基于环线的车-地通信系统浅析

卢登攀 陈 微 辛 骥

广州地铁通号中心通号维修部 510000 广州

*助理工程师 ＊＊工程师

地铁具有高速、安全、准时和载客量大的特点，是现代城市解决交通拥塞最主要的手段。地铁车载设备及地面设备之间的通信，对地铁的安全高效运行尤为重要。根据广州地铁1、2号线积累的经验，3号线采用了以通信为基础的SelTrac移动闭塞系统，使用较少的地面和车载硬件，通过感应环线通信系统来提供车-地通信，实现预期的列车运营间隔。

1 系统构成

1.1 车载设备

每列3节编组的列车两端各配备一套车载控制器(VOBC)，与车辆控制中心(VCC)进行双向数据通信。VOBC由电子单元、接口继电器单元、司机显示器、供电单元、接近传感器和天线等组成。

1.2 轨旁设备

感应环线数据通信系统是VCC和VOBC之间交换信息的媒介，通过它VOBC向VCC提供列车的位置信息，通过SDH网由车站控制器 (STC)向VCC提供道岔、计轴等线路信息。感应环线数据通信系统由馈电设备、远端感应环线盒 (远程终端盒和远程馈电盒)、线路放大器、数据电缆分线盘、感应环线电缆等组成。其中，感应环线电缆是一种绞合铜芯电缆，外加绝缘和非屏蔽的防护外套，可作为感应环线通信系统的发送及接收天线使用，是实现车-地通信的核心元素。感应环线电缆可以根据轨道的分布特点，采取非对称或对称形式进行安装。不对称环用于相对较短的轨道区段(大约1 km或更短)，感应环线只有1条支路，轨旁设备较少;对称方式用于轨道相对较长 (大于1 km)的区段，感应环线有2条支路。

1.3 中心设备

中心设备由VCC和系统管理中心 (SMC)组成。VCC根据列车发来的数据和存储在线路拓扑图中的数据进行计算，并更新目标停车点。每列车不断地向VCC传送包括速度、位置、行车方向等信息的状态报文。SMC根据VCC发来的数据信息，自动为列车办理进路，并具备运行图监督功能。

2 通信原理

车-地通信系统原理如图1所示。VCC接收到从感应环线传输上来的列车位置等相关信息后，进行数据转换及处理后传输给SMC，SMC根据运行图中匹配的信息向VCC发出进路请求，VCC通过车站控制器控制轨旁设备，并接收由车站控制器反馈回来的轨旁设备状态信息。

VCC在确认进路锁闭、道岔锁好等安全条件下，通过感应环线向VOBC发送移动授权、目标点、推荐速度等;VCC向所有感应环线广播各列车的控制信息，当列车行驶到某一环线上时，会根据令牌信息选择接收本列车的控制信息。

图1 车-地通信系统原理图

图2 感应环线至VCC数据流程图

2.1 感应环线至VCC数据通信流程

感应环线至VCC数据流程如图2所示。感应环线接收到VOBC传输的列车位置信息后，在馈电设备柜进行数据耦合、阻抗匹配，及对数据信号调整进行监控。馈电设备对感应环线的监控，根据VCC发送的36 kHz FSK移频键控信号进行四分频，输出9 kHz监视信号到馈电设备的监督继电器，用于检测感应环线的完整性。模块前面的指示灯可显示感应环线的状态。馈电设备进行最后的电流放大及变压器耦合，并将36 kHz FSK移频键控信号发送到感应环线上，通过调节馈电设备模块上的电感来平衡感应环线电流。

馈电设备接收到感应环线的数据信息后，进行相关处理，通过50芯电缆从本站分线盘传输至下一站分线盘，经线路放大器放大处理后，再逐站传输至中心VCC。线路放大器只对传至本站的其他感应环线数据进行放大，而本站的感应环线数据则不经过本站的线路放大器。

2.2 VOBC与VCC之间数据通信原理

感应环线至VCC数据通信原理如图3所示，VCC发来的命令报文以 (36±0.4)kHz FSK移频键控信号的形式，通过中心馈电设备和馈电设备送入感应环线电缆。每个感应环线通道每隔70 ms的VCC工作周期，输出一个83位的串行命令报文，数据传输速率相当于1200 b/s。感应环线电流所产生的磁场被列车上的天线接收，并传给VOBC天线。

同理，VOBC通过 (56±0.2)kHz FSK移频键控信号的频率，以600 b/s的速率发送41个数据位的报文。响应报文信号经车辆的发送天线耦合后，再由馈电设备接收器从感应环线驱动变压器的第3组线圈上提取出来。输入信号随后经过多级放大，通过“收到信号”表示灯可知有信号输入。如果在规定时间内没有输入信号，则放大电路停止工作，避免将噪声信号传给VCC。

图3 感应环线至VCC数据通信原理图

2.3 无线通信安全措施

以下方法用于检验车辆、地面和中心之间的数据通信完整性。

1.对有关运输安全的数据进行循环冗余校验(CRC)，确保不接收已被电磁干扰的数据。

2.对传送的数据进行周期性更新。从VCC传送到VOBC和STC的命令，在每个新电文中得到更新或确认。

3.对接收到的信息进行合理性、持续性和一致性检查。子系统根据以前的电报、物理规则及设计限制对信息进行检验。

2.4 列车精确定位

列车精确定位是信号系统安全保障的前提。精确的位置参数是通过感应环线边界来建立的，感应环交叉点之间的位置由车轴上附带的测速电机测量确定，精确度为1.5 m。列车测量出的位置信息通过环线反馈到VCC，这样列车定位的分辨率可达6.25 m。

3 车-地通信故障采取的安全措施

3.1 VOBC故障

3.1.1 复位失去通信的主用VOBC

如果VCC失去同主用 VOBC的通信联系，VOBC将自动制动停车，ATC系统将通知中心调度员通信联系中断，并自动尝试切换到列车另外一个VOBC上，成功切换后列车仍能正常运行。基于冗余的概念，中心调度员命令司机在列车停站时，通过司机面板上的按钮来实现VOBC复位，并通知列车在进入感应环线分界点时慢速前行，在握手成功后，中心调度员使用“恢复VOBC”命令来重新建立VCC与失去通信的VOBC之间的通信联系，以保障双机热备的功能。

当所有VOBC都失去通信时，可以通过司机面板上的按钮来实现VOBC复位，复位列车线通电，持续激活2 s，等同于转换开关从开切换到关再到开，所有的VOBC将开始工作。

3.1.2 复位失去通信的备用VOBC

如果VCC失去同备用VOBC的通信联系，列车将不会停车，仍能继续正常运行。复位VOBC、恢复VCC与备用VOBC之间通信联系的操作同上。

当列车频繁出现失去通信的情况，建议列车回库，根据故障代码做相应的硬件检测，并及时更换故障板块。

3.2 感应环线故障

感应环线的数据通信故障只影响该感应环线范围内的车-地通信，其他感应环线不受影响。即使没有列车通过，感应环线也始终处于VCC的监视下。任何感应环线故障都可以在3 s内报告给中心调度员。

一旦同VCC的联系中断超过3 s，故障区域内的所有自动列车将采取常用制动，并等待同VCC恢复通信;没有进入感应环线的列车也要采取常用制动，在故障感应环线外停车。为了使列车通过感应环线故障区，中心调度员必须设置人工进路预留，列车将以限制人工驾驶模式驶出感应环线故障区段。

列车通过故障区段时将丢失通信，中心调度员通过检测计轴区段的占用/空闲来判断列车的位置。当列车驶出故障区段后，在环线边界 (系统定义的投入点)列车将再次建立VOBC与VCC的通信。

感应环线故障的原因:①感应环线被拉断，需在收车后组织信号人员进行环线接续;②传输媒质(馈电设备、线路放大器等)的参数不符合规范，或相应硬件出现问题，信号人员要在这些媒质的分界点测量板块的相应参数，判断是哪个站、室内还是室外的故障，进行相应的电压/电流值调整，或更换相应的板块。板块更换过程中要注意跳线的设置。

馈电设备、线路放大器是环线与VCC建立通信的纽带。一旦VCC检测到感应环线完整性的9 kHz信号没有及时反馈到中心，3 s后故障区域内的所有自动列车将采取常用制动，并等待同VCC恢复通信。

4 故障实例

4.1 单个列车在多个地方出现车-地通信失败

这可确定为车的问题，主要通过复位VOBC来重新建立车-地通信。如该车多次出现问题，可判断为硬件故障或者软件程序出错，建议回库处理。

案例:2008年9—11月，03列车共记录有16次VOBC死机的情况，死机代码均为2C。通过跟进及分析，发现是车载接收、发送天线电缆破皮导致天线接头氧化接触不良。

4.2 多个列车在同一环线出现车-地通信失败

这可确定为感应环线或者是传输媒质的问题。中心调度员可以通过司机现场确认环线是否存在破损、拉断等情况，信号人员应及时到达信号设备室，根据馈电设备上板块指示灯的状态、分线盘上36 kHz、56 kHz、9 kHz信号的有无，判断故障点，判断原则如下。

1．如果发送器模块故障，则S模块上的指示灯和监控板上的指示灯都灭灯。

2．如果发送器模块工作正常，但环线或者端发送板有问题，则发送器模块指示灯将灭灯，而监控板指示灯亮灯。

3．如果监控板有故障，而发送器模块工作正常，则监控板指示灯灭灯，发送器模块指示灯亮灯。更换故障板块后还不行，则需检查线路放大器模块上端子4和端子7之间的输出电平。如果信号不在规定的范围内，则更换该模块。

案例:2011年5月12日，连续有3趟车在环线14与16的边界出现了TIME-OUT(丢失通信)，原因是馈电设备的端发送板电压过低，更换该板卡后恢复。

5 结束语

以环线为基础的SelTrac移动闭塞系统，考虑了车-地通信所要求的各个要素，最大程度地保障了列车行车安全，具有很高的可靠性，在广州地铁3号线的列车自动化控制过程中，起到了不可替代的作用。但由于在正线上铺设了大量的感应环线，且感应环线容易损坏，使得维护工作量大大增加，还给其他设备的维护带来了不便。

［1］ 易立富.城轨交通列控系统的车地通信方式［J］.都市快轨，2006(6).

［2］ 赵惠祥.城市轨道交通系统的运营安全性与可靠性研究［D］.上海:同济大学，2006.

［3］ 孙林祥，房坚．城市轨道交通的列车定位技术［J］.电子工程师，2002(7)．

［4］ 李红君，钟章队.基于无线的列车控制系统［J］.铁道通信信号，2002，(1).

［5］ 张滔，段晨宁.ATO系统在广州地铁1号线的应用．都市快轨，2001(1).

［6］ 诸蓉萍，吴汶麒.移动闭塞技术及其应用［J］.都市快轨，2004(2).

［7］ 刘剑.城市轨道交通移动闭塞系统后备模式的研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2005.