WLAN技术在地铁列车控制中的应用

VinceSouth

【摘要】 随着WLAN技术日渐成熟，地铁列车控制也引入了基于WLAN技术为基础的无线通信列车自动控制系统，CBTC系统（Communication Based Train Control System）。本文结合深圳地铁在CBTC系统的成功运用经验，分析了深圳地铁CBTC系统中的核心技术车-地通信的内容和方式，着重论述了其中无线传播方式的问题，并对其优缺点进行了简单比较。
【关键字】 WLAN CBTC 车地通信 自由传播
深圳地铁二期工程，共有三条线路分别为蛇口线、龙岗线、环中线。三条线路的信号系统均采用时下最为先进的基于通信的列车控制（CBTC）系统。龙岗线采用BOMBARDIER公司的技术，蛇口线、环中线采用ALSTOM的技术。国内CBTC系统的车-地通信方式主要有两类，交叉感应环线方式（IL）和无线扩频通信方式（RF）。
基于环线的CBTC系统主要的代表为THALES SelTracS40，在轨道交通和干线铁路领域使用多年，有成熟的运用经验。目前国内仅有武汉轻轨1号线、广州地铁3号采用该方式。交叉感应环线方式具有传输特性好，抗干扰能力强的优点，但感应环线数据传输速率较低，只能够满足CBTC系统对数据量的基本需求。因为深圳未采用该种方式，所以本文不做详细阐述。ALSTOM BOMBARDIER两家公司的CBTC系统在系统结构和功能基本一致，但两公司的车-地双向连续通信方式还是存在一定的差异。无线扩频车-地通信方式，根据采用的传播介质的不同又分为：自由波天线、波导管、漏泄电缆三种方式。ALSTOM BOMBARDIER的CBTC系统的车-地通信媒介如下表所示。
扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication），简称扩频通信，是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列（一般是伪随机码）来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。CBTC系统中的无线扩频通信多采用开放ISM频段2.4-2.4835GHz，此频段主要是给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于非付费的频段，但工作功率必须小1瓦，并且不对其它频段造成干扰即可使用，不需要向当地无线电管理单位申请授权许可。CBTC系统也可采用5.725-5.850GHz频段，但该频段在我国属于非开放频段，需要向当地无线电管理单位申请付费使用。CBTC扩频通信在传输介质方面可以选择自由波天线、漏泄同轴电缆和波导管。
深圳地铁3号线由高架段和地下段两部分组成，传输方式采用自由波天线和漏泄同轴电缆混合式。高架段采用天线地下段采用漏缆。深圳地铁2、5号全部为地下段，全线采用波导管方式。现在我对三种传输方式进行简单的介绍：
一、自由波天线
深圳地铁3号线高架段采用自由波天线作为车-地通信方式。自由波天线方式主要是在轨旁设置AP箱和定向天线。AP箱中的接入交换机通过冗余的以太网络与骨干网交换机相连，每个AP点都是双网覆盖（红、蓝网络）图1，通过AP设备连接定向天线与车载设备天线互相通信。在频率覆盖方面相邻AP点之间设计为重叠覆盖，使得任何一个AP点的故障均不影响整个系统的正常运行。因为自由波天线网络技术符合IEEE802.11系列网络标准，可利用的标准化网络产品多、组网便捷、安装简便、设备维护价格相对便宜所以是目前CBTC系统研发、应用的主流方向。
二、漏泄电缆
深圳地铁3号线地下段采用漏泄电缆作为车-地通信方式。漏泄电缆方式特点是场强覆盖较好、可控，抗干扰能力强。缺点是漏泄同轴电缆价格高，安装过程复杂，漏缆需要安装在隧道的侧壁或隧道顶部。因深圳地铁3号线列车采用三轨供电方式，漏缆安装在隧道顶部。由于安装在隧道顶部增加了施工难度及增大了人工消耗，同时为后期运营维护带来了极大的不便。
三、波导管
深圳地铁2号线、5号线波导管传播方式为ALSTOM的技术。在轨旁铺设矩形波导管，波导管信号传输损耗小，场强覆盖均匀，抗干扰能力强，通信速率高。波导管安装方式可根据工程情况灵活选择，通常安装在钢轨一侧，可与供电三轨同侧安装，甚至可安装在隧道顶部。深圳2、5号线安装在钢轨一侧。挤压铝材质波导管强度较高，外部覆盖保护套，抗损坏能力也较强，基本可做到免维护。但波导管安装较复杂，工时消耗高于自由波天线安装。同时由于安装在钢轨一侧可能对维护检测设备造成一定影响。波导管传播方式较自由波天线传播方式投资略高。
采用自由波天线的无线传输系统在技术上与其他两种方式并无太大区别，造价最低。但是主要存在的问题是抗干扰能力较差。由于无线局域网技术的快速发展，除信号系统外，地铁中乘客资讯系统（PIS）、乘客携带的便携式WI-FI都是基于IEEE802.11 b或g标准的；另外在开放空间内通常还存在民用、商用无线局域网信号，使用相同频带和标准不同系统存在相互干扰问题。2011年11月1日，8时15分至9时30分，深圳地铁蛇口线多趟列车多次暂停运行，就是因为乘客的便携式WI-FI设备对CBTC信号产生了干扰致使列车暂停运行。所以采用自由波天线的CBTC系统在抗干扰能力较波导管、漏缆弱一些。
但是考虑到自由波天线成本低、可升级性强、安装调试便利等因素各信号系统厂商都以该种方式作为研究方向并提出了有效的抗干扰措施。目前自由波无线天线CBTC系统的抗干扰通常采用以下措施：
1）无线天线采用定向天线；2）信号与PIS系统无线天线采用水平或者垂直不同的极化方向；3）信号与PIS系统协调信道分配，尽量使双方信道不重叠；4）信号与PIS系统采用2.4G或5.8G不同频带；5）信号与PIS系统在AP天线布点时协调彼此之间的间距，控制干扰强度；6）由单一系统提供车地通信无线子系统，通过Qos技术控制信号列控信息的优先传递；7）用更高的通信速率传送列控数据，缩短列控数据传递周期，增加传递循环次数，以增加系统响应能力和看干扰能力。
根据目前深圳2、5号线项目的情况，在综合采取上述措施后，无线车地通信系统较好地解决了抗干扰的问题。深圳地铁集团在综合各方面的利弊后，在地铁三期工程建设的三条线路均采用了自由波无线天线的CBTC系统。可见各系统供应商有效的解决了干扰问题，有能力保证系统的稳定性。
地铁是与民生密切相关的重大工程，我们在追求建设成本的的同时更应该注重的是稳定，成熟和安全性。无线通信技术在不停的发展，CBTC技术也会越来越稳定，成熟和安全。
从而能够让铁路信号设备的防雷设计更具有针对性。在防雷保护工程正式建立前，相关技术人员要对铁路信号设备所处的电磁环境进行考量，从而划分出铁路信号设备防雷保护的等级，为防雷保护工程的顺利实施提供依据。针对性的防雷设备的设立将会最大程度的发挥出防雷体系的作用，对于降低雷电对铁路信号设备的损害有着极大意义。
四、结束语
铁路信号设备的雷电综合防护体系的建立和完善对于促进整个铁路的发展都有着重要意义，相关部门必须加强对其的重视，为铁路信号设备功能的发挥创造条件。
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