漏泄电缆在地铁CBTC信号系统中的应用

王金贵

（天津市地下铁道集团有限公司，天津 300030）

1 概述

信号系统是现代大运量、高密度的轨道交通自动控制系统中的重要组成部分，对列车高速、有序运行、保证列车和乘客的安全起到重要作用。

随着技术进步，特别是无线技术飞速发展，人们开始研究以通信技术为基础的列车运行控制系统（CBTC）。它的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。

CBTC的突出优点是车地双向通信，而且传输信息量大，传输速度快，使信号系统能够突破传统的固定闭塞运行模式，转为移动闭塞模式，同时可减少区间敷设电缆和日常维护工作，具有适度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、运量和不同类型牵引的列车运行控制等优点。

2 信号系统无线传输方式比较

双向无线通信系统是CBTC系统的关键技术，通信传输的稳定性和可靠性直接决定了信号系统的性能。

在城市轨道交通项目中，通常有以下3种传输方式可供选择，即无线电台、漏泄同轴电缆和裂缝波导管。

2.1 无线电台

目前，采用无线电台进行车地双向通信的系统供货商有加拿大阿尔卡特公司、法国阿尔斯通公司、德国西门子公司、美国USSI公司和庞巴迪公司。上海地铁8号线、北京地铁10号线以及广州地铁4、5号线等项目均采用此方式。

根据IEEE 802.11无线局域网的标准，目前广泛采用的是基于2.4 GHz的ISM频带，无线电台方式传输的最大距离约为400 m。由于轨道交通线路多穿行于城市区域，其弯道和坡道较多，增加了无线场强覆盖的难度。为了保证无线场强覆盖的完整性、通信质量和可靠性，一般在地下线路200 m左右设置1套无线AP，在地面和高架线路300 m左右设置1套无线AP。

无线电台的体积较小，安装比较灵活，受其他因素的影响小，可以根据现场条件和无线场强覆盖需要进行设计和安装，且安装和维护容易，成本低。

无线电台在隧道内传输受弯道和坡道影响较大，同时隧道内的反射比较严重，需要考虑多径干扰等问题。无线电台在地面和高架线路安装比较容易，但无法做到一次性预先设计，容易受周围无线环境的影响和同频干扰。

无线电台的传输距离小，为保证在一个AP故障时，通信不中断的可靠性，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，进一步缩短了AP布置间距，列车在各个AP之间的漫游和切换特别频繁，大大降低了无线传输的连续性和可靠性。

2.2 裂缝波导管

目前采用裂缝波导管进行无线传输的信号系统供货商只有阿尔斯通公司，其已经在2002年开通的新加坡东北线和北京地铁2号线中得到成功应用。裂缝波导管采用的是一种长方形铝合金材料，在其表面每隔一段距离（约6 cm）刻有一条宽2 mm、长3 cm裂缝，能让无线电波从此裂缝中向外漏泄出来，因其波导管物理特性和衰减性能很好，传输距离较远，最大传输距离可达到1 600 m，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。同时，具有漏泄同轴电缆的优点，适合于狭长的地下隧道内使用，传输距离优于漏泄同轴电缆，可减少列车在各个AP之间的漫游和切换，大大提高了无线传输的连续性和可靠性。

相对于无线自由波传输方式，波导管方式由于无线电波主要在波导管中传输，从波导管中漏泄出来的信号弱，并且只局限在一个很小的范围，因此这种方式产生的无线电干扰小，受到的干扰也小。

裂缝波导管可以根据现场条件安装在隧道底部钢轨旁（适用于地下、地面、高架或混合线路）、隧道侧墙（仅适用于全地下线路）或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电）。裂缝波导管的安装位置必须与车载天线位置对应，其安装精度要求较高，对于波导管内部和表面的维护量较大，工程施工麻烦，同时需要解决好防水、热胀冷缩、防止沙尘侵入和污物覆盖等问题，后期对线路的养护有影响。

2.3 漏泄同轴电缆

目前利用漏泄同轴电缆进行无线传输的信号系统供货商有阿尔斯通公司和庞巴迪公司，庞巴迪公司CITYFLO 650已经在西班牙马德里地铁中得到成功应用。无线传输媒介采用的是基于2.4 GHz ISM频带的漏泄同轴电缆，漏缆的传输特性和衰减性能较好，传输距离较远，最大传输距离达到600 m，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强，适合于狭长的地下隧道内使用。减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高了无线传输的连续性和可靠性。

另外，漏泄同轴电缆的安装要求不高，可根据现场条件安装在隧道侧墙（仅适用于全地下线路）或隧道顶部（仅适用于全地下线路，且三轨供电），其与列车车载天线的安装位置基本对应。

漏泄同轴电缆对于地面和高架线路安装比较困难，且美观效果较差。为此，阿尔斯通公司与庞巴迪公司通过采用漏泄同轴电缆与无线电台混合组网的方式，对于地下线路部分采用漏泄同轴电缆覆盖，地面及高架线路部分采用无线电台进行覆盖，解决了漏泄同轴电缆在地面及高架区段安装的问题。同时，因漏泄同轴电缆的安装位置较高，不会影响一般轨旁维护工作，其自身安装调试完成后维护工作量很小。

2.4 综合比较

以上3种传输方式，即无线电台、裂缝波导管无线传输媒介和漏泄同轴电缆综合比较如表1所示。

表1 无线通信3种传输方式比较

通过比较可以看出，采用漏泄同轴电缆作为无线传输媒介具有较好的适用性。

3 漏缆在地铁CBTC信号系统的应用

如前所述，鉴于漏缆的特点，目前国内外已有多条地铁线路采用漏泄电缆进行无线传输，下面以天津地铁2、3号线信号系统为例进行介绍。

3.1 方案概况

天津地铁2号线线路全长22.7 km，其中地下线长21.6 km，地面线长0.8 km，敞开段0.3 km。3号线线路全长29.6 km，其中地面线0.6 km，高架线6.8 km，地下线21.7 km，敞开段0.5 km。在本工程中所有地下线路和敞开段全部采用漏缆进行无线传输，在地面及高架线路采用可视天线进行无线传输。

3.2 车地无线通信方案

车地无线通信（TWC）系统用于实现列车与轨旁控制设备之间的数据交换。TWC系统主要工作原理如图1所示。

列车控制数据由无线通信处理器通过轨旁数据网络发送至所有轨旁无线电台组件（WNRA），其通过UDP/IP协议实现。WNRA将无线信号通过漏缆发送给列车的移动电台，由列车通信处理器接收控制数据。

列车信息也相应的通过无线网络传输给轨旁区域控制设备。

漏缆的安装位置与列车接收天线的位置相对应，在天津2、3号线项目中，漏缆安装在隧道顶部线路中心正上方，距车辆限界0.5～2.0 m。漏缆配置如图2所示。

沿着每侧轨道设置漏缆，并由一对冗余的WNRA驱动，使用信号耦合分配器实现冗余WNRA的主备切换。这种配置方案确保了出现单点故障情况下，不会对信号系统的正常运行产生任何影响。

在这种配置下，每个无线区域可以在单线覆盖至520 m（典型情况下为500 m）。如果额外增加信号耦合分配器或使用较长的馈线电缆（＞10 m），则该覆盖距离将适当缩短。

为实现车地不间断通信，除在正线轨道上方敷设漏缆外，在道岔区域也要实现无线覆盖，典型的道岔区域漏缆布置如图3所示。

4 结束语

漏泄同轴电缆以其抗干扰能力强、工程造价低等优点被越来越多地应用于地铁、隧道、矿山等封闭性场所。随着CBTC信号系统的不断发展，漏缆在地铁信号领域中的应用必将更加广泛。