懸掛式單軌交通列控系統(tǒng)車－地通信方案研究

易立富

懸掛式單軌交通系統(tǒng)是一種輕型、中速、中低運(yùn)量的新型交通方式，可作為大城市軌道交通的補(bǔ)充，尤其適用于地面交通飽和、地下工程條件受限的中小城市公共交通干線、客運(yùn)樞紐接駁線、組團(tuán)內(nèi)短途填充線、旅游線路等特殊地區(qū)。目前，已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的懸掛式單軌交通線路主要集中在日本和德國(guó)，如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌交通線路及車輛

基于懸掛式單軌的交通運(yùn)營(yíng)及功能需求中，其信號(hào)系統(tǒng)可采用類似地鐵的基于通信的移動(dòng)閉塞制式列控系統(tǒng)。

1 列控系統(tǒng)車－地信息傳輸方式的分析

懸掛式單軌交通移動(dòng)閉塞制式的列控系統(tǒng)，要求車－地間實(shí)時(shí)、連續(xù)、可靠通信。按車－地信息傳輸頻率區(qū)分，可將車－地信息傳輸方式分為電磁感應(yīng)方式和無(wú)線通信方式。二種車－地通信的具體比較如表1所示。

與采用感應(yīng)環(huán)線的信號(hào)系統(tǒng)相比，采用無(wú)線通信方式的信號(hào)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．可實(shí)現(xiàn)車－地間大容量實(shí)時(shí)雙向通信，有利于實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2．采用冗余的無(wú)線覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠的車－地信息傳輸，任意單點(diǎn)設(shè)備的故障將不影響系統(tǒng)的正常工作。

3．車－地?cái)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)采用公開、透明的協(xié)議，可為互聯(lián)互通創(chuàng)造條件。

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于無(wú)線通信技術(shù)的車－地通信方式，其通信的冗余性、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通用性及可維護(hù)性等方面明顯優(yōu)于電磁感應(yīng)通信方式。因此推薦采用基于無(wú)線通信方式的傳輸技術(shù)構(gòu)建懸掛式單軌交通列控系統(tǒng)的車－地信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

表1 車－地信息傳輸方式比較表

2 列控系統(tǒng)車－地?zé)o線通信制式的分析

目前，從懸掛式單軌交通列控系統(tǒng)的車－地通信需求 （帶寬約100kb／s、實(shí)時(shí)性要求高，單次報(bào)文有效傳輸時(shí)間小于500ms）來(lái)看，可供選擇的主要移動(dòng)通信制式包括無(wú)線局域網(wǎng) （WLAN）技術(shù)和LTE技術(shù)。

2．1 WLAN技術(shù)

WLAN技術(shù)的代表是由IEEE 802．11工作組規(guī)定的無(wú)線通信系統(tǒng)，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括802．11a、 802．11g、 802．11n。802．11a工作在5GHz頻段，其理論速率高達(dá)54Mb／s，采用OFDM （正交頻分復(fù)用）技術(shù)，但最高速率的無(wú)障礙接入距離僅為30～50m；802．11g也采用OFDM技術(shù)，與802．11a一樣可支持最高54Mb／s的速率，工作在2．4GHz頻段，可以做到與802．11b兼容，而最高速率是802．11b的5倍，最高速率的無(wú)障礙接入距離約100～300m。

2．2 LTE技術(shù)

LTE技術(shù)被看作準(zhǔn) “4G”技術(shù)，在20MHz頻譜帶寬能夠提供下行100Mb／s、上行50Mb／s的峰值速率；降低系統(tǒng)延遲，數(shù)據(jù)單向傳輸時(shí)延低于5ms；支持成對(duì)或非成對(duì)頻譜，并可靈活配置1．25MHz到20MHz多種帶寬；能夠?yàn)楦咚僖苿?dòng)用戶提供大于100kb／s的接入服務(wù)。因此，LTE技術(shù)在減少傳輸時(shí)延、提高用戶數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)容量、改善覆蓋范圍，以及降低運(yùn)營(yíng)成本等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

目前，采用LTE技術(shù)的軌道交通項(xiàng)目包括：鄭州地鐵1號(hào)線PIS系統(tǒng)的車－地?zé)o線通信系統(tǒng)，朔黃鐵路承載機(jī)車同步操控的LTE寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。北京地鐵選取燕房線作為城軌交通信號(hào)系統(tǒng)LTE技術(shù)的應(yīng)用示范線進(jìn)行測(cè)試。WLAN與LTE的技術(shù)對(duì)比如表2所示。

通過(guò)上述對(duì)比分析，可以看出LTE技術(shù)與現(xiàn)在采用的WLAN技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。懸掛式單軌交通線路基本為地面線，采用專用頻段的LTE技術(shù)，相較于采用2．4GHz開放頻段的WLAN來(lái)說(shuō)，其抗外部無(wú)線干擾能力將大大增強(qiáng)。若LTE技術(shù)通過(guò)測(cè)試完全滿足城軌交通列控系統(tǒng)的車－地?zé)o線通信傳輸要求并成功應(yīng)用，則優(yōu)先推薦其作為懸掛式單軌交通列控系統(tǒng)的車－地?zé)o線通信制式。

表2 WLAN與LTE的技術(shù)對(duì)比表

3 列控系統(tǒng)車－地?zé)o線通信傳輸媒介的分析

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)常用的車－地?zé)o線通信的傳輸媒介主要有漏泄波導(dǎo)、漏泄電纜和無(wú)線天線3種。

3．1 漏泄波導(dǎo)

漏泄波導(dǎo)是擠壓成型的鋁質(zhì)矩形管道，沿其寬邊面向車載天線開有窄縫，使載頻范圍內(nèi)的微波沿波導(dǎo)均勻輻射，在距離波導(dǎo)上方設(shè)定的最佳傳輸范圍內(nèi)車載接收器可以接收波導(dǎo)漏泄輻射的信號(hào)。如圖2所示。

圖2 漏泄波導(dǎo)方式

波導(dǎo)管沿線貫通敷設(shè)，安裝于軌道梁內(nèi)側(cè)壁。軌旁波導(dǎo)管與車載天線之間的距離和位置有嚴(yán)格要求，安裝精度要求高，故安裝和維護(hù)工作量大，且由于軌道梁內(nèi)空間狹窄，其安裝和維護(hù)的難度也大。

3．2 漏泄電纜

如圖3所示，在同軸管外導(dǎo)體上開設(shè)一系列的槽孔或縫隙，使電纜中傳輸?shù)碾姶挪芰繌牟劭字新┬沟窖鼐€空間，場(chǎng)強(qiáng)衰減較均勻而無(wú)起伏，易為接收設(shè)備所接收。

圖3 漏泄電纜方式

漏泄電纜沿線貫通敷設(shè)，安裝于軌道梁內(nèi)側(cè)壁，安裝和維護(hù)工作量大，且由于軌道梁內(nèi)空間狹窄，其安裝和維護(hù)的難度也大。

3．3 無(wú)線天線

如圖4所示，無(wú)線天線 （自由空間波）可安裝在沿線支撐軌道梁的橋墩上或?qū)Ｓ描F塔上。若選用WLAN技術(shù)，間隔約400m左右設(shè)置1套軌旁無(wú)線AP及天線；若選用LTE技術(shù)，間隔約1km左右設(shè)置1套軌旁無(wú)線設(shè)備及天線。由于軌旁無(wú)線設(shè)備及天線至少間隔幾百米設(shè)置，數(shù)量較漏泄波導(dǎo)和漏泄電纜要少，其安裝和維護(hù)工作量也大大減小。

從技術(shù)上分析，無(wú)線天線、漏泄波導(dǎo)、漏泄電纜3種車－地?zé)o線通信傳輸媒介均能滿足懸掛式單軌交通車－地間列控信息的傳輸需求。從抗干擾方面分析，采用漏泄波導(dǎo)或漏泄電纜，可以較好地防止外界電磁干擾；采用無(wú)線天線，則須有可靠的防止外界電磁干擾措施。從安裝維護(hù)方面分析，采用漏泄波導(dǎo)或漏泄電纜，需要在軌道梁內(nèi)貫通敷設(shè)波導(dǎo)和漏纜，安裝維護(hù)需要進(jìn)行高空作業(yè)，人身安全隱患較大；且軌道梁內(nèi)布置有供電接觸軌等，空間狹窄，安裝維護(hù)困難，工作強(qiáng)度大。采用無(wú)線天線，軌旁無(wú)線天線設(shè)備可安裝于支撐懸掛式單軌軌道梁的橋柱上，安裝維護(hù)相對(duì)容易方便。從工程造價(jià)方面分析，采用漏泄波導(dǎo)或漏泄電纜需全線貫通敷設(shè)，設(shè)備多且工程量大，其工程造價(jià)相對(duì)高；采用無(wú)線天線，設(shè)備數(shù)量少，安裝維護(hù)工作量小，造價(jià)相對(duì)較低。

圖4 無(wú)線天線方式

4 結(jié)論

懸掛式單軌交通信號(hào)采用基于通信的移動(dòng)閉塞制式列控系統(tǒng)，從滿足其運(yùn)營(yíng)及功能需求來(lái)看，經(jīng)綜合性價(jià)比分析，推薦采用基于LTE制式的無(wú)線通信傳輸技術(shù)構(gòu)建列控系統(tǒng)的車－地信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，并采用無(wú)線天線作為軌旁無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)車－地間信息實(shí)時(shí)、連續(xù)、可靠地傳輸。

［1］ IEEE Std 1474．1－2004：IEEE Standard for Communications－Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements．2004．