單軌交通CBTC信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)無(wú)線子系統(tǒng)

趙 鑫 蔣先進(jìn)

（中國(guó)中鐵電氣化局集團(tuán)，北京 100036）

1 概述

重慶市軌道交通三號(hào)線規(guī)劃的線路走向是從魚(yú)洞至環(huán)城北路（空港開(kāi)發(fā)區(qū)），長(zhǎng)約60 km。按軌道交通路網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)計(jì)劃，三號(hào)線還將與路網(wǎng)中的一號(hào)線、二號(hào)線、環(huán)線、六號(hào)線相交換乘，并與市內(nèi)長(zhǎng)途汽車(chē)站、公交樞紐、鐵路客站以及江北機(jī)場(chǎng)組成大型綜合換乘樞紐，對(duì)建立綜合交通體系發(fā)揮重要作用。

三號(hào)線配置的運(yùn)營(yíng)設(shè)備有牽引供電、電力照明、給水排水、氣體消防、環(huán)控通風(fēng)、通信、信號(hào)、防災(zāi)報(bào)警與車(chē)站設(shè)備監(jiān)控（FAS/BAS）、自動(dòng)售檢票（AFC）、電力監(jiān)控（SCADA）等系統(tǒng)和設(shè)備。

重慶市單軌交通三號(hào)線采用的移動(dòng)閉塞CBTC信號(hào)系統(tǒng)，能夠在系統(tǒng)可靠性、安全性、可用性、可維護(hù)性、運(yùn)行間隔、精確定點(diǎn)停車(chē)和可擴(kuò)展性等方面達(dá)到所要求的性能。

本文結(jié)合重慶市單軌交通三號(hào)線的工程實(shí)際，重點(diǎn)介紹CBTC信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)無(wú)線子系統(tǒng)的特點(diǎn)、構(gòu)成及功能，與其他線路信號(hào)系統(tǒng)原理相同的ATS和CI子系統(tǒng)等不再?gòu)?fù)述。

2 無(wú)線子系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)符合IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)，在物理層采用2.4 GHz的ISM頻段。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全與IEEE 802.3有線網(wǎng)絡(luò)兼容。

（2）為了保證列車(chē)的運(yùn)行，無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)重疊覆蓋，保證信息傳輸?shù)牟婚g斷。

（3）在布置AP時(shí)，充分考慮無(wú)線系統(tǒng)的可靠性，每個(gè)AP的覆蓋范圍應(yīng)有重疊區(qū)，在個(gè)別AP和其他設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能正常工作。每個(gè)AP的輸出功率應(yīng)盡量小，滿足國(guó)家規(guī)范要求。

（4）無(wú)線局域網(wǎng)的空中接口、頻點(diǎn)范圍和加密措施滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

（5）無(wú)線局域網(wǎng)在線路區(qū)間的設(shè)備安裝滿足隧道限界、天氣、振動(dòng)和維護(hù)等方面的要求，其設(shè)備本身達(dá)到IP67的標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)地鐵的環(huán)境條件。

（6）無(wú)線系統(tǒng)在方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮設(shè)備、組網(wǎng)線路等方面的抗干擾能力和措施；在車(chē)上和地面采用的無(wú)線設(shè)備全部通過(guò)電磁兼容（EMC）測(cè)試。

（7）所有的無(wú)線軌旁和車(chē)載設(shè)備，均滿足在儲(chǔ)存和運(yùn)行期間的特定環(huán)境條件下的各種性能和功能要求。

3 無(wú)線子系統(tǒng)功能

重慶地鐵三號(hào)線單軌CBTC無(wú)線系統(tǒng)主要作用是在各個(gè)子系統(tǒng)之間傳輸ATC報(bào)文，而這些子系統(tǒng)大部分是移動(dòng)的。無(wú)線系統(tǒng)對(duì)于報(bào)文傳送是完全透明的。雖然DCS系統(tǒng)所傳輸?shù)氖前踩偷牧熊?chē)控制信息，但其本身并不是一個(gè)安全型系統(tǒng)，只是一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)而已。DCS系統(tǒng)的主要功能如下。

（1）無(wú)線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地面中心設(shè)備、車(chē)站設(shè)備、軌旁設(shè)備與車(chē)載設(shè)備之間的連接和信息傳輸。

（2）信息傳輸?shù)南鄬?duì)獨(dú)立性和透明性：無(wú)線系統(tǒng)在CBTC系統(tǒng)的控制中，只是作為控制系統(tǒng)的傳輸通道，在物理和通信協(xié)議上保持相對(duì)的獨(dú)立性和透明性。

（3）無(wú)線系統(tǒng)允許區(qū)域（通常由一個(gè)AP或幾個(gè)相連的AP確定）內(nèi)有多列車(chē)。該網(wǎng)絡(luò)還可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層（IP）功能，支持對(duì)一列車(chē)、一組列車(chē)或所有列車(chē)有選擇地進(jìn)行通信。

（4）移動(dòng)性功能：由于城市軌道交通的列車(chē)控制是屬于中速的控制系統(tǒng)，一般在120 km/h以下。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在120 km/h的速度下，保證地-車(chē)信息傳輸達(dá)到1 Mb/s以上的多用戶雙向數(shù)據(jù)通信吞吐量。

（5）網(wǎng)絡(luò)的安全性（侵入安全）：作為控制系統(tǒng)的傳輸，必須保證地-車(chē)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)不受外界網(wǎng)絡(luò)的干擾，其他非信號(hào)系統(tǒng)的用戶無(wú)法或非常困難進(jìn)入該傳輸系統(tǒng)，要求有非常好的加密性能，否則，將造成CBTC系統(tǒng)信息傳輸癱瘓而導(dǎo)致列車(chē)緊急停車(chē)，但是沒(méi)有列車(chē)運(yùn)行的安全問(wèn)題，CBTC系統(tǒng)的安全由信號(hào)系統(tǒng)本身的安全策略保證。

（6）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷和系統(tǒng)自愈處理能力。

4 無(wú)線子系統(tǒng)構(gòu)成

重慶軌道交通3號(hào)線單軌CBTC系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)為雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在5個(gè)設(shè)備集中站（二塘站、四公里站、兩路口站、鄭家院子站和龍頭寺站），每個(gè)設(shè)備集中站安裝兩個(gè)AP主單元和兩臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。地面的每個(gè)點(diǎn)有兩臺(tái)AP。整個(gè)系統(tǒng)的主要組成如下。

（1）AP主單元（APM）

AP主單元位于每個(gè)設(shè)備集中站。AP主單元用于將SM的信息傳輸?shù)杰壟缘腁P。相鄰的兩個(gè)AP分別與不同的AP主單元連接。這就為系統(tǒng)提供了一系列冗余的本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)闊o(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)的周期是320 ms，而邏輯部的處理周期是500 ms，二者不同步。因此，AP主單元需要把AP送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和打包處理，然后再送到SM。同時(shí)從邏輯部送來(lái)的數(shù)據(jù)也在AP主單元進(jìn)行緩存，按照無(wú)線的發(fā)送周期進(jìn)行發(fā)送。

每列車(chē)的上行數(shù)據(jù)送到AP主單元后，由AP主單元進(jìn)行打包處理，以16個(gè)編組為單位打成包，加上NX報(bào)頭后發(fā)送到SM。

（2）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

采用48口的三層以太網(wǎng)交換機(jī)，提供48條100 Mb/s本地以太網(wǎng)連接，用于將安全模塊(SM)的信息傳輸?shù)杰壟缘腁P。通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及沿線的AP，可以提供最可靠的組合。

（3）AP

軌旁需要設(shè)置一系列AP，根據(jù)地形的不同，AP的間隔約為200～300 m。軌旁的AP通過(guò)無(wú)線方式完成車(chē)-地之間的通信，用于車(chē)-地的雙向信息傳輸。AP工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)。AP安裝在隧道的墻壁上或軌旁地面，通過(guò)防雷擊裝置，經(jīng)由同軸電纜連接到天線，使用電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行供電。AP通過(guò)以太網(wǎng)10/100 Base FX光纖連接至距離最近的AP主單元上。

（4）網(wǎng)管系統(tǒng)

杰樂(lè)貝干酒莊成立于1828年，坐落于法國(guó)波爾多圣愛(ài)美隆葡萄園的中心地帶，有近200年釀造歷史，擁有28000平方米生產(chǎn)面積、20000平方米倉(cāng)儲(chǔ)面積、4條灌裝線。酒莊擁有專業(yè)的釀酒團(tuán)隊(duì)，對(duì)葡萄進(jìn)行精心挑選，根據(jù)市場(chǎng)的需求使用創(chuàng)新工藝釀造精品酒款。一直以來(lái)，杰樂(lè)貝干都是圣愛(ài)美隆的釀酒先驅(qū)，2006年，酒莊被ADVINI集團(tuán)收購(gòu)，倡導(dǎo)使用可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)理念，并且獲得眾多國(guó)際組織嚴(yán)格的可持續(xù)發(fā)展認(rèn)證。

整個(gè)無(wú)線系統(tǒng)由設(shè)在車(chē)輛段的網(wǎng)管服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理的監(jiān)視。網(wǎng)管工作站設(shè)置在車(chē)輛段內(nèi)的維修中心，全線用于連接室外AP點(diǎn)的交換機(jī)進(jìn)行連接至車(chē)輛段維修中心。網(wǎng)管服務(wù)器可以同時(shí)管理兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。通過(guò)網(wǎng)管服務(wù)器，可以對(duì)無(wú)線設(shè)備進(jìn)行配置、軟件升級(jí)，也可以監(jiān)視無(wú)線設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常。

（5）車(chē)載無(wú)線設(shè)備

在列車(chē)的車(chē)頭和車(chē)尾各安裝一套無(wú)線系統(tǒng)，從地面系統(tǒng)接收列車(chē)控制信息，并將信息傳輸給駕駛室內(nèi)的主處理單元（兩套主處理單元安裝在一側(cè)）。另外，還從主處理單元接收列車(chē)位置信息，通過(guò)天線傳輸給地面系統(tǒng)。

車(chē)頭和車(chē)尾的無(wú)線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同。一臺(tái)AP接兩個(gè)定向天線，這兩個(gè)定向天線為空間分集的作用，要求兩個(gè)天線之間的距離在0.5 m以上。為了防止雷擊壞設(shè)備，天線和AP之間需要有避雷器。因?yàn)锳P的接口為以太網(wǎng)接口，而車(chē)載SM的接口為RS-422接口，因此，需要一個(gè)接口轉(zhuǎn)換設(shè)備完成以太網(wǎng)和RS-422接口之間的轉(zhuǎn)換。

5 工作原理

重慶單軌三號(hào)線CBTC系統(tǒng)中，采用作為下一代移動(dòng)通信方式主流的OFDM調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)對(duì)各子載波進(jìn)行窄帶寬化處理以提高抗脈沖噪音能力、以及抗多徑衰落能力。

OFDM技術(shù)是多載波傳輸技術(shù)的一種，它的特點(diǎn)是把窄帶信號(hào)分割成頻率較低的多個(gè)正交的子載波在信道上并行傳送。由于它的正交性，OFDM信號(hào)可經(jīng)由多個(gè)子載波信號(hào)重疊并行傳送而不互相干擾。OFDM比非正交的多載波頻分復(fù)用技術(shù)的帶寬利用效率高得多。OFDM的正交多載波信號(hào)傳送方式，使它一方面具有一定的抗多徑干擾能力，同時(shí)又能保持高的頻率效率。每個(gè)子載波的頻點(diǎn)必須和相鄰載波的零點(diǎn)重疊才能維持正交的關(guān)系。這重疊的帶寬正是OFDM添加的頻譜效率的來(lái)源之一。

地面無(wú)線裝置AP的布置需保證與車(chē)載STA之間的穩(wěn)定通信，是決定信號(hào)傳輸距離、信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)的重要因素。

因此，在設(shè)計(jì)布置方案時(shí)，需綜合考慮地形、線形、周?chē)沫h(huán)境或所設(shè)置AP的維護(hù)性等各種條件，必要時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬對(duì)信號(hào)傳輸進(jìn)行分析，以保證AP被布置于最適宜的位置。對(duì)AP進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，主要需注意兩點(diǎn)：無(wú)線信道設(shè)計(jì)、設(shè)置地點(diǎn)。

重慶地鐵單軌CBTC無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每個(gè)AP點(diǎn)采用兩臺(tái)AP進(jìn)行無(wú)線覆蓋，這兩臺(tái)AP對(duì)應(yīng)兩個(gè)冗余的邏輯部。

此外，車(chē)載STA安裝于列車(chē)的前端車(chē)輛及末端車(chē)輛上，天線則分別安裝于上述車(chē)輛各自的駕駛臺(tái)上方，并與車(chē)載裝置相連。

6 結(jié)束語(yǔ)

重慶市單軌三號(hào)線是世界上首次在單軌線路實(shí)現(xiàn)CBTC信號(hào)系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)先例。而無(wú)線子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，關(guān)系到CBTC能否順利開(kāi)通。本文對(duì)于重慶三號(hào)線CBTC中無(wú)線系統(tǒng)的論述，對(duì)以后的單軌線路具有一定的借鑒意義。

[1]重慶市單軌交通三號(hào)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書(shū)[S].

[2]吳明，李新潮．重慶單軌交通信號(hào)系統(tǒng)[J]．電氣化鐵道，2004（2）：43-46．

[3]蔣先進(jìn)，邢艷陽(yáng)，肖培龍．城軌首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)線CBTC信號(hào)系統(tǒng)[J]．鐵道通信信號(hào)，2007，43（9）：7-9．

[5]蔣先進(jìn)，穆紅普．重慶單軌交通信號(hào)系統(tǒng)環(huán)線軌道電路簡(jiǎn)介[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2008，5（2）：21-23．

[6]蔣先進(jìn)，范建偉．單軌交通環(huán)線軌道電路常見(jiàn)故障判斷與處理[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2009，6（6）：43-44．