中低速磁浮交通無線通信覆蓋研究及應(yīng)用

劉海建

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

中低速磁懸浮制式作為城市軌道交通系統(tǒng)中的一種新型形式，以其爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、能耗低、運(yùn)行噪聲小、運(yùn)行安全舒適、低污染、采用高架方式占地少的特點(diǎn)而著稱，近年來正越來越受國內(nèi)外各大城市關(guān)注及歡迎。中低速磁懸浮列車是一種采用常導(dǎo)電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的列車。由于列車在牽引運(yùn)行時(shí)與軌道之間無機(jī)械接觸，從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制，消除了機(jī)械噪聲和輪軌滾動(dòng)噪聲，消除了機(jī)械磨損，從而降低了相應(yīng)的維護(hù)成本，更符合城市軌道交通的運(yùn)營需求。所以，作為傳統(tǒng)城軌的一種補(bǔ)充，中低速磁懸浮列車將來有望成為一種低噪聲、中小運(yùn)量的新型城市軌道交通工具。

中低速磁懸浮線路無線通信系統(tǒng)通常采用TETRA數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)作為無線列車調(diào)度通信解決方案，該系統(tǒng)安全性與行車安全密切相關(guān)。由于城市高樓林立，遮擋多，因此本系統(tǒng)無線覆蓋原則上在區(qū)間線路沿線采用漏泄同軸電纜方式覆蓋。

1 研究必要性

考慮中低速磁懸浮制式的固有特點(diǎn)，其區(qū)間線路多采用高架橋形式，且高架橋上立設(shè)漏纜支撐桿困難的情況，如何既要滿足中低速磁懸浮線路區(qū)間無線漏泄同軸電纜安裝位置合理、可行，又要保證磁浮環(huán)境下無線通信信號不受磁浮系統(tǒng)的電磁干擾，最終滿足磁浮列車安全可靠運(yùn)行的需求，是工程實(shí)施過程中不可避免的研究課題。通過必要的仿真試驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析，獲得科學(xué)客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)工程項(xiàng)目實(shí)施。

2. 主要研究內(nèi)容

本次研究是以北京市中低速磁浮交通示范線（簡稱北京S1線）工程為背景，依托唐山磁懸浮試驗(yàn)線基地進(jìn)行了必要的模擬仿真試驗(yàn)測試。首先通過對北京S1線沿線區(qū)間土建具體形式及無線漏泄同軸電纜可能的安裝位置進(jìn)行研究分析，主要有以下兩方面研究內(nèi)容。

1）中低速磁懸浮線路區(qū)間無線漏泄同軸電纜安裝位置的研究。

2）中低速磁懸浮線路區(qū)間無線漏泄同軸電纜安裝位置不同時(shí)，磁浮系統(tǒng)對無線通信系統(tǒng)的電磁干擾測試。

2.1 仿真測試

本次研究以唐山磁懸浮試驗(yàn)線基地為依托，在試驗(yàn)線上最大化全景仿真了北京 S1線工程正線區(qū)間的各種環(huán)境條件，其中包括軌旁漏纜安裝位置、車載天線的安裝位置及數(shù)量等。

本次仿真測試研究按照分部分項(xiàng)、由簡至繁的原則進(jìn)行實(shí)施，不僅提高了仿真測試效率，還保證了測試內(nèi)容全面。

1）測試方案

仿真測試分項(xiàng)分為靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試，其中動(dòng)態(tài)測試又分為40 km/h、60/h和80 km/h 3種速度下的動(dòng)態(tài)測試。主要測試內(nèi)容包括無線系統(tǒng)功能及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。本次仿真測試研究同時(shí)進(jìn)行單車載天線和雙車載天線情況的測試。測試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

本次研究對無線漏纜4種不同安裝高度進(jìn)行了仿真測試，分別為距軌面上方4.5 m、距軌面上方1.5 m、距軌面上方0.4 m和距軌面下方0.4 m。車載天線安裝及無線漏纜安裝位置如圖2所示。

在測試基地機(jī)房設(shè)置TETRA基站1套，在試驗(yàn)線軌旁設(shè)置1條約700 m無線漏纜，該無線漏纜分別依次在上述4種規(guī)定位置安裝；TETRA基站通過衰減器與無線漏纜相連，無線漏纜末端加裝終端負(fù)載設(shè)備，使末端的場強(qiáng)符合系統(tǒng)要求；設(shè)置相應(yīng)移動(dòng)終端，如1套車載電臺及5套手持臺等；試驗(yàn)列車在試驗(yàn)線路上運(yùn)行過程中，對該無線通信系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的測試。

2）測試內(nèi)容

對于 TETRA 系統(tǒng)的抗干擾能力，國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》（SJ/T11228-2000）做出了明確規(guī)定，其主要指標(biāo)如下。

共道抗擾性：載波電平 C 與共道干擾電 Ic 之比優(yōu)于19 dB。

鄰道抗擾性：載波電平 C 與鄰道干擾電 Ia 之比優(yōu)于-45 dB。

阻塞電平要求如表1所示。

表1 阻塞電平要求表

如表1所示，國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)體制》（SJ/T11228-2000）對 TETRA系統(tǒng)的抗干擾性已有明確描述。以上指標(biāo)為系統(tǒng)的特性指標(biāo)，不會因系統(tǒng)的安裝環(huán)境和使用條件的不同而改變。

在磁懸浮環(huán)境里，單車載天線（車頂）或雙車載天線（車頂與車底）的情況下，地面無線漏纜安裝在不同高度、列車在不同運(yùn)行速度下，為獲得車載無線通信系統(tǒng)運(yùn)行情況，本次測試研究將從系統(tǒng)的使用角度驗(yàn)證磁懸浮是否對TETRA系統(tǒng)存在影響，主要進(jìn)行接收場強(qiáng)、通話質(zhì)量和呼叫接通率等3方面指標(biāo)進(jìn)行測試驗(yàn)證，該3個(gè)指標(biāo)最直觀體現(xiàn)了系統(tǒng)的使用狀況，其結(jié)果將表明專用無線通信系統(tǒng)的正常工作情況。

接收場強(qiáng)：需要在列車分別在靜態(tài)/動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過場強(qiáng)測試設(shè)備對沿線場強(qiáng)進(jìn)行評測。

通話質(zhì)量：需要在列車分別在靜態(tài)/動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過移動(dòng)臺之間的呼叫進(jìn)行測試， 測試雙方對實(shí)際語音效果進(jìn)行評測。

呼叫接通率：需要在列車分別在靜態(tài)/動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，通過使用移動(dòng)臺進(jìn)行上線呼叫， 測試呼叫接通率。在進(jìn)行呼叫接通率的測試時(shí)，采樣數(shù)量應(yīng)不少于 100 次。

3）測試結(jié)果

在不同環(huán)境里，車載電臺進(jìn)行測試記錄如表2所示。

表2 車載臺測試記錄表

由以上測試數(shù)據(jù)可知，單車載天線方式和雙車載天線方式均能滿足列車接收場強(qiáng)要求，但車頂車地雙天線方式接收場強(qiáng)值更優(yōu)。

在不同無線漏纜安裝高度、不同列車運(yùn)行速度下，接收場強(qiáng)值、通話質(zhì)量和呼叫接通率等各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)過多次測試匯總、統(tǒng)計(jì)分析后，測試結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果表

2.2 研究分析結(jié)論

通過以上各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)可知，以上4種無線漏纜安裝高度均可滿足磁懸浮列車系統(tǒng)運(yùn)行需求，且磁懸浮環(huán)境對無線通信系統(tǒng)電磁干擾有限，基本不影響無線通信系統(tǒng)在磁懸浮線路中正常使用。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程現(xiàn)狀條件

北京S1線正線區(qū)間大部分采用高架方式，高架區(qū)間橋面剖面結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

結(jié)合北京S1線正線高架區(qū)間實(shí)際情況，并結(jié)合本次仿真測試數(shù)據(jù)及結(jié)果，在正線高架區(qū)間安裝無線漏纜位置非常有限，可選擇疏散平臺下方以及橋梁欄桿上安裝兩個(gè)位置。其中，在疏散平臺下方安裝時(shí)，無線漏纜安裝位置高出軌面約0.4 m，如圖4所示；橋梁欄桿內(nèi)側(cè)安裝時(shí)，無線漏纜安裝位置低于軌面約0.4 m，如圖5所示。

3.2 工程實(shí)施方案

1）無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式

根據(jù)有無道岔情況，北京S1線正線區(qū)間可以分為道岔區(qū)間和無道岔區(qū)間兩種情況，其中，有道岔區(qū)域內(nèi)無疏散平臺設(shè)施。因此，正線區(qū)間中有道岔區(qū)間無線通信覆蓋方式可采用在橋梁欄桿內(nèi)側(cè)安裝無線漏纜方式；無道岔區(qū)間無線通信覆蓋方式可采用在疏散平臺下方安裝無線漏纜方式，可滿足全線區(qū)間無線通信場強(qiáng)覆蓋需求。其中，疏散平臺下安裝高度為高出軌面約0.4 m，橋梁欄桿內(nèi)側(cè)安裝高度為低于軌面約0.4 m。

由于正線車站站臺內(nèi)軌行區(qū)既無疏散平臺設(shè)施，又無橋梁欄桿設(shè)施，因此車站站臺無線通信覆蓋方式可采用站臺吸頂天線覆蓋方式。

由于車輛段范圍內(nèi)軌行區(qū)既無疏散平臺設(shè)施，又無橋梁欄桿設(shè)施，軌行區(qū)范圍較大，因此車輛段內(nèi)無線通信覆蓋方式可采用定向或全向天線空間波覆蓋方式。

2）車載天線安裝方式

為更好滿足列車在車輛段、車站站臺、正線區(qū)間不同區(qū)域內(nèi)無線通信覆蓋場強(qiáng)要求，建議車載天線安裝方式采用車頂車地雙車載天線方式。

4 結(jié)束語

通過對本次測試研究內(nèi)容及過程的總結(jié)歸納，得出對中低速磁浮無線通信系統(tǒng)漏泄同軸電纜安裝位置的結(jié)論，提高今后中低速磁浮線路中無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作效率，為我國中低速磁浮無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考及依據(jù)。北京S1線工程中無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式和車載天線安裝方式采用本文中的實(shí)施方案，沿線各區(qū)域內(nèi)無線場強(qiáng)、無線通話質(zhì)量等各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足中低速磁懸浮列車安全運(yùn)行、日常運(yùn)營維護(hù)等要求，順利通過無線通信系統(tǒng)的各項(xiàng)功能驗(yàn)收，并已投入正常載客運(yùn)營。

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