地鐵寬帶集群車(chē)載電臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)研究

馬超

摘要：該文介紹了一種在地鐵上使用的寬帶集群車(chē)載電臺(tái)設(shè)備，主要包括主機(jī)箱、操作終端、揚(yáng)聲器、送話器及相關(guān)線纜。主機(jī)箱采用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、信道機(jī)模塊，便于后續(xù)的調(diào)試與維護(hù);操作終端包括可觸摸顯示屏、攝像頭、物理按鍵及內(nèi)置的揚(yáng)聲器。此車(chē)載電臺(tái)可支持同時(shí)安裝TETRA和LTE兩種通信設(shè)備，支持音視頻通話和文件傳輸?？蓪?shí)現(xiàn)車(chē)輛與調(diào)度中心的互聯(lián)互通，為調(diào)度中心與司機(jī)對(duì)講、與乘客對(duì)講、對(duì)乘客廣播等功能提供通信渠道。寬帶集群設(shè)備通過(guò)音頻接口、RS485接口與車(chē)載PIS實(shí)現(xiàn)上述功能，通過(guò)RS485接口將自檢信息發(fā)送給車(chē)載PIS，由車(chē)載PIS轉(zhuǎn)發(fā)TCMS。

關(guān)鍵詞：地鐵;車(chē)載電臺(tái);通信設(shè)備;寬帶集群

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）15-0120-03

1 背景

城市地鐵交通方式的應(yīng)用，在很大程度上緩解了城市交通擁堵的問(wèn)題，也為城市居民的出行提供了便利。隨著城市軌道交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其安全性、舒適性和高效性得到社會(huì)的普遍關(guān)注[1]。

我國(guó)地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)行業(yè)市場(chǎng)集中度較高[2]，市場(chǎng)份額主要集中在幾大行業(yè)龍頭企業(yè)，包括賽格通信、上海鐵路通信工廠、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所等，其無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)全部采用TETRA標(biāo)準(zhǔn)[3]，調(diào)度員為實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)調(diào)整而面向行車(chē)值班員和司機(jī)發(fā)布指令主要是通過(guò)對(duì)講機(jī)，缺乏可視設(shè)備，城市軌道交通調(diào)度系統(tǒng)未來(lái)將向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化方向不斷發(fā)展[4]。其將最大滿足軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)、調(diào)度指揮、協(xié)調(diào)的功能，充分考慮系統(tǒng)的可靠性、開(kāi)放性、可擴(kuò)展性，以便為后期的技術(shù)升級(jí)創(chuàng)造條件[5]。隨著LTE技術(shù)的發(fā)展，軌道交通專用通信系統(tǒng)正在從TETRA數(shù)字集群向LTE寬帶集群過(guò)渡[6]。

目前國(guó)內(nèi)外軌道交通調(diào)度設(shè)備對(duì)LTE技術(shù)與終端產(chǎn)品的理論研究雖然已有成果，但呈現(xiàn)出分散化和局部化的特征，并沒(méi)有大范圍地應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，更沒(méi)有關(guān)注到雙模列車(chē)調(diào)度設(shè)備的應(yīng)用前景。目前地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)主要還是以TETRA系統(tǒng)為主，無(wú)法實(shí)現(xiàn)TETRA和LTE同時(shí)運(yùn)行，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)視頻信息的傳輸。此設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在TETRA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主機(jī)箱部分將TETRA與LTE兩種制式結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了兩套系統(tǒng)同時(shí)安裝，可以根據(jù)業(yè)主的需求來(lái)進(jìn)行方便的切換。操作終端既保留了傳統(tǒng)的常用物理功能按鍵，還支持液晶顯示屏觸摸按鍵功能。并增加了內(nèi)置攝像頭、內(nèi)置揚(yáng)聲器，可以方便操作人員進(jìn)行視頻通話及視頻信息的傳輸。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為了滿足地鐵無(wú)線通信系統(tǒng)中的多種不同種類(lèi)用戶之間的通話，分別對(duì)地鐵列車(chē)上TD-LTE集群調(diào)度系統(tǒng)通信設(shè)備結(jié)構(gòu)和TETRA集群調(diào)度系統(tǒng)的通信設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。并針對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了融合性設(shè)計(jì)，使之成為功能更完善的地鐵調(diào)度系統(tǒng)通信設(shè)備。寬帶集群車(chē)載電臺(tái)是安裝在地鐵列車(chē)兩端車(chē)頭司機(jī)室內(nèi)，提供給司機(jī)使用的無(wú)線終端設(shè)備。其通過(guò)車(chē)載天線與地面進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛與調(diào)度中心的互聯(lián)互通，保證了列車(chē)信息可以及時(shí)地發(fā)送到地面，同時(shí)，為調(diào)度中心對(duì)司機(jī)對(duì)講、對(duì)乘客對(duì)講、對(duì)客室廣播等功能提供傳輸通道。

寬帶集群車(chē)載電臺(tái)主要包含了主機(jī)箱、操作終端、揚(yáng)聲器（內(nèi)置于操作終端）、攝像頭（內(nèi)置于操作終端）和送話器以及相互連接的電纜。設(shè)備整體符合EN 50155：2007《鐵路設(shè)施鐵道車(chē)輛上使用的電子設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)，外殼防護(hù)符合GB/T4208-2008《外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）》標(biāo)準(zhǔn)，防水防塵的防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP55，可適應(yīng)地鐵列車(chē)運(yùn)行的復(fù)雜工作環(huán)境。設(shè)備電磁兼容（EMC）符合EN50121-3-2：2016《鐵路應(yīng)用-電磁兼容性 第3-2部分：車(chē)輛-裝置》標(biāo)準(zhǔn)。沖擊、振動(dòng)符合IEC61373《鐵路應(yīng)用-機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備-沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。連接電纜采用低煙無(wú)鹵阻燃護(hù)套，符合NFF16-101《鐵路車(chē)輛阻燃防火測(cè)試》標(biāo)準(zhǔn)，滿足地鐵車(chē)載設(shè)備的安全、防火等級(jí)要求。設(shè)備連接原理圖如圖1所示。

2.1 主機(jī)箱

主機(jī)箱采用19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu)，高度3U。安裝方式采用機(jī)架式水平安裝，用4個(gè)M6螺釘和卡式浮動(dòng)螺母安裝固定在列車(chē)通信機(jī)柜內(nèi)。主機(jī)箱采用模塊化的設(shè)計(jì)，分成電源模塊和信道機(jī)模塊。電源模塊采用符合EN50155和EN45545-2鐵路系統(tǒng)認(rèn)證的150W的DC110V轉(zhuǎn)DC12V的鐵路專用電源，它有短路/過(guò)負(fù)載/過(guò)電壓/過(guò)溫度/輸入反極性保護(hù)，輸入輸出隔離度可達(dá)4000VDC，保證了電源的穩(wěn)定性，抗震性也更有保證。信道機(jī)模塊采用LTE制式的鼎橋EV751和TETRA制式的摩托羅拉MTM5200 DATA BOX，兩種制式的模塊可以相互切換，也可以同時(shí)運(yùn)行，用戶能夠根據(jù)需求選擇更合適的方式使用，為用戶提供了更多選擇。

同時(shí)，我們采用導(dǎo)軌式安裝的方式來(lái)安裝各個(gè)模塊，這樣方便后續(xù)各模塊的拆裝維修。在材料選擇上，主機(jī)箱框架結(jié)構(gòu)采用的是鋁合金材質(zhì)，表面氧化噴涂處理，降低了設(shè)備的整體重量。上下蓋板設(shè)有散熱孔，可以實(shí)現(xiàn)良好的散熱功能。前面板采用的是表面拉絲氧化處理的鋁合金材質(zhì)，突出表面的金屬質(zhì)感，可以用來(lái)修飾一些不明顯的瑕疵。主機(jī)箱前面板上裝有可靠性較高的航空插頭連接器，負(fù)責(zé)與各專業(yè)進(jìn)行對(duì)接。機(jī)箱內(nèi)部導(dǎo)軌采用的不再是塑料導(dǎo)軌，而是采用的金屬導(dǎo)軌，提高了導(dǎo)軌的可靠性。內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)件采用的是冷軋板加不銹鋼材質(zhì)，考慮到強(qiáng)度要求，在主要承重位置采用的不銹鋼結(jié)構(gòu)件，輔助支撐位置采用的是冷軋板材質(zhì)，這樣既保證了強(qiáng)度要求又降低了生產(chǎn)成本。主機(jī)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 操作終端

操作終端上安裝有觸摸式液晶屏、自動(dòng)對(duì)焦高清攝像頭、USB接口、揚(yáng)聲器、物理按鍵等組件，可實(shí)現(xiàn)觸屏點(diǎn)選、自動(dòng)對(duì)焦、USB連接等功能。操作終端前面板采用鋁合金加工，表面噴砂氧化處理。對(duì)外連接采用可靠性更高的航空插頭連接器。操作界面采用常用功能的物理按鍵與觸摸屏按鍵組合的形式，優(yōu)化了按鍵結(jié)構(gòu)，使操作面板更加簡(jiǎn)潔。

前面板中間位置上設(shè)有液晶屏視窗開(kāi)孔和安裝位置，左側(cè)有揚(yáng)聲器出音孔和送話器連接口，右側(cè)有按鍵開(kāi)孔、指示燈開(kāi)孔和USB接口，在液晶屏上側(cè)設(shè)有攝像頭安裝孔。液晶屏采用晶彩7寸高亮度可觸摸液晶顯示屏，分辨率可達(dá)到1280×800，最大亮度可達(dá)到1275cd/m2。物理按鍵采用硅膠材質(zhì)注塑成型，按鍵上的文字采用噴涂后鐳雕處理，外觀簡(jiǎn)潔有質(zhì)感，觸摸感也更舒適。攝像頭采用的是OV5640芯片，有自動(dòng)對(duì)焦功能，像素可達(dá)到500萬(wàn)，可用于操作人員視頻通話及視頻信息的傳輸。揚(yáng)聲器采用兩個(gè)球頂形電動(dòng)揚(yáng)聲器，嵌入式安裝在操作終端內(nèi)部，增加了設(shè)備的集成度。同時(shí)，節(jié)省了之前外部揚(yáng)聲器連接的電纜，改善了在地鐵列車(chē)上的安裝空間。操作終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

操作終端的主控板集成了1.8GHz和800MHz頻段的雙模制式通信所需的硬件接口，如圖4所示。主控板的核心板采用的是迅為i.MX6Q 核心板，基于Cortex-A9處理器，它支持NXP四核運(yùn)算，最高主頻可達(dá)到1.2GHz，支持Linux-QT、Android、Ubuntu、Debian、Youcto等不同操作系統(tǒng)。主控板具備最大1080p@30Hz像素的視頻處理能力，并且支持 H.264全雙工編解碼，可以完成一路視頻編、解碼的同時(shí)進(jìn)行另外一路視頻編碼，即一路全雙工編、解碼實(shí)現(xiàn)點(diǎn)呼可視對(duì)講，一路編碼實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。

主控板的音頻接口包括音頻輸入、音頻輸出、緊急呼叫、PTT和麥克風(fēng)、喇叭輸出、廣播輸出等，視頻接口包括Camera接口、標(biāo)準(zhǔn)雙路8位LVDS接口的LCD及觸摸屏接口和背光控制接口等。存儲(chǔ)模塊采用的是標(biāo)準(zhǔn)的SATA接口，網(wǎng)絡(luò)接口采用i.MX6Q自帶的10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)口。串行接口包括RS-232、RS-422、RS-485，可用于打印、調(diào)試、車(chē)輛信息傳輸?shù)取?/p>

車(chē)載終端軟件結(jié)構(gòu)合理、層次分明，界面設(shè)計(jì)遵循Windows的窗口風(fēng)格，人機(jī)交互友好，可實(shí)現(xiàn)單屏操作，操作簡(jiǎn)捷便利。軟件功能完善，可靠性高，可上電自檢，接收和應(yīng)答呼叫，請(qǐng)求呼叫調(diào)度，請(qǐng)求呼叫機(jī)車(chē)，向調(diào)度發(fā)送預(yù)定義消息，接收調(diào)度的預(yù)定義消息，錄音功能，視頻通話功能等。

2.3 送話器

送話器采用的是晨訊達(dá)原裝送話器，可提供數(shù)字鍵盤(pán)、緊急呼叫等功能。

3 功能描述

寬帶集群車(chē)載電臺(tái)可用于實(shí)現(xiàn)列車(chē)與控制中心的調(diào)度，與車(chē)站工作人員以及車(chē)輛段/停車(chē)場(chǎng)工作人員之間的通信。其主要功能有呼叫功能，數(shù)據(jù)傳輸功能，顯示功能，注冊(cè)/注銷(xiāo)請(qǐng)求功能，車(chē)載設(shè)備調(diào)度全線歸屬，車(chē)載電臺(tái)手動(dòng)輸入車(chē)次號(hào)，時(shí)間同步功能，全網(wǎng)錄音功能，音視頻實(shí)時(shí)通話功能，緊急呼叫功能等。車(chē)載電臺(tái)的呼叫功能又包含緊急呼叫、請(qǐng)求呼叫、接收調(diào)度呼叫以及對(duì)列車(chē)乘客的呼叫廣播功能。調(diào)度員可以選擇或在必要情況下接收列車(chē)司機(jī)的呼叫，也可以對(duì)在其管轄范圍內(nèi)的某一列車(chē)或所有列車(chē)的乘客進(jìn)行廣播。當(dāng)列車(chē)在正線運(yùn)行時(shí)，接收到司機(jī)呼叫，會(huì)分配到一個(gè)對(duì)應(yīng)的車(chē)次號(hào)。在無(wú)線通信調(diào)度上會(huì)生成對(duì)應(yīng)此車(chē)次號(hào)、機(jī)車(chē)號(hào)的車(chē)載電臺(tái)通話組。車(chē)載電臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸功能又分為：語(yǔ)音集群、發(fā)送和接收預(yù)定義文本信息、視頻信息和接收短信息、短視頻。車(chē)載電臺(tái)還可以利用LTE/TETRA系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快速收發(fā)狀態(tài)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

此車(chē)載電臺(tái)是首個(gè)將LTE和TETRA兩種通信制式的無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合在一起的設(shè)備。可以保證兩種制式同時(shí)工作，互為補(bǔ)充。既保證了LTE通信系統(tǒng)的多媒體信息處理優(yōu)勢(shì)，又很好兼容了TETRA系統(tǒng)的特點(diǎn)。它還能夠支持多種系統(tǒng)帶寬場(chǎng)景，在系統(tǒng)部署上更具有靈活性;它還有數(shù)據(jù)傳輸速率快、移動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，在高速移動(dòng)的情況下也能達(dá)到良好的接收效果。相較于目前地鐵通信調(diào)度系統(tǒng)的單一性，此設(shè)備具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

可以預(yù)見(jiàn)，在未來(lái)數(shù)年內(nèi)LTE寬帶集群將會(huì)成為軌道交通專用通信系統(tǒng)的首選[7]。在目前的這個(gè)過(guò)渡時(shí)期，能夠同時(shí)兼容LTE和TETRA兩種制式的通信設(shè)備是有必要的，并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是有明顯優(yōu)勢(shì)的。

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