電力線通信技術(shù)在地鐵AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

方 暉徐文學(xué)李建平

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，315101，寧波；2.北京卓越信通電子股份有限公司，100094，北京；3.泰華智慧產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，250101，濟(jì)南∥第一作者，高級工程師）

1 傳統(tǒng)自動售檢票系統(tǒng)的車站級網(wǎng)絡(luò)

圖1 基于以太網(wǎng)的AFC車站級網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)自動售檢票（AFC）系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)（如圖1所示）采用二層接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與三層匯聚網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，共同組建二層工業(yè)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。相比于星型或鏈型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以提供鏈路的冗余，因而擁有極大的優(yōu)勢：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)任意位置的單點(diǎn)故障時，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)可以立即啟用其備用鏈路，使得任意節(jié)點(diǎn)的通信不會出現(xiàn)中斷的情況；對于每一個獨(dú)立的環(huán)網(wǎng)，可啟用環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)單點(diǎn)故障時，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)毫秒級速度進(jìn)行倒換，以保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的正常傳輸，增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

基于以太網(wǎng)的AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)采用光纖介質(zhì)，設(shè)備區(qū)的線纜可采用沿走廊和房間頂棚明敷、沿吊頂內(nèi)敷設(shè)、沿墻內(nèi)暗敷，或采用在防靜電地板下穿管道或鍍鋅線槽（200 mm×100 mm）等多種方式。公共區(qū)地面裝修層線槽采用不銹鋼制品，壁厚3 mm，包括三種類型：① 按150/250分隔的，尺寸為400 mm×50 mm；②按150/150分隔的，尺寸為300 mm×50 mm；③ 按150/100/150分隔的，尺寸為400 mm×50 mm。不銹鋼線槽、接線盒、分線盒之間采用防水連接器進(jìn)行連接，防護(hù)等級達(dá)到IPX7。所有不銹鋼線槽、分線盒、終端盒都在工廠進(jìn)行成品化焊接生產(chǎn)，車站施工現(xiàn)場不允許焊接和加工。然而在實(shí)際工程中，由于土建誤差，當(dāng)?shù)孛娼Y(jié)構(gòu)標(biāo)高不足時，地面開鑿和保護(hù)還要由AFC系統(tǒng)施工單位負(fù)責(zé)；工程沿線的各種外部接口繁雜，施工空間的局限給設(shè)備管線綜合帶來了巨大困難；設(shè)計(jì)及現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)需要消耗大量的人力與時間，這既降低了工作效率，又大大增加了出錯的機(jī)率；前期工作的效率低下還會導(dǎo)致后期設(shè)備用于安裝調(diào)試的時間緊張。因此，AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)在新線施工和老線改造過程中難度很大，且對資金和工期都提出了很高的要求。

經(jīng)過市場調(diào)研，對圖2所示的不銹鋼線槽方案進(jìn)行評估：按投資15萬元/站以及鍍鋅鋼管5萬元/站計(jì)算，一條線路僅在布線方面至少要投資200萬元以上；而在改造項(xiàng)目上，還需要在破壞墻體、墻體修復(fù)等方面增加不菲的費(fèi)用。

圖2 軌道交通車站裝修層不銹鋼線槽設(shè)計(jì)方案

電力線通信（PLC）是指利用電力線作為媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。PLC技術(shù)利用設(shè)備電源線進(jìn)行傳輸，無需再單獨(dú)布置通信線纜，無需進(jìn)行墻體施工及布置通信線槽，從而減少部分人力、物力和財(cái)力。因此，通過PLC技術(shù)來解決AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)方案是值得研究的。

2 基于PLC技術(shù)的AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)方案

PLC技術(shù)把載有信息的高頻信號加載于直流或交流電信號上，通過電力線作為媒介進(jìn)行信息傳輸，接收信息的解調(diào)設(shè)備再把高頻信號從直流或交流電信號上分離出來，并傳送到終端設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞。PLC也可以用同軸電纜、電話線等媒介來傳輸。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最廣的一種物理媒介，利用它傳輸數(shù)據(jù)信息，可以降低運(yùn)營成本，減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)的支出。隨著調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)的發(fā)展，PLC通信技術(shù)性能得到了很大提高，傳輸距離越來越遠(yuǎn)，帶寬越來越高，抗干擾性越來越強(qiáng)。因此，PLC技術(shù)代替百兆以太網(wǎng)，用以構(gòu)建AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)是完全可行的。

基于PLC的AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示），利用既有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用工業(yè)電力網(wǎng)橋來替代二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于每一區(qū)域中的設(shè)備如閘機(jī)、自動售票機(jī)等，各區(qū)域的終端可以接入一個單口工業(yè)電力網(wǎng)橋（TSC-PLC-1001S），也可以按相鄰區(qū)域終端的數(shù)量接入多口工業(yè)電力網(wǎng)橋（TSC-PLC-1004S、TSC-PLC-1010S）。其接入方式是終端設(shè)備的網(wǎng)口對接電力網(wǎng)橋的網(wǎng)口，電力網(wǎng)橋局端的網(wǎng)口對接三層交換機(jī)的網(wǎng)口。若信息由終端傳向中心，則數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口接入后由電力網(wǎng)橋設(shè)備調(diào)制到電力線上，再由電力線傳輸?shù)诫娏W(wǎng)橋局端設(shè)備上，電力網(wǎng)橋局端設(shè)備解調(diào)后恢復(fù)成以太網(wǎng)信號傳輸給三層交換機(jī)；若信息由中心傳向終端，則數(shù)據(jù)傳輸反過來即可。整個電力線網(wǎng)絡(luò)的出口是兩個電力網(wǎng)橋局端設(shè)備（TSC-PLC-1002M）。這兩個設(shè)備形成熱備份。每個局端設(shè)備自身有“一主一備”兩個以太網(wǎng)口，同時接到三層交換機(jī)上，只有當(dāng)主端口失效時備端口才開始工作。這種接入方式確保了電力網(wǎng)橋局端設(shè)備異?；蛉龑咏粨Q機(jī)某一端口異常時，整個系統(tǒng)仍可以正常工作。

電力線信道傳輸環(huán)境非常惡劣，存在多種復(fù)雜噪聲干擾、與其他業(yè)務(wù)頻段信號的耦合、惡劣的頻率選擇性和快速時變性等問題。這些問題極大地阻礙了信號傳輸?shù)目煽啃?，需要采用有效的技術(shù)來保證信號傳輸?shù)母咝敯粜?。隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展和電力線通信市場的興起，國內(nèi)外諸多科研機(jī)構(gòu)都開展了寬帶電力線通信技術(shù)的研究，包括正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)、高效的編碼調(diào)制技術(shù)、魯棒靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號處理技術(shù)、頻譜感知技術(shù)等，以提高PLC通信的性能和工作穩(wěn)定性。目前，寬帶PLC的傳輸性能已經(jīng)達(dá)到帶寬1 Gbit/s以上、傳輸距離300 m以上。而在AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)中，各終端的設(shè)備流量在500 kbit/s以下，同一不間斷電源（UPS）下節(jié)點(diǎn)數(shù)為30個左右，預(yù)計(jì)需要15 Mbit/s左右的總帶寬。通過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，1 Gbit/s電力網(wǎng)橋的有效數(shù)據(jù)傳輸帶寬在近距離情況下可以達(dá)到400 Mbit/s左右，完全能夠滿足AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)的需求。另外，在同一電力線下，還可通過設(shè)置電力網(wǎng)橋分組的方式，將不同區(qū)域的網(wǎng)橋設(shè)備設(shè)置成一個組，從而減少電力網(wǎng)橋間的相互干擾，提高帶寬利用率。

寬帶電力線的載波頻段在2～85 MHz（Homeplug標(biāo)準(zhǔn)）或者在 25 MHz、50 MHz、100 MHz附近（G.hn標(biāo)準(zhǔn)）。在工程實(shí)踐中，可以結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行頻段優(yōu)化。若濾波器所濾頻段不在這個頻段范圍，則對PLC通信影響不大；若所濾頻段在上述范圍，可利用電感耦合或電容耦合的方式跨接過去。

根據(jù)多年的工程經(jīng)驗(yàn)，AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)供電及數(shù)據(jù)傳輸具有如下特征：①采用獨(dú)立UPS供電，總?cè)肟谖ㄒ?，電源潔凈；②供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜鏈路，無大型過流保護(hù)及濾波裝置；③負(fù)載主要為計(jì)算機(jī)、電子元器件模塊及小功率電器，無大型負(fù)載；④數(shù)據(jù)量和實(shí)時性要求不高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少。因此，PLC技術(shù)應(yīng)用于AFC車站級系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，使得PLC通信在應(yīng)用中可以揚(yáng)長避短。

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)方案相比，基于PLC的AFC系統(tǒng)車站級網(wǎng)絡(luò)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用電力線供電特性，電力線斷開與否與設(shè)備工作與否是正相關(guān)的，因?yàn)闊o需構(gòu)建冗余環(huán)網(wǎng)，也就沒有以太網(wǎng)交換方案所需的環(huán)網(wǎng)收斂時間要求；②減少了施工材料數(shù)量，如可采用鍍鋅鋼管取代不銹鋼線槽，還可減少光纖材料；③減少了如線槽敷設(shè)、光纖熔纖、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試等工作量；④減少了運(yùn)營維護(hù)的工作量，實(shí)現(xiàn)“有電就有網(wǎng)”；⑤降低了改造項(xiàng)目實(shí)施難度和相關(guān)費(fèi)用。此外，在設(shè)備性能和成本上，PLC網(wǎng)絡(luò)核心產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)與現(xiàn)有的以太網(wǎng)方案并無明顯差異。在硬件上，相比較同端口的交換機(jī)，主要是增加了PLC通信模塊，成本無太大變化。

圖3 基于PLC的AFC車站級網(wǎng)絡(luò)

3 結(jié)語

PLC通信在解決最后幾百米通信上有天然的免布線優(yōu)勢，尤其在系統(tǒng)改造或擴(kuò)展方面能夠極大節(jié)約成本和縮短工期。PLC技術(shù)本身已經(jīng)很成熟，在遠(yuǎn)程抄表等民用行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用?；赑LC技術(shù)實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)中車站級網(wǎng)絡(luò)傳輸時，只要在工程實(shí)踐中結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化處理，減少電力線上設(shè)備對信號傳輸?shù)母綦x和干擾，保障數(shù)據(jù)傳輸效率，采用PLC來替代以太網(wǎng)通信完全能夠取得預(yù)期效果。