長春輕軌無線通信系統(tǒng)改造方案分析

程 鑫，曲 直

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037)

軌道交通專用無線通信系統(tǒng)是為了保證城市軌道交通安全、高效運營而建設的安全、可靠、有效的通信系統(tǒng)，它為運營的固定用戶和移動用戶之間的語音和數(shù)據(jù)信息交換提供可靠的通信手段，對行車安全、提高運輸效率和管理水平、改善服務質(zhì)量提供了重要保證；同時，在運營出現(xiàn)異常情況和調(diào)度電話出現(xiàn)故障時，可以迅速提供防災救援和事故處理指揮所需要的通信手段。

1 無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

1.1 長春輕軌工程概況

長春輕軌分三期實施，包括兩條線路，線路的結(jié)構(gòu)和布設情況如下：一、二期工程全長31.14 km，共設車站33 座，其中地下站一座，地面、高架和半地下站32 座。設有車輛段和停車場各1 座。三期工程全長15.95 km，共設車站16 座，其中地下站3座，高架站13 座，車輛段1 座。

輕軌三期與輕軌一、二期合用朝陽橋控制中心。

1.2 原專用無線通信系統(tǒng)方案

輕軌一、二期工程由于當時投資有限，且線路均為地面線或高架線路，專用無線通信系統(tǒng)采用租用鐵通GoTa 800 MHz 數(shù)字集群系統(tǒng)。鐵通GoTa 800 MHz 數(shù)字集群網(wǎng)于2005 年初投入商用，已經(jīng)建成了覆蓋整個長春市的GoTa 數(shù)字集群網(wǎng)絡。

輕軌三期工程在初步設計階段，按照節(jié)約項目建設成本的建設原則，專用無線通信系統(tǒng)也推薦采用租賃鐵通建設的GoTa 800 MHz 數(shù)字集群系統(tǒng)來實現(xiàn)無線系統(tǒng)功能需求。

1.3 存在的問題及改造必要性

1.3.1 設備維修維護

GoTa 系統(tǒng)僅在國內(nèi)部分城市布置集群共網(wǎng)系統(tǒng)，為長春輕軌工程提供無線車載電臺等設備均為定制開發(fā)，至輕軌三期建設之前，國內(nèi)絕大多數(shù)城市的城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)基本上均采用TETRA 制式。由于GoTa 系統(tǒng)在城市軌道交通領域遲遲無法大面積使用，系統(tǒng)終端設備已無廠家生產(chǎn)，導致輕軌一、二期工程設備損壞后無法更換和維修，這已經(jīng)嚴重影響長春輕軌的正常運營調(diào)度與指揮，急需對無線系統(tǒng)進行升級與改造。

1.3.2 系統(tǒng)互聯(lián)互通

在輕軌三期開通前，長春在建的地鐵1、2 號線，無線調(diào)度方案均推薦在國內(nèi)軌道交通有成熟應用經(jīng)驗的TETRA 系統(tǒng)。目前不同TETRA 系統(tǒng)廠商的設備在調(diào)度業(yè)務的互聯(lián)互通上仍存在一些問題，需要在建設階段進行互聯(lián)互通的強制性要求才能滿足上述線網(wǎng)互聯(lián)互通需求。TETRA 系統(tǒng)與GoTa 系統(tǒng)由于制式不同，更無法實現(xiàn)互聯(lián)互通?？紤]到長春整個軌道交通線網(wǎng)無線制式的統(tǒng)一性及互聯(lián)互通，在輕軌三期工程實施階段對輕軌一、二期專用無線通信進行改造是必要的。

2 改造原則及改造方案

2.1 改造原則

1) 改造后的無線通信系統(tǒng)應立足于線網(wǎng)，系統(tǒng)不僅應滿足輕軌工程的運營和管理要求，而且還應能方便地與在建的城市軌道交通工程通信系統(tǒng)互聯(lián)，同時還應為今后其他線路的接入預留必要的條件。

2) 采用技術先進、接口標準的設備，關鍵部件冗余配置，能連續(xù)不間斷地運行。

3) 系統(tǒng)改造應基于不影響既有線運營為原則。

2.2 改造方案

2.2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)

輕軌一、二、三期工程專用無線通信系統(tǒng)采用全IP 架構(gòu)的摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)。系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理與交換為IP 方式。由于采用IP 核心，使系統(tǒng)具備更平滑的擴容能力，通過不斷擴容可以實現(xiàn)多條城市軌道交通線路共享整個系統(tǒng)，如圖1 所示。

本系統(tǒng)由1 套TETRA 交換控制中心（MSO）、9個調(diào)度臺、1 個TETRA 網(wǎng)絡管理終端、15 個雙載頻基站，12 套光纖直放站近端機、37 套光纖直放站遠端機以及6 個TETRA 固定電臺、100 個TETRA 便攜電臺、160 個TETRA 車載電臺所構(gòu)成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡如圖2 所示。

2.2.2 場強覆蓋方案

在設計本工程無線場強覆蓋時，充分考慮系統(tǒng)因素與環(huán)境因素，設計滿足實際需求的射頻覆蓋方案。

2.2.2.1 覆蓋區(qū)域及覆蓋方式

1) 覆蓋區(qū)域

無線通信系統(tǒng)場強應覆蓋全部范圍，包括以下區(qū)域：

雙正線區(qū)間以及段/場出入線；

段/場內(nèi)的整個區(qū)域（地面）；

各車站的整個區(qū)域。

2) 覆蓋方式

a.區(qū)間場強覆蓋

專用無線通信系統(tǒng)在隧道、高架、地面區(qū)間使用漏纜進行覆蓋。地上區(qū)間采用單側(cè)漏纜覆蓋，地下區(qū)間每條隧道敷設1 條漏纜。一、二期工程漏纜懸掛于接觸網(wǎng)立柱上，其中一期漏纜掛高2 800 mm、二期工程漏纜掛高1 500 mm；三期工程高架區(qū)間漏纜懸掛于聲屏障上，掛高1 450 mm，地下區(qū)間漏纜敷設在弱電側(cè)上部，掛高3 600 mm。一、二期工程部分區(qū)間有與市政道路相交的平交路口，不具備安裝漏纜的條件，均采用定向天線進行相關區(qū)段的覆蓋，定向天線安裝于車站端頭或平交路口處的接觸網(wǎng)立柱上。

b.站臺場強覆蓋

地下車站站臺借助隧道漏纜覆蓋。

c.站廳場強覆蓋

站廳采用無源小天線進行覆蓋，天線為收發(fā)共用。

圖1 長春輕軌無線通信系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)圖Fig.1 Architecture network diagram of radio communication system of Changchun light rail

圖2 調(diào)度系統(tǒng)組網(wǎng)圖Fig.2 Networking diagram of dispatching system

d.段/場內(nèi)場強覆蓋

段/場各設置專用無線通信系統(tǒng)天線3 套（2 接收、1 收發(fā)共用），采用全向天線用于車輛段/停車場內(nèi)的場強覆蓋。

2.2.2.2 接觸網(wǎng)立柱懸掛漏纜方案

輕軌一、二期需借助接觸網(wǎng)立柱懸掛漏纜，為保證接觸網(wǎng)立柱的安全，進行漏纜荷載計算及安裝方案設計。

1) 荷載的計算

a.沿線路方向的彎矩M

其中：F：馳度；g：負載；l：跨距；T：橫向拉力。

F 取 決 于 溫 度。當 溫 度t1=35 ℃,規(guī) 定F 為0.45 m。

g 為漏纜和鋼絞線的負載，漏纜、鋼絞線指 標如下：漏纜：1 100 kg/km；7×2.2 鋼絞線：221.27 kg/km。經(jīng)計算，g=0.012 948 kN。

l 輕軌一期取最大值45 m。

綜上，在溫度t1=35℃時，橫向拉力T=7.28 kN。

任意溫度、負載條件下的馳度：

溫度t 影響漏纜和鋼絞線的馳度，當馳度越小時，橫向拉力T 越大。

t：溫度;q：負載；T：橫向拉力；α：接觸線的線脹系數(shù)（1/℃）；E：接觸線的彈性模量（GPa）；S：接觸線的橫截面積（mm2）；l：跨距。

根據(jù)長春的氣候情況，t1取35℃，tx取-35℃。

負載q，q1、qx近似相同，即q1=qx=0.012 948 kN。

橫向拉力T1為溫度t1=35℃時的值， T1=7.28 kN。

線脹系數(shù)α，取鋼材的α，α=1.1×10-5。

彈性模量E，取鋼材的E，E=1.95×105Mpa。

橫截面積S，鋼絞線的S，S=6.6 mm2。

l 輕軌一期取最大值45 m。

綜上，可以計算出在溫度tx=-35℃時，橫向拉力Tx=8.17 kN。

彎矩M：M=T·H

其中：T：橫向拉力，H：掛高。

T 取最大值，即溫度tx=-35℃時，T=8.17 kN。

H 輕軌一期規(guī)定為2.8。

綜上，輕軌一期沿線路方向彎矩M=22.88 kNm。

b.垂直線路方向的彎矩M

α：風速不均勻系數(shù)，根據(jù)長春的氣候情況，取當風速為31 ～35 m/s 時，α=0.75。

k：風載體型系數(shù)，當d ＜17 mm 時，k=1.20；d ≥17 mm 時，k=1.10。

d：線索的直徑（mm），鋼絞線直徑6.6 mm，漏纜直徑48 mm。

l：懸掛跨距，輕軌一期取最大值45 m。

v：設計計算風速（m/s），取最大值35 m/s。

θ：風向與線路方向的夾角，θ=90°。

綜上，鋼絞線加漏纜的風偏P=1.549 kN。

其中：T：橫向拉力，取最大值T=8.17 kN。

L：跨距，輕軌一期取最大值45 m。

曲線半徑R，取300 m。

綜上，F(xiàn)=1.23 kN。

彎矩M：M=P·H+F·H。

H 輕軌一期規(guī)定為2.8 m。

綜上，輕軌一期垂直線路方向彎矩M=7.769 kNm。

c.計算結(jié)果

經(jīng)以上計算，輕軌一期沿線路方向彎矩為22.88 kNm；垂直線路方向彎矩為7.769 kNm。

輕軌二期掛高H=1.5 m，跨距L 取45 m，曲線半徑R 取300 m，根據(jù)以上公式，計算可得沿線路方向彎矩為12.255 kNm；垂直線路方向彎矩為4.169 kNm。

2) 漏纜安裝方案

采用鋼絞線吊掛漏纜，將7×2.2 鋼絞線抱箍固定于接觸網(wǎng)立柱上，通過吊掛件將漏纜吊掛于鋼絞線上。為平衡沿線路方向的拉力，需在終端桿處制作地錨。接觸網(wǎng)專業(yè)設計單位經(jīng)過相關驗證后，同意按此方案在接觸網(wǎng)立柱上懸掛漏纜。漏纜及地錨安裝方式如圖3 所示。

2.2.2.3 覆蓋指標

圖3 漏纜及地錨安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of leakage cable and anchor

1) 服務等級：呼損率（GoS）≤2%；

2) 話音質(zhì)量：在無線網(wǎng)內(nèi)通話音頻帶內(nèi)信噪比≥20 dB；進入市話網(wǎng)的通話音頻帶內(nèi)信噪比≥29 dB；

3) 干擾保護比：同頻≥19 dB，鄰頻≥ 45 dB；

4) 無線覆蓋邊緣場強：下行（從基站至車載臺）： 每載波不低于-85 dBm（在便攜臺天線輸入端）；上行（從車載臺至基站）：每載波不低于-88 dBm（在基站輸入端）。

2.2.2.4 鏈路覆蓋預算

由于典型地下區(qū)間、車站站廳站臺、車輛段/停車場等區(qū)域的覆蓋均屬采用軌道交通常規(guī)覆蓋方式，經(jīng)計算均有足夠的場強余量。由于地面及高架區(qū)間采用單側(cè)漏纜覆蓋，屬于非典型覆蓋方式，在工程中選取區(qū)間最長的區(qū)段計算：湖光路站～硅谷大街站（1 585 m），其場強鏈路預算如表1、2 所示。

由于漏纜指標中的耦合損耗為距離漏纜2 m處，而本工程為單側(cè)覆蓋，漏纜敷設在軌行區(qū)外側(cè)，列車距離漏纜約為4 m，通過在試驗段現(xiàn)場測試，外側(cè)車載臺的上下行場強均滿足最低接收電平要求，且有部分余量。

表1 區(qū)間下行鏈路場強余量計算Tab.1 Field strength margin calculation for section downlink

3 新舊系統(tǒng)割接方案

在實施過程中，新的專用無線通信系統(tǒng)安裝、調(diào)試及試運行、系統(tǒng)初驗完成之前，始終保持舊的無線系統(tǒng)正常使用。新舊系統(tǒng)割接工作（含安裝、調(diào)試等），始終在非運營時段實施（除非必須在運營時段實施），新系統(tǒng)經(jīng)試運行并通過預驗收、能夠?qū)崿F(xiàn)所有新系統(tǒng)功能，并滿足輕軌一、二、三期正式運營要求，逐步拆除舊系統(tǒng)及臨時性的接口設備。

表2 區(qū)間上行鏈路場強余量計算Tab.2 Field strength margin calculation for section uplink

4 結(jié)語

改造后的長春輕軌專用無線通信系統(tǒng)提供滿足輕軌運營需求的豐富的調(diào)度功能及輔助業(yè)務功能。同時，由于采用國內(nèi)軌道交通主流技術制式組網(wǎng)，解決了設備維修維護存在的問題及與線網(wǎng)其他線路互聯(lián)互通的問題，滿足長春市軌道交通未來發(fā)展需要。