单轨交通CBTC信号系统国产无线子系统

2011-05-08蒋先进

铁路通信信号工程技术 2011年1期

赵鑫蒋先进

（中国中铁电气化局集团，北京 100036）

1 概述

重庆市轨道交通三号线规划的线路走向是从鱼洞至环城北路（空港开发区），长约60 km。按轨道交通路网规划及建设计划，三号线还将与路网中的一号线、二号线、环线、六号线相交换乘，并与市内长途汽车站、公交枢纽、铁路客站以及江北机场组成大型综合换乘枢纽，对建立综合交通体系发挥重要作用。

三号线配置的运营设备有牵引供电、电力照明、给水排水、气体消防、环控通风、通信、信号、防灾报警与车站设备监控（FAS/BAS）、自动售检票（AFC）、电力监控（SCADA）等系统和设备。

重庆市单轨交通三号线采用的移动闭塞CBTC信号系统，能够在系统可靠性、安全性、可用性、可维护性、运行间隔、精确定点停车和可扩展性等方面达到所要求的性能。

本文结合重庆市单轨交通三号线的工程实际，重点介绍CBTC信号系统国产无线子系统的特点、构成及功能，与其他线路信号系统原理相同的ATS和CI子系统等不再复述。

2 无线子系统的特点

（1）无线网络符合IEEE 802.11g标准，在物理层采用2.4 GHz的ISM频段。该无线网络完全与IEEE 802.3有线网络兼容。

（2）为了保证列车的运行，无线场强重叠覆盖，保证信息传输的不间断。

（3）在布置AP时，充分考虑无线系统的可靠性，每个AP的覆盖范围应有重叠区，在个别AP和其他设备出现故障时，系统应能正常工作。每个AP的输出功率应尽量小，满足国家规范要求。

（4）无线局域网的空中接口、频点范围和加密措施满足国家有关标准和规定。

（5）无线局域网在线路区间的设备安装满足隧道限界、天气、振动和维护等方面的要求，其设备本身达到IP67的标准，以适应地铁的环境条件。

（6）无线系统在方案的设计过程中重点考虑设备、组网线路等方面的抗干扰能力和措施；在车上和地面采用的无线设备全部通过电磁兼容（EMC）测试。

（7）所有的无线轨旁和车载设备，均满足在储存和运行期间的特定环境条件下的各种性能和功能要求。

3 无线子系统功能

重庆地铁三号线单轨CBTC无线系统主要作用是在各个子系统之间传输ATC报文，而这些子系统大部分是移动的。无线系统对于报文传送是完全透明的。虽然DCS系统所传输的是安全型的列车控制信息，但其本身并不是一个安全型系统，只是一个可靠的数据传输系统而已。DCS系统的主要功能如下。

（1）无线系统实现地面中心设备、车站设备、轨旁设备与车载设备之间的连接和信息传输。

（2）信息传输的相对独立性和透明性：无线系统在CBTC系统的控制中，只是作为控制系统的传输通道，在物理和通信协议上保持相对的独立性和透明性。

（3）无线系统允许区域（通常由一个AP或几个相连的AP确定）内有多列车。该网络还可以通过标准网络层（IP）功能，支持对一列车、一组列车或所有列车有选择地进行通信。

（4）移动性功能：由于城市轨道交通的列车控制是属于中速的控制系统，一般在120 km/h以下。无线网络在120 km/h的速度下，保证地-车信息传输达到1 Mb/s以上的多用户双向数据通信吞吐量。

（5）网络的安全性（侵入安全）：作为控制系统的传输，必须保证地-车信息传输网络不受外界网络的干扰，其他非信号系统的用户无法或非常困难进入该传输系统，要求有非常好的加密性能，否则，将造成CBTC系统信息传输瘫痪而导致列车紧急停车，但是没有列车运行的安全问题，CBTC系统的安全由信号系统本身的安全策略保证。

（6）无线网络系统应具有自诊断和系统自愈处理能力。

4 无线子系统构成

重庆轨道交通3号线单轨CBTC系统的无线网络结构如图1所示，整个系统为双网结构，在5个设备集中站（二塘站、四公里站、两路口站、郑家院子站和龙头寺站），每个设备集中站安装两个AP主单元和两台网络交换机。地面的每个点有两台AP。整个系统的主要组成如下。

（1）AP主单元（APM）

AP主单元位于每个设备集中站。AP主单元用于将SM的信息传输到轨旁的AP。相邻的两个AP分别与不同的AP主单元连接。这就为系统提供了一系列冗余的本地无线网络。

因为无线发送数据的周期是320 ms，而逻辑部的处理周期是500 ms，二者不同步。因此，AP主单元需要把AP送来的数据进行缓存和打包处理，然后再送到SM。同时从逻辑部送来的数据也在AP主单元进行缓存，按照无线的发送周期进行发送。

每列车的上行数据送到AP主单元后，由AP主单元进行打包处理，以16个编组为单位打成包，加上NX报头后发送到SM。

（2）网络交换机

采用48口的三层以太网交换机，提供48条100 Mb/s本地以太网连接，用于将安全模块(SM)的信息传输到轨旁的AP。通过优化网络交换机以及沿线的AP，可以提供最可靠的组合。

（3）AP

轨旁需要设置一系列AP，根据地形的不同，AP的间隔约为200～300 m。轨旁的AP通过无线方式完成车-地之间的通信，用于车-地的双向信息传输。AP工作在2.4 GHz的ISM频段，采用IEEE 802.11g标准。AP安装在隧道的墙壁上或轨旁地面，通过防雷击装置，经由同轴电缆连接到天线，使用电源转换器进行供电。AP通过以太网10/100 Base FX光纤连接至距离最近的AP主单元上。

（4）网管系统

杰乐贝干酒庄成立于1828年，坐落于法国波尔多圣爱美隆葡萄园的中心地带，有近200年酿造历史，拥有28000平方米生产面积、20000平方米仓储面积、4条灌装线。酒庄拥有专业的酿酒团队，对葡萄进行精心挑选，根据市场的需求使用创新工艺酿造精品酒款。一直以来，杰乐贝干都是圣爱美隆的酿酒先驱，2006年，酒庄被ADVINI集团收购，倡导使用可持续发展的生产理念，并且获得众多国际组织严格的可持续发展认证。

整个无线系统由设在车辆段的网管服务器进行统一网络管理的监视。网管工作站设置在车辆段内的维修中心，全线用于连接室外AP点的交换机进行连接至车辆段维修中心。网管服务器可以同时管理两个无线网络的设备。通过网管服务器，可以对无线设备进行配置、软件升级，也可以监视无线设备的工作状态是否正常。

（5）车载无线设备

在列车的车头和车尾各安装一套无线系统，从地面系统接收列车控制信息，并将信息传输给驾驶室内的主处理单元（两套主处理单元安装在一侧）。另外，还从主处理单元接收列车位置信息，通过天线传输给地面系统。

车头和车尾的无线系统结构完全相同。一台AP接两个定向天线，这两个定向天线为空间分集的作用，要求两个天线之间的距离在0.5 m以上。为了防止雷击坏设备，天线和AP之间需要有避雷器。因为AP的接口为以太网接口，而车载SM的接口为RS-422接口，因此，需要一个接口转换设备完成以太网和RS-422接口之间的转换。

5 工作原理

重庆单轨三号线CBTC系统中，采用作为下一代移动通信方式主流的OFDM调制方式进行调制，通过对各子载波进行窄带宽化处理以提高抗脉冲噪音能力、以及抗多径衰落能力。

OFDM技术是多载波传输技术的一种，它的特点是把窄带信号分割成频率较低的多个正交的子载波在信道上并行传送。由于它的正交性，OFDM信号可经由多个子载波信号重叠并行传送而不互相干扰。OFDM比非正交的多载波频分复用技术的带宽利用效率高得多。OFDM的正交多载波信号传送方式，使它一方面具有一定的抗多径干扰能力，同时又能保持高的频率效率。每个子载波的频点必须和相邻载波的零点重叠才能维持正交的关系。这重叠的带宽正是OFDM添加的频谱效率的来源之一。