浅谈CBTC系统中的车_地通信技术

浅谈CBTC系统中的车－地通信技术

黄文彦

（北京交通大学，北京 100044）

摘要：CBTC技术在我国轨道交通中已经从理论探讨阶段进入到广泛的工程实施阶段。本文针对基于通信的列车控制系统的特点，分析了目前成熟CBTC系统中车-地通信的内容和方式；着重论述了其中无线传播方式的部分，并对各种方式的优缺点进行了比较；最后提出了地铁相关单位在规划阶段需要考虑的问题。

关键词：CBTC 车地通信 自由传播 导行传播

Abstract: The development of CBTC technology in China has been stepped into the project implementation phase from the principle study. Based on the characteristics of CBTC system, this paper analyzes the content and method of wayside-train communication in a matured CBTC system, and especially on the radio communication part. After the comparison of different communication methods, some problems are raised up for the relevant departments of metro to consider during planning.

Keywords: CBTC, Wayside-train communication, Free communication, and Guided communication目前，我国的城市轨道交通建设呈现了迅猛发展的趋势。首先，有20多个城市正在建设或规划建设地铁等轨道交通项目，在建线路总长则超过340 km，北京、上海、广州、深圳、武汉、天津、南京、重庆、长春和大连等10个城市已建成轨道交通420 km。其次，各领域的高新技术层出不穷。在通信信号领域，随着计算机和通信技术在运行控制领域的应用，基于通信的列车控制系统（CBTC）因其网络化、智能化以及通信信号一体化等特点，已经得到了业界广泛的认可。

国外从90年始制定CBTC标准，现在CBTC技术在世界上许多轨道交通发达的城市得到了应用，我国到目前为止已经有北京和武汉开通了CBTC线路。CBTC已经从理论探讨阶段进入到广泛的工程实施阶段。

在字面上是没有明确表达的。目前欧洲广泛采用的ETCS2级系统，虽然也是基于GSM-R无线通信的列车控制系统，但它完全采用固定闭塞原理；其次，CBTC中通信的概念也随着技术的发展，由早期的专用传输协议、多种传播方式，统一到基于国际开放标准的无线通信上来。确切地说是基于WLAN的无线通信。

在说明了CBTC的含义之后，本文将主要阐述目前CBTC系统中的车－地通信的技术和应用，并着重分析各种无线传播方式的特点。

2 CBTC系统中主要的车－地信息交换

在固定闭塞技术中，线路上有固定的区段划分，这一区段只要有车占用，就意味着整个区段是占用的。而移动闭塞在线路上没有区段的划分，以前车的尾部或进路边界为追踪的目标，这就是固定闭塞和移动闭塞的区别。所以，在固定闭塞技术中一定要采用轨道空闲检查设备来检查列车的位置，而移动闭塞则靠车载设备自主定位来描述轨道的占用情况。

固定闭塞和移动闭塞从数学描述的角度来看对线路的划分是量的区别。原来的固定闭塞，在城市轨道交通中可以达到200～300 m的区段划分；基

铁路通信信号工程技术(RSCE) 2009年4月，第6卷第2期

1 概述

如果仅仅从CBTC的字面含义理解，Communication Based Train Control 是指基于通信的列车控制系统，但这样的解释不能完全概括目前业内CBTC的理念。首先，当我们提到CBTC时，从运营商到供货商的一致认知应当是移动闭塞。这

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Urban Mass Transit

于感应环线的移动闭塞，根据环线的特性，以6.25 m的精度对线路进行划分；CBTC实现以后，现在车载计算机可以实现以米为单位的列车定位。

从车－地信息交换的角度来看，移动闭塞与固定闭塞不同，线路固定数据都存储在车载设备的数据库中，在进入正常的CBTC移动闭塞模式之后，车－地双向通信的关键内容包括：

（1）轨旁到车载的移动授权信息（亦称MA，EOA等）；

（2）车载到轨旁的位置报告；（3）运营调整信息及维护信息等。

位置报告是移动闭塞所特有的。车载设备通过自身的测速测距系统的计算和轨旁信标的校正，得出当前的精确位置，按照一定的通信周期发送给轨旁列车控制中心，这称为位置报告。轨旁列车控制中心根据所辖区域内所有列车的位置，为每列列车实时地计算出移动授权的终点，同样按照一定的通信周期发送给车载控制设备。

移动授权与位置报告都是安全相关的信息，并且他们之间存在着因果关系。理论上移动闭塞不需要任何轨道检查设备参与闭塞的计算；而一旦失去车－地通信，就失去了真正意义上的移动闭塞。

当然车－地信息中还包括其他的内容，如IP寻址、ATS调整、维护事件或故障报警、车站设备控制、旅客信息、校验及时间戳等。不同供货商会根据各自系统的特点有不同的信息结构。

城轨交通

在合理的范围之内。如果在一定的范围内失去应答器，列车会因不能发送准确的位置报告而停车。

从设备选型角度来看，经过技术的发展与淘汰，目前市场上主要存在Amtech公司的美国标准TAG产品和欧洲标准的Eurobalise产品两种应答器，其技术特性不尽相同。目前业界在采用哪种应答器作为标准的问题上，仍存在争议。但因为应答器是安全相关的部件，是整个信号系统安全认证中不可或缺的一部分，因此，两种应答器在成熟的信号系统中是不可以互换的。3.2 连续式通信技术

CBTC系统中的连续式通信方式是基于WLAN的无线通信方式。

经过近十年的技术发展，与世界上多个互联互通试验工程的经验，虽然做到真正意义上的互联互通还有很长的路要走，但是对于CBTC系统所采用的无线通信系统，业内已经有了一定的共识。首先，从技术发展角度来说，采用商务现货供应（COTS）的产品；其次，把ISO七层模型中的低层统一采用IEEE802.11 WLAN 标准。

在此基础上，各个信号系统的供货商在解决信号系统传输的安全性、通信系统可用性以及开放频段的抗干扰性等方面都做了大量的研究和试验。特别是无线传播上体现了多样性。

4 CBTC系统的无线传播方式

构建一个无线通信系统必须充分考虑电波的传播问题。当提到无线传播时，大多数人都会理解为常见的空间波辐射方式。实际上目前诸多供货商的传播方式主要分为空间自由传播和导行传播两种。4.1 空间自由传播

空间自由传播是目前使用最多最常见的一种传播方式。它利用电磁波在空气中从发射天线到接收天线传递数据，而无需线缆介质。

空间自由传播的方式节省轨旁设备，在轨道交通狭窄的隧道安装上具有优势。理论上空间自由传播的无线小区最大距离在400～500 m之间。

但众所周知，电波在隧道中的传播特性和自由空间不同。一方面，当隧道直线距离短、弯道多时，直射波传播有困难；另一方面，由于隧道内有吸收衰减和多径效应，使极化紊乱，传播衰减大大增加。

3 CBTC系统的车－地通信方式

在众多CBTC系统的车－地通信中，主要包括点式通信与连续式通信两种。3.1 点式通信技术

在线路上的某些特定位置安装固定的应答器（信标），当列车通过时，经车载查询器（天线）的激励，应答器会根据互感原理，把数据发送给车载接收设备，这就是点式通信。

轨旁应答器在系统中的主要作用包括系统初始化、列车定位、精确停车和后备模式等。文中提到的位置报告的生成就需要依靠应答器的定位功能。列车测速测距误差会随着离开上次校准点的距离增加而增加，所以需要在一定的距离内安装应答器以校准列车的位置，使车载设备的控制精度总是保持

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因此，空间自由传播的方式在工程实施时必须进行无线勘察，设备布置的不确定性较大。

另外，在开放空间的区段（如高架桥，车辆段区域），因存在其他民用的WLAN，环境比较复杂，传输容易受到污染。4.2 导行传播

因为轨道交通的特点，对无线覆盖的要求不是空间上的，而是线性的，所以采用漏缆或漏泄波导管作为传输介质，形成一个沿走行轨的无线覆盖网，在轨道交通的复杂传输环境中具有优势。

（1）漏缆

横向电磁波通过同轴电缆从发射端传至电缆的另一端。当电缆外导体完全封闭时，电缆传输的信号与外界完全屏蔽，然而通过同轴电缆外导体上所开的槽孔，电缆内传输的一部分电磁能量发送至外界环境。同样，外界能量也能传入电缆内部。外导体上的槽孔使电缆内部电磁场和外界电波之间产生耦合。

用于2.4～2.5 GHz频段漏缆主要有1-1/４″和1-5/8″两种，按照漏缆每100 m衰减6 dB，每段最大覆盖距离为300 m，则每个无线小区（两段）的最大距离为600 m。漏缆安装简便，目前地铁的通信专业大量使用漏缆实现隧道的无线覆盖。

无线通信信号的质量通常因为电缆外界电波电平波动不同而相差很大。电缆敷设方式和敷设环境对电缆辐射效果也有影响。大部分隧道内还有各种各样金属导体，比如沿两侧墙面安装的电力电缆、铁轨和水管等，这些导体会改变电磁场的特性。

（2）漏泄波导管

与漏缆的原理相似，矩形漏泄波导管通过管壁上所开槽孔将内部传输的电磁波能量发送至外界。用于2.4 GHz的波导管为52.5×105 mm矩形铝管。可以达到2 dB/100 m的低衰耗。因此，理论上基于漏泄波导的无线小区最大覆盖距离为1600 m。

基于漏泄波导的无线系统，在一定距离下，无线调制解调器接收到的场强接近常数而没有强衰落。而接收电平的变化呈线性，即在长距离中仅考虑漏泄波导自身的衰减。

根据牵引供电方式的不同，可以考虑将漏泄波导管安装在走行轨的一侧或隧道的顶部。沿线需要

内容

城轨交通

敷设漏泄波导管在一定程度上增加了工程的工作量。

综上所述，各种传播方式的特点如表1所示。

表1 各种传播方式比较

自由传播导行传播

天线漏缆漏泄波导管

覆盖距离短，一般400 m中等，最高600 m大，最高1600 m相对成本一般高一般安装简单较复杂较复杂维护较方便简单、方便简单、方便现场摸底调查整条线路单条线路单条线路

必须进行现场测

现场电平调试建议场强测量建议场强测量

量，要求严格

5 CBTC系统无线传输的干扰

2.4/5.8 GHz作为开放频段，面临着多方面的干扰问题。现简单举例说明。

（1）旅客信息系统（PIS）

旅客信息系统多采用WLAN技术，占用2.4/5.8 GHz频段，满足IEEE802.11相关标准，对CBTC系统的传输直接造成同频干扰。目前，全国各城市正在运用不同的方式解决此问题，例如，用同一供货商解决CBTC和PIS的传输，或将CBTC与PIS在频段上进行分隔等。哪种方式的效果最佳还没有一致意见。

（2）城市商用移动通信引入地铁引入系统的种类如下。

* 调频立体声广播：86～108 MHz；* 宽带无线寻呼：137～285 MHz；

* 中国联通CDMA移动电话：800 MHz频段；* 中国移动和联通GSM移动电话：900 MHz频段；

* 中国移动GPRS移动业务：1 800 MHz频段；* 第三代移动电话：2.1 GHz频段；

* 多媒体与无线局域网通信：2.4 GHz频段；* 、消防等特殊性行业需要引入的系统：频率与原系统相同。

这些都对CBTC的无线传输带来了潜在干扰。基于通信的信号系统是信号领域的更新，但随之而来的是新问题。在地铁规划的初期，各有关部门需分析未来的应用需求，统筹无线通信系统，才能保证整个系统的可用性。

（收稿日期：2009-01-23）

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