1、面臨電磁環境惡化地鐵cbtc系統安全性研【摘要】文章在介紹地鐵移動cbtc系統及安全標準的基 礎上，分析了地鐵電磁環境惡化如何導致地鐵移動cbtc系 統故障；同時，提出了提升地鐵移動cbtc系統安全性的幾 種思路。【關鍵詞】移動cbtc系統wi-fi ieee 802. 11電磁環 境世界上城市軌道交通系統的發展已有百余年的歷史，已 經形成了一套完整的管理和安全認證體系，并制定了一系列 切實可行的安全技術標準。因此，今年7月以來，深圳地鐵 多次因移動閉塞信號系統（cbtc）受干擾發生暫停故障，引 發了各界對地鐵安全運行的強烈關注。本文將從我國地鐵電磁環境惡化的成因出發，分析移動 cbtc系統安

2、全標準與措施的不足，并提出相應的解決方法。1移動cbtc系統構成及安全要求cbtc技術發源于歐洲連續式列車控制系統，在數十年的 發展過程中，各方對cbtc系統的定義逐步趨于統一。ieee 于1999年制定了第一個cbtc系統相關標準ieee std 1474. 1-1999,明確定義cbtc系統為利用高精度的列車定位 實現的一種連續自動列車控制系統。基于移動通信的cbtc, 是當今世界信號系統的新技術、新裝備，普遍應用于國內地 鐵工程。1. 1移動cbtc系統的構成cbtc系統的核心是列車自動控制系統（atc）,由列車自 動監控子系統（ats）、列車自動防護子系統（atp）、列車自 動運行子系

3、統（ato）和計算機聯鎖子系統（cbi）組成，見 圖lo四個子系統通過信息交換網絡構成閉環系統，實現地 面控制與車上控制結合、現場控制與中央控制結合，構成一 個以安全設備為基礎，集行車指揮、運行調整以及列車駕駛 自動化等功能于一體的列車自動控制系統。1.2移動cbtc系統的安全要求移動cbtc系統中，采用ieee 802. 11的無線局域網 （wi-fi）作為無線數據傳輸系統，其開放的2. 4ghz頻段會 帶來比較嚴重的干擾。而通信的對象是移動中的列車，傳輸 的是涉及行車安全的重要數據信息，列車高速移動使得一些 不利因素的影響加劇，列車運行控制對無線傳輸的可靠性、 安全性及保密性又提出了更高的

4、要求。在國際上，城市軌道交通已經形成了一套完整的管理和 安全認證體系，并有了 一系列切實可行的安全技術標準。iec 61508電子/電氣/可編程電子安全相關系統的安全功能 是國際電工委員會（iec）制定的國際標準，是進行軌道交 通系統安全認證的重要參考標準。以iec 61508為基礎，歐 洲電氣委員會（cenelec）下屬的sc9xa委員會，制定了以 軌道交通作為對象的系列標準，其中關于通信、信號和處理 系統的安全標準主要包括：en50129-2003鐵路應用-通信、 信號和處理系統-用于信號的安全相關電子系統，是針對軌 道交通信號系統的安全案例、安全完善度等級等方面進行規 范；en50159

5、-2-2001鐵路應用-通信、信號和處理系統-第 2部分：開放式傳輸系統中的安全相關通信，是軌道交通通 信系統安全標準，從安全性的角度來看待信息安全的問題， 將信息安全技術作為提高系統安全性的措施。cbtc系統作為控制列車運行的關鍵系統，在任何情況下 均不允許出現系統故障，保障高安全、高可靠是cbtc系統 的基本設計原則。cbtc系統的設計、試驗和運行，理所當然 要符合上述標準的要求。2地鐵電磁環境的變化與移動cbtc的安全風險2. 1地鐵電磁環境的變化日前深圳地鐵因信號系統受干擾發生暫停故障，調查顯 示，地鐵列車急停確實是因為乘客隨身攜帶的便攜式wi-fi 路由器干擾了地鐵信號系統的車-地通

6、信而造成指令異常。 全國近年來許多城市地鐵投入運營，無一例外地采用了基于 802. 11的移動cbtc系統，雖然也偶發故障，但如深圳地鐵 這樣連續出現暫停故障尚屬罕見。盡管廠家事后聲明：“信 號系統在設計時已經考慮到了干擾的處理，采取了當時業內 最新的抗干擾技術，該技術廣泛應用于全球以及國內北京、 上海等其他城市的部分cbtc項目，在應對干擾管理的健壯 性方面已經得到充分證明，迄今從未發生類似干擾事件。” 但是，廠家也承認“這是信息技術發展和成果應用所產生的 新問題”。眾所周知，國際和國內對用于安全業務的無線電系統都 有十分嚴格的規定與監管，例如航空、水上、鐵路等都無一 例外地分配了專用頻率，

7、并有相關的頻率保護規定，絕不允 許與其他業務共用，以防止其他無線電系統的干擾，確保安 全業務的可靠性。而基于802. 11標準的wi-fi與藍牙、點 對點或點對多點擴頻通信、工科醫（工業、科學和醫療）等 共用2. 4g頻段，按短距離、微功率、無執照無線電通信設 備方式管理。因此，wi-fi系統沒有qos （業務質量）保證, 顯然達不到承載安全業務的標準。那么，對安全性要求很高 的移動cbtc系統，敢于采用開放的2. 4g頻段并能達到地鐵 的安全標準，而且在大多數城市地鐵中尚未發生嚴重的安全 故障，顯然具有令人信服的依據。分析移動cbtc系統的運行環境，可以看到城市地鐵隧 道基坑深度一般為153

8、0米，世界上最深的地鐵在俄羅斯 圣彼得堡，因戰略需要其深度一般都超過100米。在如此深 的地下封閉環境，隔絕了自由空間存在的諸多無線電干擾， 使地鐵的電磁環境基本可知可控。而且在移動cbtc系統研 發設計和投入運營時，大多數地鐵尚未開通移動通信，因此 地鐵環境中僅有移動cbtc系統，以及少量可能出現的藍牙 設備，電磁環境相對簡單和已知。即使后來移動通信進入地 鐵，因使用頻率相距較遠，對cbtc系統的干擾仍在可控范=5圍之內，故而鮮有故障發生。但是，近年來移動互聯網的爆 發催生了 3g+wi-fi的快速部署，不可避免地引入了同為wi-fi的干擾源，突破了 cbtc系統安全標準所設定的電磁環 境限

9、值，因而引發了故障。2.2移動cbtc的安全風險地鐵中的wi-fi干擾可分為同頻干擾和鄰頻干擾。同頻干擾是指兩個工作在相同頻率上的wi-fi設備之間的相互干擾。在開放的2. 4g頻段上，互不干擾的頻段十分有限，通 常只有1、6、11信道（如圖2所示）；因此，地鐵中的wi-fi 與運營商的wi-fi工作在同一信道的幾率大大增加。以802. 11為基礎的wi-fi,空口是所有設備的公共傳輸媒介， 亦即cbtc系統的wi-fi和3g的wi-fi進入同一個信道傳輸。此時兩個同頻ap之間將根據csma/ca原則互相退避，勢必 會大大降低性能，兩個ap的總性能將不會超過一個信道的 性能，造成報文發送時需要

10、退避或不斷重傳；而且由于報文 重傳時會降低報文發送的物理速率，導致同一 ap的影響范 圍擴大，也使得報文發送占用更多的空口時長，沖突幾率加 大,引起更多的重傳。鄰頻干擾要想避免，則在距離每個信道中心頻率11mhz 時，衰減要求超過30db。如果cbtc系統的wi-fi和3g的 wi-fi中心頻率不同，但設備之間的發射頻寬有重疊的部分, 相互就會產生影響，形成鄰頻干擾。這兩類干擾會導致cbtc 系統的信號丟包，誤碼率增加，降低cbtc系統的抗干擾能 力，從而引發地鐵列車控制故障。隨著移動互聯網的蓬勃發展和國家寬帶戰略的不斷推進，以wi-fi為代表的無線寬帶網絡與應用已十分普及，打 破了地鐵空間電

11、磁環境可知可控的現狀。特別是由于便攜式 無線路由器的廣泛應用，在地鐵內乘客不但可以使用3g手 機上網，筆記本電腦、蘋果ipad等更是網上沖浪的必備手 段，這的確是移動cbtc系統在當初設計和試驗中所未預料 到的情景。特別是由于國內在微功率無線電發射設備監管上 的漏洞，市場上200inw、300mw甚至500mw的便攜式無線路 由器隨處可見，使地鐵空間的電磁環境更加惡化，導致地鐵 移動cbtc系統故障當屬必然。所以，深圳地鐵發生列車暫停故障事件的深層原因，是 地鐵空間的電磁環境超出了當初移動cbtc系統設計和試驗 環境的安全限值；而且電磁環境隨著乘客使用便攜式wi-fi 路由器功率的大小以及頻繁

12、程度而隨機變化。可以說，目前 地鐵移動cbtc系統安全風險已超過可控程度。3解決惡化電磁環境下cbtc安全問題的思路如何化解地鐵cbtc系統遭遇的wi-fi強干擾所造成的 安全風險？目前存在多種選擇：第一，按地鐵運營方一廂情愿的想法，3g撤出地鐵，令 地鐵內電磁環境恢復到可知可控的水平，地鐵cbtc系統不 做任何改變即可達到安全標準的要求。顯然，這是違逆移動 互聯網發展潮流的無所作為的想法，無論公眾還是政府主管 部門都不會取此下策。第二，如某些廠家所言，采取技術改進措施，如綜合采 用冗余備份、wi-fi快速切換等先進成熟的網絡技術，實現 雙網并行同步傳遞控制命令和車輛監控信息，即使出現單網 故

13、障，整個cbtc系統依然能正常工作；同時，提高防范無 線攻擊及非法接入的能力，支持入侵檢測和隔離功能等。但 是，這些改進措施是否切實有效尚需時間驗證；而且如在已 運營的地鐵線路中廣泛應用，其技術與工程成本也不能小 覷。第三，將移動cbtc系統使用頻率改為5. 8ghz頻段。資 料顯示，此種方法在法國巴黎地鐵中已取得良好的安全效 果，港鐵（深圳）運營的乘客資訊系統也是使用了需要申請、 繳費的5. 8ghz頻段。但是，5. 8ghz頻段也是開放頻段，我 國在2002年7月發布了關于使用5. 8ghz頻段事宜的通知 （信部無20021277號），規定了我國點對點或點對多點擴頻 通信系統、高速無線局域

14、網、寬帶無線接入、藍牙技術設備、 車輛自動識別系統等各類無線電臺站使用57255850mhz頻 段的具體要求和技術指標；同時規定57255850mhz頻段為 無線電定位業務及工業、科學和醫療等非無線通信設備的共 用頻段。只是目前移動運營商的wi-fi網絡絕大部分使用 2. 4ghz頻段，在5. 8ghz頻段的業務較少，負載較輕，cbtc 系統遭遇的干擾較少。在國際上，根據gartner發布的趨勢預測報告，到2014 年，全球移動裝置將達到2億臺，90%的企業用戶將采用無 線裝置進行辦公，2016年如ipad等智能終端存儲容量將達 到loogo近日，歐盟也預測未來五年的移動數據流量每年增 長將超

15、過90%o移動寬帶浪潮已經勢不可擋，而以802. lln 為代表的新一代wi-fi無疑將成為下一個應用重點。據悉， 目前802. lln已經成為運營商部署wi-fi的主流標準，從 2012年下半年開始，中國移動采購的wi-fi設備將全部符合 802. lln 標準。因此，802.11n將很快進入部署的爆發期。由于 802. llb/g標準工作在2. 4ghz頻段僅為83. 5mhz,每個子信 道帶寬僅為20mhz,而802. lln的每個子信道需要40mhz, 無法在2. 4ghz頻段實現組網。反觀開放的5. 8ghz頻段 (57255850mhz)頻段，共 125mhz,適合 802. ll

16、n 的組網 和運營。所以，如果cbtc系統改為使用5.8ghz開放頻段， 相信用不了多久就會重蹈遭受運營商wi-fi干擾的覆轍。第四，為移動cbtc系統爭取受到保護的專用頻率。但 是，至目前為止，無論是國際電信聯盟（itu）還是其他國 家，尚無為城市地鐵移動cbtc系統分配專用頻率的先例。 在當前適用的無線電頻譜資源十分緊缺、同時又需要國際協 調的情況下，在可以預見的時間內難以解決這一問題。第五，如一些歐洲國家，釆用鐵路專用的gsm-r專用移 動通信系統。gsm-r （gsm for railway）是由國際鐵路聯盟 （uic）支持開發的鐵路專用移動通信系統，基于900mhz頻 段的gsm平臺

17、，專門針對鐵路通信列車調度、列車控制、高 速列車支持等特點，引入了話音廣播呼叫、組呼叫、優先級 呼叫、強插強拆業務、功能尋址與位置尋址等功能。gsm-r 系統的工作頻率為876880mhz （上行）/921925mhz （下 行）。我國原信產部于2003年批準鐵道部組建專用的gsm-r 數字移動通信系統，用于鐵路列車運行控制和指揮調度。鐵 路gsm-r系統與中國移動按地域共用900mhz頻段，具體共 用頻率為：在鐵路車站及鐵路軌道沿線兩側的地域，885 889mhz （移動臺發）/930934mhz （基站發）共4mhz帶寬、 19個可用頻道，由鐵路gsm-r系統使用；在鐵路車站及鐵路 軌道沿

18、線兩側一定地域以外，仍由中國移動用于部署公眾移 動通信網。試驗證明，gsm-r系統在列車最大時速為500km 的情況下，仍能滿足高速鐵路的通信、控制與安全的要求。當然，是否將移動cbtc改為gsm-r專用系統，涉及的 不僅是技術、安全等方面，更是我國發展城市地鐵的戰略性問題，絕不是在短時間內輕而易舉做出的決策。4結語城市地鐵已經成為我國現代化建設的標志性工程，其安 全性更是重中之重。自從無線電技術應用以來，在全球范圍 內凡是關系到生命安全的無線電業務，國際電聯(itu)都 分配了專用頻率，如航空安全專用頻率、水上遇險專用頻率 以及鐵路專用頻率等，并制定了相應的保護規則。因此，移 動cbtc系統采用開放頻段有悖于無線電安全業務的一貫原 則，其徹底糾正尚需認真反思。參考