上海城市轨道交通既有数据通信子系统优化研究*

王历珘

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司， 200235， 上海∥第一作者， 高级工程师)

CBTC(基于通信的列车控制)系统是一种基于车地无线通信的列车控制系统。移动中的列车通过车载无线MR(移动电台)接入轨旁DCS(数据通信子系统)无线网络，建立车地无线通信通道。列车VOBC(车载控制器)和轨旁ZC(区域控制器)、ATS(列车自动监控)服务器通过车地无线通道进行双向、实时的数据交互，VOBC将列车位置、车速、车次号等信息实时上报给ZC、ATS;ZC、ATS开始追踪列车，并发送移动授权、最高限速等命令给VOBC，控制列车在轨道上的移动。与传统的列车控制系统相比，CBTC系统的列车发车间隔更小，列车的开行密度更大，所以运输效率也更高。

1 DCS的组成及性能

1.1 既有DCS网络的组成

既有DCS网络可分解为3部分：①轨旁有线网络，负责车站、运营控制中心(OCC)、车辆段、试车线等轨旁区域信号设备的接入和数据交互；②车地无线网，负责轨旁信号设备和车载信号设备的数据交互；③车载有线网络，负责车载信号设备的接入和数据交互。

1.2 DCS的性能要求

对于CBTC系统而言，DCS是一个透明的传输子系统，其任务是传输行车控制数据。如果某列车在行驶过程中DCS发生故障，列车车载信号子系统与轨旁信号子系统会丢失通信，后续列车运行将会受到影响。因此，DCS的稳定性直接决定了整条线的运行效率。DCS运行的稳定性通常通过以下方面来保证：

1) 冗余的网络架构设计。即在设计网络架构时充分考虑冗余性，包括冗余的接入层、冗余的分布层和冗余的核心层，以确保网络发生单点故障或多点故障时，关键数据的传输不会中断。

2) 稳定的数据传输性能。包括DCS有线和DCS无线的吞吐率、时延、丢包率等性能参数，以充分满足信号系统的运行需求。

3) 可靠的网络安全机制。即需要确保列车行车控制数据在传输过程中不会被篡改，非法的网络入侵会被隔绝在DCS网络之外，接入DCS网络的终端/用户都是经过DCS认证的合法终端/用户。

2 上海城市轨道交通既有DCS介绍

上海轨道交通8号线是上海第1条部署CBTC系统的线路。目前，上海城市轨道交通线网中，除了1号线、3号线、4号线外，其余线路的信号系统均采用CBTC系统。在后续的线路信号系统改造项目以及新线建设项目中，在保持各家信号供应商的架构特性基础上，上海城市轨道交通将对DCS的高冗余性、高可靠性及高吞吐量提出新的要求。本文以上海轨道交通6号线、7号线、8号线、9号线等线路为例，对既有的DCS架构进行分析，如图1所示。在此基础上研究下一代DCS架构的搭建，以满足上海城市轨道交通高密度、零故障的运营需求。

注：LATS——集中站的监控系统；DTI——发车指示器；SD——安全设备；AP——接入点;MR——移动广播。

2.1 既有DCS网络架构的特点

2.1.1 接入层网络

接入层网络包括轨旁有线接入网、轨旁无线接入网和车载有线接入网3部分。

1) 轨旁有线接入网。轨旁有线接入网需要接入网络的终端，使用冗余的物理网口连接至2台冗余的接入交换机。在网络终端使用链路捆绑技术将2个物理接口捆绑成1个虚拟接口后对外通信。在正常情况下，主用链路激活，备用链路后备；当主用链路故障情况时，备用链路会接替主用链路继续收发数据，以确保通信业务不被中断。

2) 轨旁无线接入网。轨旁无线接入网使用2.4 GHz频段，通过基于FHSS(跳频扩频)技术的AP实现轨旁无线覆盖。轨旁AP采用冗余部署方案，即第n个AP的信号可以覆盖到第n+2个AP点，在列车运行轨道的任意一处，列车任意一端都有至少2个信号强度满足要求的AP信号，从而确保了单点的AP故障不会导致信号盲区的出现，如图2所示。

图2 轨旁AP的冗余覆盖示意图

3) 车载有线接入网。VOBC为2oo3(2 out of 3,即3取2)架构，车载信号设备主设备安装在列车带司机室拖车的TC1端(又称A端)。2套DCS设备分别安装在列车的TC1端和TC2端(又称B端)。 VOBC通过冗余的2条FHSS车地无线链路(含车载电台+车载SD)分别部署，与轨旁ZC、ATS交换数据。这2条链路上传输的数据完全相同，单条链路故障不影响另1条链路的数据传输。

2.1.2 分布层网络

分布层网络使用SD作为安全网关，其中：“安全”的意思是SD运行了IPSec(IP安全)功能，即在IP(互联网协议)层面对进出SD所属区域的业务流量进行加密、解密、鉴权及完整性校验，同时对不合法的流量进行过滤；“网关”的意思是SD属于3层设备，具备路由功能，可以对终端提供网关服务。

SD主要部署于轨旁集中站、OCC和车载等区域，不同区域的SD间需使用CA(认证授权)证书进行相互认证。使用认证的证书来自同一台CA服务器，只有经过认证的SD之间才能相互信任，建立IPSec链接。

SD按照物理位置可以分为轨旁SD和车载SD。其中：轨旁SD工作于集群主备模式，主机故障时备机会接替主机继续工作；车载SD工作于单机模式，在车载A端和B端各部署1台，2台车载SD并行工作，单机故障不影响另一台的正常运作。

2.1.3 核心层网络

CBTC骨干网由100 Mbit/s的2层交换机组成，这些交换机以环形方式互连，以实现冗余。交换机运行环形解析协议。根据此协议，环网中的1台交换机被配置为RM(冗余管理器)。配置为RM的交换机将自身的1个环网端口设为禁用，从而使环网中的1条链路处于备用状态，这样在骨干网中不会产生任何环路。在单点故障时，如链路或交换机故障的情况下，RM将激活禁用的端口，从而在500 ms内启用备用链路。这意味着在发生交换机或链路故障的情况下，DCS仍然可以保持骨干网内的通信。

2.2 既有DCS网络架构待优化问题

1) 冗余性问题。主要包括：①采用单套无线网；②轨旁SD为分散式部署；③采用单骨干网。

2) 网络性能问题。主要包括：①骨干网吞吐率(100 Mbit/s)和无线网吞吐率(1 Mbit/s)均偏低，无法承载更多的应用；②列车运行的轨道沿线的电磁环境日趋恶化，充斥着大量的2.4 GHz同频干扰信号，这些密集部署且工作在不同2.4 GHz信道的同频干扰设备对基于2.4 GHz的DCS产生一定的干扰。

3) 车载网络的扩展性问题。在以太网已经成为主流的当下，车载CAN(控制器局域网)需要整体向以太网方向改造。

3 优化的DCS网络架构

针对既有DCS存在的问题，本文在冗余性、网络性能等方面对DCS的架构进行了优化。如图3所示，优化后的DCS网络架构是一个高度冗余的架构。

3.1 冗余性

1) 骨干网。使用多重骨干网代替既有单骨干网，以解决既有网络骨干网缺乏冗余的问题。多重骨干网包括4部分：①ATP骨干网，用以承载行车控制相关的ATP流量；②ATS骨干网，用以承载列车监控相关的ATS流量；③FHSS骨干网，用以承载流经FHSS无线系统的车地通信流量；④LTE(长期演进)骨干网，用以承载流经LTE无线系统的车地通信流量。不同类型的业务流量在不同的骨干网上传输，相互之间不会影响。同时，针对ATP骨干网、ATS骨干网发生骨干网故障后可能会导致ATP业务流、ATS业务流中断的情况，优化后的DCS引入了“双网切换机制”，即如果ATP骨干网故障了，ATP业务流会顺畅切换到ATS骨干网；如果ATS骨干网故障了，ATS业务流会顺畅切换到ATP骨干网。

2) 无线网。使用“LTE-M和Wi-Fi”双制式网络代替既有DCS的单FHSS无线网架构，解决了既有DCS无线网缺乏后备的问题。同时，LTE无线系统采用“A/B网”架构设计，以进一步提升无线网的冗余性，车地无线链路数量由既有DCS的2条FHSS链路增加到了4条(新增了2条LTE链路)。优化后DCS的VOBC可以同时通过这4条无线链路与轨旁ZC、ATS做数据交互，任意1条或者多条链路故障不影响数据传输，只要有1条链路正常，列车就不会和轨旁丢失通信。

注：LTE——长期演进。

3) SD。轨旁SD使用“集中化A/B网部署”方式代替既有DCS网络“分散式部署”，其中：“集中化”是指将所有的轨旁SD集中到OCC进行集中维护，以降低了维护难度；“A/B网”是指针对车载SD分A端和B端的架构，轨旁SD分为A组和B组，轨旁A组的SD只负责和A端的车载SD通信，轨旁B组的SD只负责和B端的车载SD通信。A组和B组的SD物理隔离，单组SD故障不会导致车地通信的丢失。

3.2 网络性能

1) 有线部分。优化后的DCS网络的骨干网吞吐率由100 Mbit/s升级为1 Gbit/s，车载网络使用100 M的车载以太网交换机代替CAN总线，车载信号设备内部网络通信的带宽得到很大提升。

2) 无线抗干扰。优化后的DCS新引入LTE无线系统。与2.4 GHz频段相比，该系统使用1.8 GHz专有频段，专网专用，干扰问题较少，理论上可大幅提高DCS的无线抗干扰能力。

4 DCS未来的发展方向

优化后的DCS网络架构是基于既有DCS网络架构演化而来，主要针对既有网络的冗余性、网络性能和可扩展性三方面进行了优化。在未来，优化后的DCS架构还可以进一步在以下方面进行优化：

1) 将DCS整体过渡到A/B网架构。如图4所示，A/B网架构的优势是A网和B网并行工作，并行传输数据，不存在双网切换，因而也不存在切换时延；双网物理隔离，单网故障不会传导到另外一张网上。鉴于A/B网架构上述的优点，目前A/B网架构已经成为信号DCS的主流网络架构。优化后的DCS架构在车地通信网层面是A/B网架构，列车A端和B端与轨旁系统的通信走相互独立的通道，在轨旁有线网层面则采用“ATP+ATS双网切换”架构。未来DCS的车地无线网和轨旁有线网在架构方面将趋于一致，可整体过渡到A/B网架构。

图4 优化后DCS的A/B网网络架构示意图

2) 将部分DCS设备异地部署。既有DCS中，与车地通信相关的轨旁SD、LTE设备全部部署在OCC。优化后的DCS车地通信网部分为A/B网架构，A端和B端完全独立，与列车B端通信相关的轨旁交换机、SD、LTE等设备可以考虑拆分出来异地部署，如A端设备部署在OCC、B端设备部署在车辆段。这样部署后，任意一处设备发生故障，轨旁ZC和VOBC都不会丢失通信。

3) 应对目前LTE频谱资源有限问题。LTE所使用的的1.8 G频段，可用于城市轨道交通的频率范围为1 785～1 805 MHz，带宽20 MHz，频谱资源有限，获取频段难度很大。以上海轨道交通5号线为例，该线的信号业务只申请到5 MHz带宽，虽然可以满足信号业务需求，但是有限的频谱带宽限制了后续新增业务的扩展。DCS会考虑在后续的项目中采用新技术来解决频谱资源受限的问题，如引入5G(第5代移动通信技术)等。不同于4G(第4代移动通信技术)，5G在通信带宽、传输时延、信息传递可靠性和安全性等方面都有显著的优势，使用5G网络承载城市轨道交通信号业务将会是未来发展的大趋势。因此，可以在当前阶段，积极对基于5G的DCS演进进行探索和技术储备。

上述几点是从网络架构、系统性能2个方面对优化后DCS网络提出的优化方案。未来DCS的基本任务依然是行车控制数据的可靠传输， 优化DCS的网络架构、提升DCS的网络性能都需要围绕这个基本任务来开展。在网络架构趋于稳定、网络性能充分满足信号系统需求之后，DCS还需要在运营稳定性方面下功夫，既有DCS的故障解决流程如图5所示。尝试将目前的运维工作由被动运维转为主动运维，在故障发生之前就能发现存在的故障隐患并及时处理，在故障发生后可自动定位故障并出具故障分析报告，这样可以大大提升运维效率，将DCS故障对运营的影响降到最低。

图5 既有DCS的故障处理流程

5 结语

信号系统承担着城市轨道交通高效运营的重任。由于信号的数据传输故障会对运营造成重大影响，因此信号系统演进的核心目标之一是涉及运营的关键功能“零失效”。 为提高设备的稳定性与可靠性，需通过多模冗余的架构设计来实现关键设备单系故障不导致整体失效、故障设备和冗余设备间实现无缝切换，以达到对运营不造成显性影响的目的。