数据的实时状态，在数据中心连接的维护终端查看原始数据的接收存储情况，在地面测试展示终端上展示无线传输的误码率指标，试验结果表明，系统在传输视频图像、MVB数据、诊断结果数据及部分传感器原始数据等多路信号时，其无线传输误码率为1%左右，远低于10%的设计要求。

通过室内试验、公路试验和现场试验等多种方式，对城轨列车在途数据传输系统技术指标进行了验证，试验结果表明，本文提出的城轨列车在途数据传输系统能够以1%误码率、16 Mbps传输速率实现列车正线运行时的实时信道传输，能够以500 Mbps传输速率实现列车停站时的静止信道传输，满足大容量安全监测数据车地传输的需要。

5 结束语

我国城轨列车运行安全保障和运维仍主要依靠定期检修及事后故障修，列车运行安全状态的实时全面获取和在途预警体系化技术与装备的缺乏已成为我国城轨交通安全水平和运维效率提升的重大瓶颈，本文对城轨列车在途安全监测数据传输系统进行了研究与设计，在对数据传输系统适应性分析基础上，进行了车载子系统和地面子系统的组成设计及关键技术分析，并进行了室内、公路和现场试验，试验结果表明，本文提出的城轨列车在途数据传输系统能实现列车正线运行时的实时信道传输以及列车停站时的静止信道传输，满足城轨列车大容量安全监测数据传输的需求。

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责任编辑 杨利明

Research on Data Transmission System of safety monitoring for train of Urban Transit

LI Honghui, LI Haiyu
( Engineering and Technical Research Center, Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510335, China )

In order to implement effective vehicle-ground communication and acquisition of safety status for train of Urban Transit in time, the Data Transmission System of safety monitoring for train of Urban Transit was designed and analyzed. Firstly, the adaptability of the System was analyzed. Secondly, the framework of the System was designed, and the composition and key technologies of its on-board subsystem and groundmounted subsystem were detailed. Finally, the experiments were conducted, including laboratory test, road test and fi eld test, to validate the designed System. The experiment results showed that the designed System could meet the needs of transmission for large amount of safety monitoring data.

data communication; train of Urban Transit; safety monitor

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2014）05-0006-06

2014-01-25

国家高技术研究发展计划（863计划）资助（2011AA110504）。作者简介：李宏辉, 工程师；李海玉，高级工程师。