城市轨道交通论文

通信技术在城市轨道交通中的应用

摘 要：城市轨道交通在现代城市公共交通中的地位日益显著。但如何保障轨道交通的安全、可靠运行是一个复杂的

信息运用和管理过程。轨道交通运输是一个完整的大系统。它的各个部分都离不开通信技术的应用，通信在轨道运输中起着神经系统和网络的作用。世界上轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现，随着科学技术和城市化的发展，大运量的轨道交通在现代大城市中越来越起着重要的作用。城市轨道交通的建设，在我国正面临着前所未有的发展机遇，将成为我国大中城市有史以来最大的基础设施建设项目。由于我国城市轨道交通的应用技术和基础理论都还处于开拓阶段，工程实施的大多数情况是要引进新技术和新设备。迄今为止，我国尚无城市轨道交通通信系统技术的施工规范和验收标准，没有统一的通信技术整体内容和功能性能指标。这已成为大规模建设城市轨道交通的瓶颈，制约了城市交通建设的发展。因而提高我国城市轨道交通的通信技术和信息应用能力，规范技术标准，降低工程造价已是健康发展大运量轨道交通的关键。

关键词：城市轨道交通；通信技术；机遇和挑战；应用和发展

Communication Technology in Urban Rail Transit

ZHOU Bing-xiang

(Information Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 40074)

Abstract:The urban rail transportation in modern urban public transport in the increasingly significant. But how to protect the safety of rail transportation, reliable operation is a complex application and information management processes. Rail transport is a complete large-scale systems. Its parts are inseparable communication technology applications, communications plays a role in the nervous system and network transport in orbit. Rail world long as public transport in the city appeared, along with science and technology and the development of urbanization, a large volume of rail transport plays an increasingly important role in modern big cities. Construction of urban rail transit in China is facing unprecedented opportunities for development, will become China's biggest cities infrastructure projects. Due to the application of technology and the basic theory of urban rail transit are still in the development stage, in most cases implementation of the project is to introduce new technology and new equipment. So far, construction specifications and acceptance criteria of no urban rail transportation and communication systems and technology, there is no unified communications technology performance overall content and functionality. This has become the bottleneck of large-scale construction of urban rail transit, restricting the development of urban transportation construction. Thus improve our communications and information technology application ability of urban rail transit, standardized technical standards, reduce project cost is the key to the healthy development of large capacity rail transit.

Key words: Urban rail transportation; communications technology; opportunities and challenges; the use and development

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1 引言

随着国内信息技术的迅猛发展，在保证安全运营的前提下，轨道交通信号与通信技术相结合的信息技术，也逐步向IP化宽带化的系统进行演进，这种IP化演进的趋势将使未来的轨道交通应用系统能够更加有效地进行数据集中、数据整合及挖掘，从而使未来不同系统间的数据共享及数据调用，甚至于使实现企业资源规划（ERP）及决策支持变得很容易，有助于增强轨道交通企业的运营能力。

另外，随着我国经济的发展和城市化进程的加快，我国越来越多的城市，尤其是百万人以上的大城市，交通需求迅速增长。尽管近年来城市道路及车辆拥有量都有了大幅度的提高，但交通问题依然日益突出，表现为交通阻塞、车速降低、车祸频繁、停车困难、废气和噪音危害严重。城市交通问题已经严重制约和影响了城市的发展，影响了人们的生活质量的提高。综观国内外城市交通发展的经验教训，已经形成了共识，即解决大城市交通问题的根本出路在于建立一个以轨道交通系统为骨干，以公共交通为主体相互协调的综合交通系统。

2 城市轨道交通与通信信号系统发展概况

世界经济快速发展，促使人口向城市流动，造成城市人口增加和规模扩大，对城市交通提出了新的要求，促进了城市交通的发展。最近几年，在一些发展中国家地铁和轻轨得到了迅速发展，意图解决城市交通的拥堵现象。运用磁悬浮轨道技术是目前轨道交通前沿科技水平和发展趋势的真正体现，如上海磁悬浮列车的投入使用，体现了我国整体城市轨道交通技术的发展。目前，我国各大城市逐步形成了以城市轨道交通作为主干，高速公路和等级公路作为辅助设施的立体交通网络，给人们的出行和城市经济繁荣提供了很大的方便。交通信号可以保证列车的运行安全，具有非常重要的作用。只有大力发展和应用轨道交通信号技术，才能满足轨道交通的安全运行和提高通过能力的要求。20世纪中期以来，微电子技术、信息技术和计算机网络技术彻底改变了轨道交通技术的发展现状，产生了城市轨道交通信号系统，在轨道交通安全运行和通行能力方面发挥了巨大作用。

3 城市轨道交通信号系统分析

3.1 城市轨道交通信号系统的组成和作用

轨道交通信号系统包括各种信号显示、轨道电路、道岔转辙装置等主要设备和一些附属设施，共同构成一个完整的指挥系统。联锁装置和列车自动控制系统ATC组成城市交通的信号系统。ATC系统又包括三个子系统：列车自动监控系统（ATS）、列车自动防护系统（ATP）、列车自动运行系统（ATO）。ATC系统依靠地面反馈上来的各种信息，对列车的运行状况实行自动控制，可以随时对列车的轨道运行速度做出反应，保证列车依照允许速度安全运行，通过控制列车的制动系统，始终保证列车的速度在安全范围内，对列车的高效和安全运行具有非常重要的作用。城市轨道交通信号系统可以有效利用智能化设备，及时地指出问题，保证列车的运行安全，随时指挥列车的运行情况，使列车的运输能力和运行效率得到显著提高。

3.2 城市轨道交通ATC系统的特点

传统轨道交通信号系统为了传递不同的行车信息和命令，必须依靠设置在地面的彩色信号灯发出的信号，司机再根据各种不同信号完成对列车的速度控制和调整。人在其中发挥着重要的作用，包含引入许多不安全因素。现在的ATC系统完全实现智能化指挥，主体信号是列车信号，向列车指挥系统实时传递列车的速度或距离信息，调度人员预先设置工作程序和时刻表，列车将依据这些预先设置自动运行和自动调整停站时分。为了实现列车的车站停靠要求，要依据控制程序来进行。ATC系统使轨道运营效率和安全系统大幅提高。

4 通信信号系统的发展 3.1 系统的应用实现ip化

随着科学技术的飞速发展，轨道交通信号的发展方向必然是实现IP化。各种先进技术的成熟

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运用，可以保障IP服务质量，必将会极力推进轨道交通运营信号系统实现IP，如多信息传输技术、共享平台和虚拟专用局域网技术等。IP化可以有效提高轨道交通运营管理的效率，使轨道交通运营的成本更低。

3.2 通信和信号系统一体化

当前，城市轨道交通拥有独立的信号系统和通信系统，这对于轨道交通的发展非常不利。自动控制系统在轨道交通列车的运行中必须经过多次数据处理和交换信息，才能达到安全运行的要求，这种现状迫切要求通信技术和信号技术实现统一。网络通信技术和信息技术的快速发展促进了信号系统的进一步发展。实践证明，处于不断发展的通信信号系统一定会实现一体化，为信息共享和信息传输提供更为便利的条件，使城市轨道交通通信信号系统发挥最大的功能，展示系统一体化特点。

5 通信系统在城市轨道交通中的功能 5.1 通信技术在轨道交通中的任务

如何保障轨道交通的安全、可靠运行是一个复杂的信息运用和管理过程。轨道交通运输是一个完整的大系统，它的各个部分都离不开通信，通信主要是完成各种信息的传输。通信在轨道系统运输中起着神经系统和网络的作用。具体的说，它主要完成以下三个方面的任务：保证指挥列车运行的各种调度命令信息的传输；为旅客提供各种服务的通信；为设备维修及运营管理提供通信条件。

为完成上述三个方面的任务和功能，通信系统设置了传输、公务、专用电话、无线通信、电视监控、广播、时钟、电源、乘客引导显示等系统。为了确保轨道交通运行的安全，就要提高和规范通信系统的主要内容和功能技术要求，吸取和借鉴当今电信网中一些实用而先进的技术成果。

5.2 通信技术在轨道交通中的功能

为实现城市轨道交通列车运行的安全、可靠、准点、高密度和高效率，列车运营的集中统一指挥、行车调度自动化和列车运行自动化，城市轨道交通系统必须配合专用的、完整的、独立的通信系统。城市轨道交通专用通信系统，根据目前在国内城市建设中的情况汇总按其功能来分为：供一般公务联系用的自动电话通信子系统；直接指挥列车运行的专用通信子系统；向乘客报告列车运行信息的广播显示子系统；用于监视车站各部位、车流情况及列车停靠、车门开闭和启动状况的闭路电视子系统；用以传送文件和数据传真及数据通信子系统；为通信、信号、电力等专业的设备提供统一的定时信号和时间信息的时钟子系统；为通信系统提供可靠、稳定的通信电源和接地子系统；可实现公司本身的运营管理，内部各种信息快速传递，收集、处理以及资源共享的运营信息管理子系统；为乘客提供服务的自动预售票子系统；能将指挥中心内所有话音、数据视频设备的布线综合在一起的综合布线子；为监视车站及区间隧道的灾害而设置的防灾报警子系统(FAS)；为解决列车调度、人员管理、设备维修以及和公安、消防建立专线联系而设置的无线通信子系统。

6 通信技术在城市轨道交通中的技术要求

城市轨道交通通信系统总体要求是：技术先进、成熟为了使得系统能够满足发展的需要，的技术，坚持开放原则，采用国际标准；安全可靠技术先进、运行安全可靠和经济。综合国外情况，应采用国际上先进而成熟基于城市轨道系统信息特点，传输的语音、数据、图像等应具有高度的敏感性，因此系统需要有严密的安全措施，对数据存储、传输等均应采取安全有效的技术手段，安全保密性要求也更加严格，必须使用防火墙等安全措施。系统的可靠性同样重要，安全、便捷是轨道交通建设的基本原则。作为轨道交通“神经系统”的通信骨干网络，如何保持可靠、永不停顿的运行至关重要。即使产生故障，网络仍能瞬间自愈，保证各种应用正常进行；低时延，城市轨道交通系统的安全运行，要求许多应用应有极小的时延，对通信骨干网络而言，必须在最短的时间内将应用信号传送到目的地；简单，简单的结构、便捷的安装、简便的维护是轨道交通通信网络理想的特性。同时，要做到单个网管系统兼管多个网络的性能及所有网络的应用端口。

7 通信系统主要内容和功能分析 7.1 传输系统

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传输系统是轨道交通通信系统中的骨干系统，各种信息都依靠传输系统进行传递，如：各种调度(列车调度、电力调度、防灾调度、公安调度)电话的语音信息，公务、区间及站间电话的语音信息；控制中心无线调度台至各车站基站的语音和控制信息；各种低速数据通道，包括列车信号系统(ATS)、电力SCADA、时钟等系统所需的数据信息：控制中心至各车站的自动售检票(AFC)、办公自动化(OA) 、10一1OOMb／S以太网接入；控制中心至各车站的广播语音、控制信息；控制中心至各车站的电视监控视频信息、控制信息；以及其他一些控制信息。所有这些信息都是为列车正常运行服务的，其中一些信息如果中断会影响到列车的运行，甚至会威胁到行车安全。因此传输系统应是一个实时、透明、无阻塞、可靠性高的系统，且当出现紧急情况时，本系统应能迅速及时地为防灾救援和事故的指挥提供通信联络。当本系统发生故障时，应具有降级使用功能和对重要通道的备用手段，以保证系统基本功能。

基于以上要求，传输系统在组网时应以组成自愈网为首选，主要通道和主要设备应有备份。在选用传输技术时，应首先考虑的是列车行车安全，同时还要考虑到传输技术的先进性。目前传输技术一般采用SDH、ATM、OTN等制式，通过本文第二章的分析论证，目前轨道交通通信系统宜采用IP over SDH和综合接入技术，这样既考虑到传输技术的先进性，又考虑到了轨道交通行车安全对通信系统安全可靠运行所提的要求。这样的传输网具备以下特点：

l、网络自愈：当传输网络中的传输媒质或组成网络的其中一个节点设备发生故障时，网络能通过自身的功能实现网络的自愈。

2、大容量：组成该网络的媒质是光纤，其带宽完全满足轨道交通的需要。SDH 技术的带宽也是相当大的。

3、多业务：此网络提供各种各样的接口，完全满足轨道交通各种使用需要。 4、先进性：组成此网络的SDH技术、IP技术、综合接入技术都是现有先进技。

7.2 公务系统

公务电话系统主要用于轨道交通线内部一般公务通信，并与市话网及相关轨道交通线公务电话网相连。公务电话系统一般由设在控制中心的程控交换机和设在各站的远程交换系统组成。在轨道交通线内部，各分机间可以直接拨号通话。若轨道交通内与公用电话网的用户间通话，则通过全自动或半自动的出入局呼叫进行。各站间的交换机以及本系统内部交换机与公用网交换机间借助于传输系统提供的2M数字或模拟通道传递信息。同时还应有普通程控交换系统所没有的功能，如本系统应与时钟系统的时间同步。本系统应提供区间电话业务功能，即各区间之间通过特有的话机能够通话，且话机具有延时热线功能，即摘机不拨号，延时一段时间后，自动转接至本管辖区的车站值班室数字话机上。

7.3 专用电话系统

专用电话系统是为轨道交通行车指挥、系统正常运行专设的通信系统，是轨道交通系统专用的，主要负责控制中心和各车站的列车、电力、防灾及公安的调度，提供调度电话、站间电话、紧急电话业务。其主要由设于控制中心的数字式程控调度交换机的主设备、调度总机(调度台)和设于各车站的调度分设备、调度值班台、调度分机等组成。站内集中电话业务由设在车站控制室的值班台和车站各部门的分机提供。专用子系统的主要功能是：调度电话、站间电话、集中电话、紧急电话等功能。

通话功能：提供控制中心调度员与各车站值班员之间的直接通话以及控制中心调度员之间的通话。

录音功能：在控制中心设置录音设备，可实时完成对调度总机与调度分机之间的通话内容及通话时间、分机号等信息，以数字方式记录在多信道录音设备上。站问电话功能：站间电话是直接为行车服务的，相邻两车站值班员之间通话利用调度程控交换机热线电话功能提供；用户摘机即能及时、迅速沟通两车站值班员之间通话联络。

站内集中电话功能：站内集中电话用于车站内值班台和各分机之间的通话。其功能类似调度电话；值班台对其各分机之间的通话可进行监听、插话、强拆。集中电话分机与公务电话分机之间相互不能呼叫。

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紧急电话功能：紧急电话是在紧急状态下供乘客或车站工作人员或驾驶员使用，每台电话都设置成热线电话，用户按键即连接至车控室值班台上。

8 无线通信在城市轨道交通中的应用

随着城市轨道交通的发展，无线通信技术应用广度和深度不断增强,在轨道交通管理和运营自动化发展方面，无线通信技术在城市轨道交通中的应用更加广泛。目前地铁中除了原有的专用无线通信系统外，还有各种各样的城市商用移动无线通信系统引入，以及信号和乘客信息系统的无线系统。

8.1 专用无线通信系统制式 8.1.1 专用频道方案

专用频道方式是根据用途来配置频道,用途与频道之间一一对应。以列车调度无线通信为主,中心控制设备与移动台（如列车台和便携台）之间的通路,采用有线（通信车站电台经过光缆传输系统至中心控制设备）和无线（如车站电台通过漏泄同轴电缆或天线辐射无线电波至移动台）相结合的方式。

8.1.2 共用频道方案（集群方案）

集群方式是所有用途共用几个频道,根据需要和使用情况临时分配频道。即设1个控制频道和若干个通话频道,通话频道的数目可以少于用途数,一般情况下,所有移动台（列车台和便携台）均处于控制频道,以便接收来自中心控制设备的信号和向中心控制设备反馈信息,通话时由中心控制设备根据情况分配1 个通话集群通信系统是一种高级移动指挥调度系统,采用专用无线信道作为信令的控制方式。该系统主要特点:①无线信道利用率高;②采用分散式容错处理,有故障弱化功能;③先进的信令系统;④灵活的多级分组;⑤可进行动态重组与紧急呼叫;⑥可进行数据传输和图像传输;⑦能与有线交换机互联。

8.2 专用频道方式与集群方式的区别

集群方式在通话功能、呼叫功能、检测功能、占用的频道数、冗余方式、扩容方面均优于专用频道方式,并具有解决紧急呼叫、确定移动台位置、自动检测等功能。其电话互联、多级调度呼叫、数据传输、调度多级优先、调度动态重组、调度连续信道刷新、电话繁忙排队/自动回叫等功能,也是专用频道方式无法比拟的,更重要的是它采用了信道的动态分配,因而能使用有限的频率资源为更多用户服务。

8.3 城市轨道交通集群无线通信系统构成

控制中心设移动交换中心控制器及网络管理设备,各调度员配备调度台,列车配备车载台,沿线移动作业人员配备便携电台,各基站通过光传输通道与移动交换中心控制器相连,构成一个以完成行车调度功能为主的、多个子系统并存的、链状结构的专用无线通信系统。车辆段设调度台,利用集群的虚拟网功能构成车辆段无线通信子系统,完成对车辆段内移动作业人员的调度指挥。轨道交通沿线地面部分的场强可采用漏泄同轴电缆进行覆盖,也可采用天线进行覆盖,地下部分及其他弱场区的场强一般采用漏泄同轴电缆进行覆盖,另车辆段、车站站厅等区间的场强一般采用基站天线覆盖。对于较长的弱场区,可根据系统频率合理设置中继设备。

9 通信系统在城市轨道交通中面临的机遇和挑战 9.1 通信工程的机遇

微电子技术、信息技术和计算机网络技术彻底改变了轨道交通信号技术的现状，产生了城市轨道交通信号系统。其在轨道交通安全运行和通行能力方面发挥了巨大作用，不但使运行效率大幅提高，而且实现了列车运行的自动化。城市轨道交通通信系统是一个为了提高地铁运输效率、保证行车安全、提高现代化管理水平和能迅速、准确、可靠地传递语音、数据、图像和文字等各种信息的需要而设置的系统。按照业务类型，一般可以分为专用通信系统、商用通信系统和警用通信系统三大类。城市轨道交通列车自动控制系统（ATC）根据闭塞方式可分为：固定闭塞信号系统；移动闭塞信号系统（CBTC）。根据列控方式，固定闭塞信号系统分为：基于分级速度控制方式的固定

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闭塞信号系统，即“固定闭塞”信号系统；基于目标距离控制方式的固定闭塞信号系统，即 “准移动闭塞”信号系统。根据移动闭塞信号系统的车－地信息传输方式和传输媒介，可将CBTC信号系统分为：基于交叉感应电缆环线（Inductive Loop）传输方式的CBTC系统，即CBTC-IL信号系统；基于无线扩频通信（Radio Frequency）传输方式的CBTC系统，即CBTC-RF信号系统。城市轨道交通正线上的色灯信号机的颜色有： 红、黄、绿。

目前一些新建信号系统主要以Ethernet、控制器局域网（CAN）、Modbus等通信网络为基础进行系统架构设计，整个网络IP化的程度较高。而通信系统尽管在运营商网络中IP化程度高并大量成功运用，但在轨道交通中通信信号仍主要采用成熟稳定的电路交换及同步数字传送网（SDH）传输技术为主，这导致IP与非IP应用在整个通信与信号系统中并存。

9.2 通信工程面临的挑战和未来的思考 9.2.1 网络安全保证

TCP/IP网络由于协议的开放性，非常有利于系统间的接口及数据共享，但在系统设计及配置过程中，其数据及网络的安全性必须重点考虑。首先应按照专网进行轨道交通网络规划，做到一条线路的所有数据网络是一个专网，不同线路网络间可以作为企业外部网（extranet）方式进行互连，各网络连接应通过防火墙进行隔离。防火墙应配置严格的安全策略，均只限于开放特定地址、特定端口的相关应用。所有线路网络中与Internet及企业内部网（Intranet）网络互连的应用服务器应配置于中立区（DMZ），使该区域内的服务器在防火墙策略的监控下与external外部网络及internal内部网络进行数据的交互。

对于同一线路内的数据网络可分为两类，一类是运营安全相关的数据网络，如信号系统等；另一类是非运营安全相关的数据网络，如OA系统。二者在物理网络上应进行隔离，以防止由于病毒等原因感染或影响运营安全相关网络的资源。同时对于运营安全相关的网络应严格限制网络所有设备对外物理接口的访问，如USB口及光驱。对于非运营相关的网络，应配置相应的网络防病毒软件。条件允许的情况下，应在线路内所有的网络中配置漏洞扫描及入侵检测设备。线路内的不同应用之间，应采用物理网络分离，或虚拟专网（VPN）技术、防火墙安全策略进行网络安全隔离。

9.2.2 统一规划IP地址

一个城域或一个铁路局范围内的所管辖的轨道交通数据网络的IP地址应统一规划。通常情况下，建议采用10.0.0.0/8这个A类私有地址网段，以保证整个系统具有很好的扩展性。IP地址的第二个字段建议与线路编号进行关联，如线路1可以采用10.1.0.0/16，依此类推；建议10.0.0.0/16和10.255.0.0/16作为数据交换中心预留。IP地址的第三个字段建议为线路的特定应用预留，每个应用一个或几个C类地址，在地址规划时应充分考虑未来系统的扩展性，以防止地址段过于零碎而影响路由的规划。

9.2.3 多线路网络互连及其路由设计

在一个城域或一个铁路局管辖范围内有5条以上的线路，可以考虑建设数据交换中心，通过数据交换中心实现与各线路间的数据互连互通。一些面向公众的应用可以在数据交换中心统一建设。规划中少于5条线路的，可以采用网状互连方式进行线路间的数据交换。一个城域或一个铁路局管辖范围内的各条线路内部网络应采用开放最短径路优先的OSPF路由协议或静态路由，进行统一规划，在不同应用系统间应通过有效措施严格控制访问。不同线路间的互连建议通过静态路由方式。

9.2.4 IP 服务质量设计

IP 优先、CAR、WRED、CBWFQ、LLQ、MPLS等等是在IP网络中常用的QoS技术，但在轨道交通网络中，我们需要根据承载网络的实际情况来进行合理的QoS规划。一般情况下，在传输网络仍是基于多业务传输平台（MSTP）技术，根据应用业务的带宽需求，选择SDH内不同虚容器（VC）或VC组合来承载不同的应用业务，并用二层的虚拟局域网（VLAN）及媒体访问控制（MAC）过滤技术来为业务安全提供相应的保证。但是在多个业务共享IP带宽的情况下，我们就需要在网络上布署三层的网络设备，在所有业务的接口端口处，通过IP 优先（precedence）、服务分类（CoS）、业务区分（DSCP）等方式对所有的网络流量类型进行标识，并在所有的网络交换设备上配置相应的流量处理策略，包含常用CAR、WRED、队列技术以及MPLS QoS。

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在流量类型标识的配置中，各应用系统的优先级别建议如下：信号系统>调度系统>电力SCADA>其它应用。信号系统及调度系统必须采用资源预留协议（RSVP）等技术进行严格的带宽保证。

城市轨道交通的建设，在我国正面临着前所未有的发展机遇，将成为我国大中城市有史以来最大的基础设施建设项目。由于我国城市轨道交通的应用技术和基础理论都还处于开拓阶段，工程实施的大多数情况是要引进新技术和新设备。迄今为止，我国尚无城市轨道交通通信系统技术的施工规范和验收标准，没有统一的通信技术整体内容和功能性能指标。这已成为大规模建设城市轨道交通的瓶颈，制约了城市交通建设的发展。因而提高我国城市轨道交通的通信技术和信息应用能力，规范技术标准，降低工程造价已是健康发展大运量轨道交通的关键。

10 结论

从全球轨道交通的发展及技术演进的方向来看，通信信号系统的集成将会越来越紧密，并且随着IP及无线技术的应用越来越成熟，国内的轨道交通包括通信、信号在内的各系统的建设必然将沿上述趋势进行发展。展望未来，随着各地轨道交通的发展，运营成本的压力必将增大，这种整合与集成化的要求也会越来越强烈并将最终成为现实。城市轨道交通系统，是未来城市交通体系中不可缺少的组成部分，非凡是在超大城市、大城市解决交通拥挤具有很强的优势，具有广阔的发展市场。从可持续发展的战略眼光来看，无论目前是否有地铁，在大城市总体规划的时候，都应把城市轨道交通系统纳入规划之列，考虑目前我国的经济实力，可以有计划、有步骤的逐步实行;同时，把轨道交通系统与其他交通系统综合考虑，使之相互协调，共同发展，使城市的整体交通体系更加科学、更加完善，更好的服务于市民，更好的为城市的经济建设服务。

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