车载信号车辆位置信息传输技术在地铁中的应用

雷明宇

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北远东哈里斯通信有限公司 河北 石家庄 050200）

1 总体概述

随着我国地铁事业的快速发展， 现场环境日趋复杂，对相关设备的功能要求也越来越高，现有的信息传输技术局限性也逐渐暴露出来，特殊情况下，当地铁信号设备出现故障时，列车滞留在隧道区间内，控制中心调度系统无法得知列车的具体故障地点，给调度人员指挥运用及故障处理带来了不便之处。 车载信号车辆位置信息传输技术，为解决此类问题提供了有效途径。 根据地铁运营时出现的特殊情况，本着实用且方便的原则，车载信号车辆位置信息传输技术成为一种实现方式。

2 系统组成

图1 车载信号车辆位置信息传输系统连接示意图

如图1 所示， 车载信号车辆位置信息传输系统主要由CAD 调度服务器和通信车载台两大主要部分组成。

利用通信车载台既有RS232 数据接口与地面PIS 车载设备互连互通， 从地面PIS 车载设备接收其转发的车载信号位置信息；

利用无线系统数据传输通道把车载信号车辆位置信息进一步转发给控制中心CAD 调度系统服务器， 由CAD 调度服务器分发给各调度台，最终呈现给用户。

系统主要设备

2.1 CAD 调度服务器

CAD 调度服务器是车载信号车辆位置信息传输的关键设备，负责利用系统提供的数据传输服务与通信车载台实现数据传输，并根据需要把所接收到的车载信号车辆位置信息转发给各调度台席位。

CAD 调度服务器采用机架式服务器硬件，其上运行有定制研发的CAD 调度服务器软件。 CAD 调度服务器软件具有友好的用户操作界面，允许用户查看系统内车辆位置信息数据传输活动。

2.2 通信车载台

通信车载台是在TETRA 标准电台TMR880i 的基础上进行的二次开发产品。

通信车载台主要包括主机、控制盒、天线、馈线等组成部分，在主机和控制盒上设计有各种外部接口以连接到外部系统设备，其中，控制盒上设计有RS232 接口，专门用来连接地面PIS 车载设备。 车载台控制盒能够提供操作、显示界面，运行期间，用户可以通过操控该设备调用各种用户功能。

3 功能实现

车载信号车辆位置信息传输的主要功能是在特定情况下利用专用无线通信系统传输通道进行车辆位置信息传输和信息共享，以辅助调度人员指挥运营需要。

3.1 车载信号车辆位置信息流特性

通信车载台外侧接口车载信号车辆位置信息流特性：

1）包长度：≤20 字节；

2）包频度：很高，1 包/50ms（20 包/s），但是可由无线系统控制传输；

3）延迟要求：较低，允许滞后传输；

4）重要性：一般。

车载信号车辆位置信息内容包括：

1）上下行信息：1 个字节；

2）PVID 车体号（即车组号）：2 个字节；//应该是车次号

3）下一站的ID：2 个字节；

4）到下一站距离：2 个字节，单位为0.5 米。

此外，专用无线通信系统与信号系统在控制中心设计有接口，该接口传输的信息包括：

1）车组号；

2）车次号；

3）司机号；

4）上下行；

5）当前车站。

3.2 信息传输与控制

车载信号车辆位置信息的信源是车载信号设备，信宿是控制中心专用无线系统CAD 调度服务器和调度台， 通信车载台在接收、 解析该类信息之后将进一步转发给CAD 调度服务器，由后者在系统内部实现信息共享，分发给相应的调度台等设备。

地面PIS 车载设备提供给通信车载台设备的车载信号车辆位置信息是一种高精度、周期性实时更新的信息流。 为了满足不同的应用需求，无线系统将利用该信息提取出以下两种信息：

1）高精度列车位置信息：

完全复制车载信号设备信息，包括上下行信息、下一车站ID、至下一车站距离。 在特定情况下（例如，控制中心信号ATS 人机界面故障）， 该信息可以用来辅助调度用户较为准确的定位列车位置，并以图文形式呈现在调度界面上。

2）低精度列车位置信息：

由车载信号车辆位置信息转换而来的信息，包括上下行信息、当前车站信息。 当控制中心专用无线系统与信号系统之间接口故障时，该信息可以用来辅助调度席位分配、释放列车资源，完成界面列车位置信息更新。

对于上述两种精度的车载信号车辆位置信息，将采用以下不同的传输与控制策略，下面分别进行简要描述。

3.2.1 高精度列车位置信息传输与控制

对于高精度列车位置信息传输，将采用以下传输与控制策略：

1）必须由控制中心调度用户手动操作触发信息上报；

2）每次触发操作仅上报一次信息包，上报完成之后将自动关闭信息上报，直到接收到下一个上报控制指令，即，无需单独对该车载台发送停止传输控制指令；

3）控制中心调度用户可以同时触发多个列车车载台进行位置信息上报；

4）高精度列车位置信息传输与控制中心侧无线系统和信号系统接口状态无关。

高精度列车位置信息将以图文等方式在调度台软件界面上呈现给用户。

图2 通信车载台一侧高精度列车位置信息传输状态迁移图

3.2.2 低精度列车位置信息传输与控制

下面的章节主要用来描述低精度列车位置信息的传输与控制策略。

与高精度列车位置信息传输和控制策略相比，其最大不同是：

1）对于低精度列车位置信息，每次触发操作将打开信息上报状态，直到车载台接收到手动关闭控制指令，在此期间如果检查到信息变化时持续上报信息包；

2）低精度列车位置信息传输与控制中心侧无线系统和信号系统接口状态相关： 仅当无线系统与信号系统接口故障时，才能启动低精度列车位置信息传输，这样能够有效防止无线系统从两个接口接收到不一致的位置信息造成调度混乱。

1）信息传输控制策略

通信车载台在进行车载信号车辆位置信息传输时，需要采用以下特殊处理措施：

（1）通信车载台一直接收地面PIS 车载设备提供的数据信息，但是，仅在接收到控制指令时才会开始、停止列车位置信息传输——控制中心调度用户可以通过操作对该车载台发出控制指令；

（2）控制中心CAD 调度服务器仅在中心信号链路故障的情况下才会启动低精度列车位置信息传输，无线系统CAD 调度系统将以这些车载信号设备信息辅助列车运营调度；

（3）为了节省无线通道资源，车载台并不是直接复制信号设备数据包，而是在把这些信息进行一定的整合、变换之后再转发给CAD 调度服务器；

（4）即使通信车载台从地面PIS 车载设备接收到的信息发生了改变，但是，如果变换之后的列车位置信息结果并没有发生改变，那么通信车载台将不会上传该变换结果，列车在正线上运行时，如果不跨站不折返，其低精度列车位置信息将不会改变。

2）启动、停止信息传输的先决条件

控制中心专用无线通信系统CAD 调度设备与信号设备接口故障、恢复事件是启动、停止车载信号车辆位置信息传输的先决条件。

这两个事件的定义如下：

（1）故障事件：

a）软件信号接口任务启动失败，或者无网络连接；

b）超时无数据传输，可能物理链路断开，或者信号设备故障，或者中间链路设备，或者链路上连接电缆故障；

c）能够接收到信号设备发送的数据，但是数据包格式与接口文件不符，解析失败；

上述任一事件发生，即为故障事件。

（2）恢复事件：

d）软件能够在指定的时间周期内接收到信号设备发送的数据包，并且该数据包格式与接口协议一致（可能数据包校验错）， 只要有一个信号系统接口链路工作正常调度系统服务器就能够工作正常；

上述两类事件都由CAD 调度服务器识别、判断。

3）传输控制指令与传输过程

在CAD 调度服务器和通信车载台之间主要设计有以下两类控制指令：

（1）启动传输；

（2）停止传输。

为了节约无线通道资源，提高传输可靠性，可以采用状态消息承载上述控制指令。

采用以下方式控制车载信号车辆位置信息传输：

（1）通信车载台加电启动时，传输控制总是默认为关闭状态；

（2）当CAD 调度服务器向下发送控制指令时，可以采用单播或组播方式，在此基础上添加确认和重传机制确保传输成功；

（3）当下发控制指令时，总是只发给已开机注册的通信车载台；

（4） 如果CAD 调度服务器在中心信号接口工作正常的情况下接收到了通信车载台转发的低精度列车位置信息，应该对该设备补发停止传输控制指令，立即停止该信息传输；

（5）当通信车载台传输控制为打开状态时，如果它检查到列车跨越车站区间，将立即开始上报一个新的列车位置信息包；

（6）CAD 调度服务器软件设计有手动发送控制指令的操作界面，便于用户单独控制通信车载台信号设备信息传输。

图3 通信车载台一侧低精度列车位置信息传输状态迁移图

通信车载台即使在信息传输关闭状态下，也会继续接收和变换车载信号设备提供的数据信息，以便在启动传输控制时能够及时上传该列车信息。

4 其他

4.1 共享系统短数据传输服务

本系统中，主要存在以下两种数据传输需求需要使用到系统提供的短数据传输服务：

1）CAD 调度系统与通信车载台、固定台之间定制数据传输需求：包括列车位置更新、对时信息、呼叫请求等，其中最频繁的数据是列车位置更新；

2）通信车载台到控制中心设备之间的数据传输需求：车载信号车辆位置信息。

根据总体设计， 第一种数据传输主要是下行数据传输，而第二种数据传输主要是上行数据传输，这两种数据传输相互之间影响较小。

4.2 专用无线通信系统短数据传输通道性能

从通信车载台到无线系统控制中心设备之间采用系统提供的短数据传输服务实现数据传输，无线系统的短数据传输服务直接影响到车载信号车辆位置信息传输性能。

下面从以下几个方面简单描述一下无线系统短数据传输通道性能：

4.2.1 通道带宽

1）空闲无语音呼叫时：采用主控信道（MCCH），380 字节/秒；

2）语音呼叫或者数据呼叫中，且在同向没有呼叫数据传输（例如，终端发送短数据时，主叫方不在本基站）：采用快速随路控制信道（FACCH），带宽与MCCH 相同，380 字节/秒；

3）语音呼叫或者数据呼叫中，且在同向有呼叫数据传输（例如，终端发送短信时，主叫方在本基站）：

采用慢速随路控制信道（SACCH），21 字节/秒；

此外，考虑到基站控制信道占用率不宜超出40%，折算之后的短数据传输最大带宽为152 字节/秒。

4.2.2 延时

短数据传输延时与很多因素有关，其中，典型的因素包括系统基站及对应终端的繁忙程度、所传输数据包的长度、无线终端的信号覆盖等。

典型情况下，当系统基站及终端空闲时，对于长度小于60 字节的数据包，传输延时小于1 秒。

4.2.3 相关因素

对于地铁项目来说， 影响通信车载台与CAD 服务器之间短数据传输的相关因素可能包括基站信道忙、 越区切换、无线信号弱等典型因素。

4.2.4 传输策略

短数据传输采用先进先出服务原则， 为了防止传输拥堵，一般来说，仅当上一条短数据传输完成之后才开始传输下一条短数据。

4.2.5 传输控制与确认

支持端到端接收确认和自定义的应用确认。

5 结语

笔者所述的车载信号车辆位置信息传输技术的实现方式，最大限度地利用现在地铁里已有的相关设备，再此基础上进行开发创新，具有较大的实用价值和可行性，希望该技术在不久的将来能在我国地铁领域得到广泛应用。S