WLAN技術(shù)在地鐵列車(chē)控制中的應(yīng)用

劉震

【摘要】 隨著WLAN技術(shù)日漸成熟，地鐵列車(chē)控制也引入了基于WLAN技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線通信列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)，CBTC系統(tǒng)（Communication Based Train Control System）。本文結(jié)合深圳地鐵在CBTC系統(tǒng)的成功運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，分析了深圳地鐵CBTC系統(tǒng)中的核心技術(shù)車(chē)-地通信的內(nèi)容和方式，著重論述了其中無(wú)線傳播方式的問(wèn)題，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單比較。

【關(guān)鍵字】 WLAN CBTC 車(chē)地通信 自由傳播

深圳地鐵二期工程，共有三條線路分別為蛇口線、龍崗線、環(huán)中線。三條線路的信號(hào)系統(tǒng)均采用時(shí)下最為先進(jìn)的基于通信的列車(chē)控制（CBTC）系統(tǒng)。龍崗線采用BOMBARDIER公司的技術(shù)，蛇口線、環(huán)中線采用ALSTOM的技術(shù)。國(guó)內(nèi)CBTC系統(tǒng)的車(chē)-地通信方式主要有兩類(lèi)，交叉感應(yīng)環(huán)線方式（IL）和無(wú)線擴(kuò)頻通信方式（RF）。

基于環(huán)線的CBTC系統(tǒng)主要的代表為T(mén)HALES SelTracS40，在軌道交通和干線鐵路領(lǐng)域使用多年，有成熟的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)僅有武漢輕軌1號(hào)線、廣州地鐵3號(hào)采用該方式。交叉感應(yīng)環(huán)線方式具有傳輸特性好，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)傳輸速率較低，只能夠滿足CBTC系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)量的基本需求。因?yàn)樯钲谖床捎迷摲N方式，所以本文不做詳細(xì)闡述。ALSTOM BOMBARDIER兩家公司的CBTC系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能基本一致，但兩公司的車(chē)-地雙向連續(xù)通信方式還是存在一定的差異。無(wú)線擴(kuò)頻車(chē)-地通信方式，根據(jù)采用的傳播介質(zhì)的不同又分為：自由波天線、波導(dǎo)管、漏泄電纜三種方式。ALSTOM BOMBARDIER的CBTC系統(tǒng)的車(chē)-地通信媒介如下表所示。

擴(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication），簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)頻通信，是一種信息傳輸方式，其信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)獨(dú)立的碼序列（一般是偽隨機(jī)碼）來(lái)完成，用編碼及調(diào)制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。CBTC系統(tǒng)中的無(wú)線擴(kuò)頻通信多采用開(kāi)放ISM頻段2.4-2.4835GHz，此頻段主要是給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于非付費(fèi)的頻段，但工作功率必須小1瓦，并且不對(duì)其它頻段造成干擾即可使用，不需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理單位申請(qǐng)授權(quán)許可。CBTC系統(tǒng)也可采用5.725-5.850GHz頻段，但該頻段在我國(guó)屬于非開(kāi)放頻段，需要向當(dāng)?shù)責(zé)o線電管理單位申請(qǐng)付費(fèi)使用。CBTC擴(kuò)頻通信在傳輸介質(zhì)方面可以選擇自由波天線、漏泄同軸電纜和波導(dǎo)管。

深圳地鐵3號(hào)線由高架段和地下段兩部分組成，傳輸方式采用自由波天線和漏泄同軸電纜混合式。高架段采用天線地下段采用漏纜。深圳地鐵2、5號(hào)全部為地下段，全線采用波導(dǎo)管方式?，F(xiàn)在我對(duì)三種傳輸方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：

一、自由波天線

深圳地鐵3號(hào)線高架段采用自由波天線作為車(chē)-地通信方式。自由波天線方式主要是在軌旁設(shè)置AP箱和定向天線。AP箱中的接入交換機(jī)通過(guò)冗余的以太網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)交換機(jī)相連，每個(gè)AP點(diǎn)都是雙網(wǎng)覆蓋（紅、藍(lán)網(wǎng)絡(luò)）圖1，通過(guò)AP設(shè)備連接定向天線與車(chē)載設(shè)備天線互相通信。在頻率覆蓋方面相鄰AP點(diǎn)之間設(shè)計(jì)為重疊覆蓋，使得任何一個(gè)AP點(diǎn)的故障均不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因?yàn)樽杂刹ㄌ炀€網(wǎng)絡(luò)技術(shù)符合IEEE802.11系列網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，可利用的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品多、組網(wǎng)便捷、安裝簡(jiǎn)便、設(shè)備維護(hù)價(jià)格相對(duì)便宜所以是目前CBTC系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用的主流方向。

二、漏泄電纜

深圳地鐵3號(hào)線地下段采用漏泄電纜作為車(chē)-地通信方式。漏泄電纜方式特點(diǎn)是場(chǎng)強(qiáng)覆蓋較好、可控，抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是漏泄同軸電纜價(jià)格高，安裝過(guò)程復(fù)雜，漏纜需要安裝在隧道的側(cè)壁或隧道頂部。因深圳地鐵3號(hào)線列車(chē)采用三軌供電方式，漏纜安裝在隧道頂部。由于安裝在隧道頂部增加了施工難度及增大了人工消耗，同時(shí)為后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了極大的不便。

三、波導(dǎo)管

深圳地鐵2號(hào)線、5號(hào)線波導(dǎo)管傳播方式為ALSTOM的技術(shù)。在軌旁鋪設(shè)矩形波導(dǎo)管，波導(dǎo)管信號(hào)傳輸損耗小，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均勻，抗干擾能力強(qiáng)，通信速率高。波導(dǎo)管安裝方式可根據(jù)工程情況靈活選擇，通常安裝在鋼軌一側(cè)，可與供電三軌同側(cè)安裝，甚至可安裝在隧道頂部。深圳2、5號(hào)線安裝在鋼軌一側(cè)。擠壓鋁材質(zhì)波導(dǎo)管強(qiáng)度較高，外部覆蓋保護(hù)套，抗損壞能力也較強(qiáng)，基本可做到免維護(hù)。但波導(dǎo)管安裝較復(fù)雜，工時(shí)消耗高于自由波天線安裝。同時(shí)由于安裝在鋼軌一側(cè)可能對(duì)維護(hù)檢測(cè)設(shè)備造成一定影響。波導(dǎo)管傳播方式較自由波天線傳播方式投資略高。

采用自由波天線的無(wú)線傳輸系統(tǒng)在技術(shù)上與其他兩種方式并無(wú)太大區(qū)別，造價(jià)最低。但是主要存在的問(wèn)題是抗干擾能力較差。由于無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，除信號(hào)系統(tǒng)外，地鐵中乘客資訊系統(tǒng)（PIS）、乘客攜帶的便攜式WI-FI都是基于IEEE802.11 b或g標(biāo)準(zhǔn)的；另外在開(kāi)放空間內(nèi)通常還存在民用、商用無(wú)線局域網(wǎng)信號(hào)，使用相同頻帶和標(biāo)準(zhǔn)不同系統(tǒng)存在相互干擾問(wèn)題。2011年11月1日，8時(shí)15分至9時(shí)30分，深圳地鐵蛇口線多趟列車(chē)多次暫停運(yùn)行，就是因?yàn)槌丝偷谋銛y式WI-FI設(shè)備對(duì)CBTC信號(hào)產(chǎn)生了干擾致使列車(chē)暫停運(yùn)行。所以采用自由波天線的CBTC系統(tǒng)在抗干擾能力較波導(dǎo)管、漏纜弱一些。

但是考慮到自由波天線成本低、可升級(jí)性強(qiáng)、安裝調(diào)試便利等因素各信號(hào)系統(tǒng)廠商都以該種方式作為研究方向并提出了有效的抗干擾措施。目前自由波無(wú)線天線CBTC系統(tǒng)的抗干擾通常采用以下措施：

1）無(wú)線天線采用定向天線；2）信號(hào)與PIS系統(tǒng)無(wú)線天線采用水平或者垂直不同的極化方向；3）信號(hào)與PIS系統(tǒng)協(xié)調(diào)信道分配，盡量使雙方信道不重疊；4）信號(hào)與PIS系統(tǒng)采用2.4G或5.8G不同頻帶；5）信號(hào)與PIS系統(tǒng)在AP天線布點(diǎn)時(shí)協(xié)調(diào)彼此之間的間距，控制干擾強(qiáng)度；6）由單一系統(tǒng)提供車(chē)地通信無(wú)線子系統(tǒng)，通過(guò)Qos技術(shù)控制信號(hào)列控信息的優(yōu)先傳遞；7）用更高的通信速率傳送列控?cái)?shù)據(jù)，縮短列控?cái)?shù)據(jù)傳遞周期，增加傳遞循環(huán)次數(shù)，以增加系統(tǒng)響應(yīng)能力和看干擾能力。

根據(jù)目前深圳2、5號(hào)線項(xiàng)目的情況，在綜合采取上述措施后，無(wú)線車(chē)地通信系統(tǒng)較好地解決了抗干擾的問(wèn)題。深圳地鐵集團(tuán)在綜合各方面的利弊后，在地鐵三期工程建設(shè)的三條線路均采用了自由波無(wú)線天線的CBTC系統(tǒng)?？梢?jiàn)各系統(tǒng)供應(yīng)商有效的解決了干擾問(wèn)題，有能力保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

地鐵是與民生密切相關(guān)的重大工程，我們?cè)谧非蠼ㄔO(shè)成本的的同時(shí)更應(yīng)該注重的是穩(wěn)定，成熟和安全性。無(wú)線通信技術(shù)在不停的發(fā)展，CBTC技術(shù)也會(huì)越來(lái)越穩(wěn)定，成熟和安全。

從而能夠讓鐵路信號(hào)設(shè)備的防雷設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性。在防雷保護(hù)工程正式建立前，相關(guān)技術(shù)人員要對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備所處的電磁環(huán)境進(jìn)行考量，從而劃分出鐵路信號(hào)設(shè)備防雷保護(hù)的等級(jí)，為防雷保護(hù)工程的順利實(shí)施提供依據(jù)。針對(duì)性的防雷設(shè)備的設(shè)立將會(huì)最大程度的發(fā)揮出防雷體系的作用，對(duì)于降低雷電對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的損害有著極大意義。

四、結(jié)束語(yǔ)

鐵路信號(hào)設(shè)備的雷電綜合防護(hù)體系的建立和完善對(duì)于促進(jìn)整個(gè)鐵路的發(fā)展都有著重要意義，相關(guān)部門(mén)必須加強(qiáng)對(duì)其的重視，為鐵路信號(hào)設(shè)備功能的發(fā)揮創(chuàng)造條件。

參 考 文 獻(xiàn)

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