王 鑫
中国铁路成都局集团有限公司电务部 成都 610000
摘要：近年来，国内城际轨道交通建设取得了快速发展。城际客专列控系统在原有ATP设备超速防护功能的基础上增加ATO单元，除完成自动驾驶功能外，ATO单元还能够通过车地间的信息交互实现车门和屏蔽门的联动控制、精确停车等功能。文章主要针对GSM-R网络和TWC交叉感应环线传输方式进行了详细对比分析，对城际客专ATO车地信息传输方案的选择具有一定指导意义。
关键词：城际客专 ATO 车地通信 GSM-R网络 TWC环线
1.引言
城际客专主要服务于区域内2个或多个城市间的客流，以及中心城市与其周边卫星城镇或郊区的客流，其服务对象和运营模式既不同于城市轨道交通，也不完全等同于长途客运专线，是一种介于城市轨道交通和长途客运专线之间的特殊轨道交通模式。根据我国中长期铁路网规划，将在京津冀环渤海地区、长江三角洲、珠江三角洲、武汉城市圈、长株潭、成渝等经济发达和人口稠密地区建设城际铁路，覆盖区域内的主要城镇。目前，国内已成功建设了京津、沪宁、沪杭、昌九等城际铁路，还有一大批城际铁路正在建设中。城际客专作为区域性城市之间或市域内的快速客运专用交通工具，将大大缩短城市之问的时空距离、减少人们的出行时间、改善乘客的出行质量。
城际客专从线路规划、列车运营等方面需保证与国铁的互联互通，同时要兼顾行车安全和运输效率。目前，京津城际采用的是CTCS-3D列车运行控制系统，沪宁和沪杭城际采用的是CTCS-3级列车运行控制系统。珠三角城际的最高设计运营速度200km/h，结合其“区域自成网络，公交化服务，客流量大”的实际需求，列控系统构架时需要充分兼顾城市轨道交通和国铁客运专线的特点。经统筹考虑，珠三角城际的列控系统将采用CTCS-2+ATO的方案，在现有客专线路的CTCS-2级列控系统基础上，增加ATO的相关功能。
2.CTCS-2+ATO的系统构建
在CTCS-2+ATO系统中，车载ATP单元一方面根据地面设备提供的信号信息、线路参数、临时限速信息及相关的列车数据等，生成目标距离曲线，控制列车运行，一方面负责向ATO单元提供列车运行状态、ATP监控曲线、司机驾驶状态、允许开关车门以及向车载ATO单元设备发送行车许可等信息。同时，车载ATP单元应在既有CTCS-2级列控系统的基础上提供ATO模式的准入判断，提供对车门的防护功能，对车门与屏蔽门联动控制提供安全监督，支持列车自动折返功能等。
在CTCS-2+ATO系统中，ATO单元应具备列车自动驾驶、列车运行计划自动调整、列车在站台区域的精确定位停车、列车车门与站台屏蔽门的联动控制等基本功能，并根据需要增加自动折返功能。ATO功能的应用将大大提高信号系统自动化程度，降低司机劳动强度，提高城际铁路的运营管理水平。但要实现ATO功能，现阶段并没有一套成熟的系统可供应用，需要在已有CTCS-2级列控系统基础上进行研发改造，并扩展相关系统（如调度集中、联锁等）的功能。
CTCS-2+ATO系统车载设备结构示意图如图1所示。
图1 CTCS-2+ATO系统车载设备结构示意图
车门和屏蔽门的联动控制、精确停车等功能主要通过ATO单元完成，为实现对应功能，需要通过车地通信实现车载与地面间的双向信息传递，把列车运行情况、车次号、列车停稳信息、制动力保持信息、车门信息等通过车载传输到地面，同时从地面接收列车运行自动控制、目标点信息、列车运行计划、线路信息，在有折返作业的车站还应接收自动折返相关信息等，完成地对车的一系列信息传输。
3.ATO车地通信传输方案分析
在轨道交通领域，车载设备与轨旁设备间的通信方式大体分为点式和连续式两种。目前可供选择的车地信息传输方式主要包括轨道电路、应答器、交叉感应环线、漏泄电缆、GSM-R、WiFi等。为实现城际铁路精确、安全、可靠的控车目标，要求车地通信通道具有高可靠性和安全性。
轨道电路传输的数据量较小，主要完成列车占用检查等功能。
应答器属于点式传输系统，即列车只有在通过应答器上方位置时才能接收到相应的信息。
采用WiFi的无线局域网技术主要适用于速度目标值在120 km／h及以下的地铁线路，在高速时数据丢包率较高，且容易受到外部的干扰，目前仅在地铁上应用，更高速线路没有成熟的应用经验。
漏泄同轴电缆是一种在同轴电缆外导体上周期性开槽的电缆(也可以沿轴向在外导体开一条小缝)，它既传输电磁波又能辐射和接收部分电磁波，是一种兼具传输线和天线作用的电缆。漏泄同轴电缆具有对地形、地貌、气候和建筑物等的适应性强，频段利用率高，场强稳定的优点，但它的定位精度不高，收发中继设备比较复杂，抗干扰能力差，传输衰减大。同时，漏泄电缆对开槽有严格的尺寸要求，要求工作环境很清洁，成本较高。目前主要在日本的磁浮实验线上采用，国内已开通的大铁和城际线路上基本都未采用。
GSM-R通信系统是在GSM蜂窝移动通信基础上增加了调度通信功能和适合高速环境下使用要素的系统，能够为地面地面无线控制中心和车载控制设备之间的数据传输提供可靠、安全的无线传输通道。
TWC交叉感应环线通信系统直接通过电磁感应方式交换信息，是一种专用的通信系统，不仅可作为列车与地面之间的双向数据通信媒体，还可以用于列车定位。它的传输特性好，抗干扰能力强，已在世界范围的城市轨道交通和干线铁路领域使用多年，具有成熟的运用经验。
通过对各种通信方式的综合分析，初步选定GSM-R网络和TWC环线作为ATO系统车地双向信息传输的备选方案。
3.1通过GSM-R网络传输车地信息
利用GSM-R网络的CSD数据业务，实现ATO车地双向信息的传输。由于GSM-R网络使用的是异步透明数据业务，数据传输过程中，GSM-R网络本身不提供错误重传、流量控制、数据加密等功能，这些功能需要专门的通信协议栈来实现。
GSM-R网络属于一种开放传输系统，使用开放传输系统的安全通信可能存在相关的威胁有：重复、删除、插入、乱序、破坏、延迟和窃取。采用GSM-R网络传输ATO车地信息时，为减少上述种种威胁并保证信息准确性、完整性、合时性和顺序性，需要根据EN50519-2对于采用开放传输系统实现安全通信的规定，通过专用的安全通信协议栈为无线网络的数据传输提供一个高安全、高可靠的通道，防御系统外部的各种威胁以及系统内部的各种差错，隔离传输误码，确保通信安全有效。
在CTCS-3列控系统安全通信规范中对于通过GSM-R网络传输的列控数据协议栈进行了详细说明。提供安全传输通道的设备分为车载和地面两个部分，通信双方采用对等的安全通信协议，从上到下依次分为安全层、传输层、网络层、HDLC层和物理层。CTCS-3列控系统中的安全通信协议栈如图2所示。
图2 CTCS-3列控系统安全通信协议示意图
其中，安全层主要实现与应用层接口、身份认证、 MAC加密解密、安全连接管理等功能，遵循subset-037；传输层主要实现连接管理、差错控制、流量控制等功能；网络层主要实现拥塞控制、呼叫控制与管理等功能；所述的HDLC层主要实现错误重传、选择性重传、流量控制等功能。所述的安全层、传输层、网络层、HDLC层分别采用ERTMS、ITU-T T.70、ITU-T X.224和ISO7776协议，其中ITU-T T.70、ITU-T X.224和ISO7776协议遵循ERTMS subset-037协议中的相关规定。
通过GSM-R网络进行数据传输的过程大致分为四个阶段：
1）通信连接建立阶段。
进行数据传输前，车载侧通过网络层控制无线模块（MT）发起呼叫请求，尝试连接对应的地面侧系统。呼叫建立成功后，GSM-R网络为车载和地面间的数据传输分配一条专用的电路域数据业务通道，系统随之进入安全接入阶段，安全接入传输模块随之开始工作。如果呼叫建立失败，直接通过网络层将失败原因发送给上层模块。
非GSM-R网络内的用户和GSM-R网络内未开通电路域数据业务的用户都不具备建立通信连接的条件。
2）安全连接接入阶段。
在安全连接接入阶段，系统通过HDLC层的CRC循环冗余校验和选择重传机制保证双方交互数据的可靠性。同时，系统在安全层采取了严格的双向验证机制，以保证接入用户的可靠性和安全性。
所有的合法用户都分配有唯一的用户授权ID，在发送端和接收端分别对用户的身份进行验证，以有效防止未授权用户接入系统。在安全连接接入阶段，一旦发现某用户缺少合法的授权ID，则立即通知对方接入失败，并断开通信连接。
身份验证的同时，连接发起方和连接响应方分别在本地生成随机数，与会话期间一对一的共享认证密钥组合生成会话密钥（KsMAC），结合被传输的数据内容，应用安全层MAC加密算法，计算加密结果。当连接发起方和连接响应方的加密结果都在对端验证通过后，即进入安全数据传输阶段。
3）安全数据传输阶段。
在安全数据传输阶段，系统接收到的数据经组帧后首先进入HDLC层，执行CRC循环冗余校验，剔除无线传输过程中出现的误帧数据，同时通过选择重传机制保证数据传输的可靠性。校验通过的数据被依次发往网络层、传输层和安全层。
数据到达安全层后，数据接收方根据会话密钥和接收到的数据，应用MAC加密算法，生成MAC加密结果。如果计算出的MAC加密结果与接收数据中包含的MAC加密结果一致，则说明接收到的数据合法。只有合法的数据才会被送往应用层作为控制信息进行处理，校验错误的数据直接被丢弃，同时进行报告。
4）安全连接断开阶段。
正常情况下，数据传输完毕后，发起方自上层至下层依次发起连接断开请求，对端接收到连接断开请求后，控制断开安全连接。安全连接断开后，通信连接也被断开，链路资源同时被释放。如果因为通信连接断开导致的安全连接异常结束，则在本地接收到断开指示后，自下而上依次将断开原因反馈给上层，由应用层决定重连或放弃。
3.2通过TWC交叉感应环线传输车地信息
TWC交叉感应环线的设置有多种方式，一种是沿钢轨铺设（固定在轨腰或轨底的上部），另外还有设置在轨道中间位置或中心位置。为减少车载设备的数量，感应环线传输的信号频率、数据格式等与轨道电路完全相同，环线电缆安装在钢轨的轨腰上，车载接收时与轨道电路合用天线及接收器。为减少外部对环线信号干扰，在设置环线时进行必要的交叉，交叉节距与列车最高速度、数据帧长度、传输速度、干扰的强度、环线区段的长度等因素有关。
当列车经过站台时，车载TWC天线与轨傍TWC环线产生电磁耦合，形成无线数据链接，为车载设备与中央的提供无线串行通信。地面和列车之间的TWC通信是主/从关系，地面NVLE是主单元，列车的TWC是从单元，通信是由主单元启动，车载TWC响应数据命令与请求。
TWC感应环线系统分为车载侧设备和地面侧设备两部分。TWC感应环线系统车载侧设备主要包括电源板、车载串行通信控制板，TWC接收/发送板和安装在车辆底座的TWC天线。TWC感应环线系统轨旁设备主要包括位于信号设备室的TWC发送板和钢轨之间的环线，以及钢轨旁的耦合单元，耦合单元的阻抗与传输电缆和环线相匹配。
传统的数据通信方案一般要经过握手、数据传输、断开连接等步骤，在这些步骤中需要收发双方需要传送较多的控制帧，传输这些控制帧往往会占用较多的通信时间，再加上设备对控制帧的响应时间，显然在这种模式下工作，当传输的数据量不大时，用以传输真正需要的有用数据的时间在总的传输数据时间中所占的比例较小，造成传输实时性相对较差。
结合TWC环线的特点，采用基于主动发送、串口监听模式的实时数据通信方案进行数据的发送和接收。该方案传输数据时无需通过复杂的步骤，可以改善串口实时数据采集的实时性。当数据帧比较短时，方案的实时性的优点尤其显著。所谓的主动发送，是指传输数据时，不需要握手的过程和断开连接的过程，这样就能节省许多时间．而串口监听是计算机通过多线程技术，采用事件驱动方式对串口进行数据监听。通过设置事件通知，一旦监听到串口有字节数据来到时，立即接收到缓冲区，并发出事件通知。
所有发送的数据中都包含有数据类型和帧序号字段，同时采用CRC校验机制，接收方接收到数据后，首先验证CRC校验字段的有效性，然后对数据类型和帧序号进行判断，判断无误后再转入处理流程。如果判断数据类型或帧序号出现异常，则发送重置命令，双方对通信链路进行重置。连续出现多次异常后，控制系统导向安全侧。
发送方发出第一条数据后，同时启动定时器T1，并等待接收方返回的确认消息，接着发送第二条数据，直至T1定时器超时后停止发送。接收方接收到数据后，每隔定时器T2时间向发送方回复一条接收数据状态帧，数据中包含最近接收到的帧序号。如果发送方在定时器T1时间内正确接收到来自对方的数据帧，则对T1定时器进行重置；如果发送方在定时器T1时间内未收到接收方的数据状态帧，则发送重置命令，双方对通信链路进行重置。需要注意的是，T1的设置一定要大于T2，同时需要考虑传输时延带来的影响。
3.3 GSM-R网络与TWC交叉感应环线传输方式对比分析
GSM-R网络目前已在全国绝大多数200km以上铁路上成功应用，运营里程达数千公里，具有成熟的应用经验。现场的应用情况表明，GSM-R网络传输数据可靠性高，传输数据量大，完全可以满足350km/h及以下数据传输的需求。但设备相对复杂，对运营维护人员要求较高。
TWC交叉感应环线架设方便，易于维护，成本低，整个系统成本较低，是一种性价比很高的通信方式。同时，TWC交叉感应环线还可以实现列车定位，协助ATO单元完成精确停车判断。
下表对GSM-R网络和TWC交叉感应环线的数据传输方式进行了详细对比分析。
对比项 传输媒介
GSM-R网络 TWC交叉感应环线
传输模式 全双工，车地双向传输 全双工，车地双向传输
信号频率 下行接收：930~934MHZ
上行发送：885~889MHZ 20KHZ~50KHZ之间
传输速率 4.8kbps或9.6kbps 1.2kbps
设备本身复杂度 设备本身复杂度较高，投资大；
需要专业人员负责运营维护，维护成本较高。 设备相对简单，架设方便，投资较小；
设备维护相对简单，但对轨道维护有要求。
接入设备复杂度 接入设备复杂度较高，可以使用CTCS-3列控系统中成熟的安全接入设备。 接入设备复杂度较低，可以使用地铁中成熟的安全接入设备，但需要进一步评估其数据传输是否满足SIL4级安全数据传输要求。
数据接入时间 无线接入时间相对较长。 接入过程相对简单。
无线干扰 抗干扰能力较强，需要通过网络优化解决外来的无线干扰问题。 对轨旁电磁环境的要求较高。
应用经验 在大铁上有成熟运用经验。 目前主要应用于地铁领域，在大铁上缺乏成熟的运用经验。
其他应用 除满足车、地信息传输需求外，还可以用于调度通信、语音组呼等，可用业务较多。 除满足车、地信息传输需求外，还可实现站内列车定位，用于实现精确停车。
可扩展性 可以升级为CTCS-3列控系统，扩展性更强。
4.结语（展望）
从上述分析可看出，近年来，随着计算机、通信和控制技术的飞速发展，点式通信通常仅作为连续式通信的后备级使用，以保证系统具有后退控制模式功能。
近年来，国内城际轨道交通建设取得了快速发展，ATO功能的引入对于提高信号系统的自动化程度，降低司机劳动强度，提高线路的运营管理水平等方面具有重要意义。为实现车门和屏蔽门的联动控制、精确停车等功能，需要一套安全可靠的车地信息传输媒介，连续车地通信方式的应用已成为当今及未来的发展趋势，但不同的车地通信方式在功能、性能等方面有着较大的差异。关于车地通信媒介的选择，应在满足运营要求的前提下，结合整个列控系统的构架、设备投入、可扩展性等方面，统筹考虑。
参考文献
[1]城市轨道交通ATP国产化系统地车数据传输，铁路通信信号工程技术，2006.08，洪多才，北京全路通信信号研究设计院
[2]CTCS-2级+ATO列车运行控制系统方案研究 铁路通信信号，2011.11，王杰，中铁第一勘察设计院集团有限公司
[3]城轨交通列控系统的车地通信方式，都市快轨交通，2006.12，易立富，铁道第二勘察设计院
[4]城际铁路运营特点及列车运行控制系统功能定位研究 铁道标准设计，2011.01，石先明 习博，中铁第四勘察设计研究院有限公司