悬挂式单轨交通列控系统车－地通信方案研究

易立富

悬挂式单轨交通系统是一种轻型、中速、中低运量的新型交通方式，可作为大城市轨道交通的补充，尤其适用于地面交通饱和、地下工程条件受限的中小城市公共交通干线、客运枢纽接驳线、组团内短途填充线、旅游线路等特殊地区。目前，已经投入运营的悬挂式单轨交通线路主要集中在日本和德国，如图1所示。

图1 悬挂式单轨交通线路及车辆

基于悬挂式单轨的交通运营及功能需求中，其信号系统可采用类似地铁的基于通信的移动闭塞制式列控系统。

1 列控系统车－地信息传输方式的分析

悬挂式单轨交通移动闭塞制式的列控系统，要求车－地间实时、连续、可靠通信。按车－地信息传输频率区分，可将车－地信息传输方式分为电磁感应方式和无线通信方式。二种车－地通信的具体比较如表1所示。

与采用感应环线的信号系统相比，采用无线通信方式的信号系统具有以下优点：

1．可实现车－地间大容量实时双向通信，有利于实现列车运行的实时监控。

2．采用冗余的无线覆盖技术实现高性能、高可靠的车－地信息传输，任意单点设备的故障将不影响系统的正常工作。

3．车－地数据通信系统采用公开、透明的协议，可为互联互通创造条件。

随着无线通信技术的发展，基于无线通信技术的车－地通信方式，其通信的冗余性、技术标准的通用性及可维护性等方面明显优于电磁感应通信方式。因此推荐采用基于无线通信方式的传输技术构建悬挂式单轨交通列控系统的车－地信息传输网络。

表1 车－地信息传输方式比较表

2 列控系统车－地无线通信制式的分析

目前，从悬挂式单轨交通列控系统的车－地通信需求 （带宽约100kb／s、实时性要求高，单次报文有效传输时间小于500ms）来看，可供选择的主要移动通信制式包括无线局域网 （WLAN）技术和LTE技术。

2．1 WLAN技术

WLAN技术的代表是由IEEE 802．11工作组规定的无线通信系统，其技术标准主要包括802．11a、 802．11g、 802．11n。802．11a工作在5GHz频段，其理论速率高达54Mb／s，采用OFDM （正交频分复用）技术，但最高速率的无障碍接入距离仅为30～50m；802．11g也采用OFDM技术，与802．11a一样可支持最高54Mb／s的速率，工作在2．4GHz频段，可以做到与802．11b兼容，而最高速率是802．11b的5倍，最高速率的无障碍接入距离约100～300m。

2．2 LTE技术

LTE技术被看作准 “4G”技术，在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mb／s、上行50Mb／s的峰值速率；降低系统延迟，数据单向传输时延低于5ms；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1．25MHz到20MHz多种带宽；能够为高速移动用户提供大于100kb／s的接入服务。因此，LTE技术在减少传输时延、提高用户数据传输速率和系统容量、改善覆盖范围，以及降低运营成本等方面具有明显优势。

目前，采用LTE技术的轨道交通项目包括：郑州地铁1号线PIS系统的车－地无线通信系统，朔黄铁路承载机车同步操控的LTE宽带移动通信系统。北京地铁选取燕房线作为城轨交通信号系统LTE技术的应用示范线进行测试。WLAN与LTE的技术对比如表2所示。

通过上述对比分析，可以看出LTE技术与现在采用的WLAN技术相比具有明显优势。悬挂式单轨交通线路基本为地面线，采用专用频段的LTE技术，相较于采用2．4GHz开放频段的WLAN来说，其抗外部无线干扰能力将大大增强。若LTE技术通过测试完全满足城轨交通列控系统的车－地无线通信传输要求并成功应用，则优先推荐其作为悬挂式单轨交通列控系统的车－地无线通信制式。

表2 WLAN与LTE的技术对比表

3 列控系统车－地无线通信传输媒介的分析

城市轨道交通信号系统常用的车－地无线通信的传输媒介主要有漏泄波导、漏泄电缆和无线天线3种。

3．1 漏泄波导

漏泄波导是挤压成型的铝质矩形管道，沿其宽边面向车载天线开有窄缝，使载频范围内的微波沿波导均匀辐射，在距离波导上方设定的最佳传输范围内车载接收器可以接收波导漏泄辐射的信号。如图2所示。

图2 漏泄波导方式

波导管沿线贯通敷设，安装于轨道梁内侧壁。轨旁波导管与车载天线之间的距离和位置有严格要求，安装精度要求高，故安装和维护工作量大，且由于轨道梁内空间狭窄，其安装和维护的难度也大。

3．2 漏泄电缆

如图3所示，在同轴管外导体上开设一系列的槽孔或缝隙，使电缆中传输的电磁波能量从槽孔中漏泄到沿线空间，场强衰减较均匀而无起伏，易为接收设备所接收。

图3 漏泄电缆方式

漏泄电缆沿线贯通敷设，安装于轨道梁内侧壁，安装和维护工作量大，且由于轨道梁内空间狭窄，其安装和维护的难度也大。

3．3 无线天线

如图4所示，无线天线 （自由空间波）可安装在沿线支撑轨道梁的桥墩上或专用铁塔上。若选用WLAN技术，间隔约400m左右设置1套轨旁无线AP及天线；若选用LTE技术，间隔约1km左右设置1套轨旁无线设备及天线。由于轨旁无线设备及天线至少间隔几百米设置，数量较漏泄波导和漏泄电缆要少，其安装和维护工作量也大大减小。

从技术上分析，无线天线、漏泄波导、漏泄电缆3种车－地无线通信传输媒介均能满足悬挂式单轨交通车－地间列控信息的传输需求。从抗干扰方面分析，采用漏泄波导或漏泄电缆，可以较好地防止外界电磁干扰；采用无线天线，则须有可靠的防止外界电磁干扰措施。从安装维护方面分析，采用漏泄波导或漏泄电缆，需要在轨道梁内贯通敷设波导和漏缆，安装维护需要进行高空作业，人身安全隐患较大；且轨道梁内布置有供电接触轨等，空间狭窄，安装维护困难，工作强度大。采用无线天线，轨旁无线天线设备可安装于支撑悬挂式单轨轨道梁的桥柱上，安装维护相对容易方便。从工程造价方面分析，采用漏泄波导或漏泄电缆需全线贯通敷设，设备多且工程量大，其工程造价相对高；采用无线天线，设备数量少，安装维护工作量小，造价相对较低。

图4 无线天线方式

4 结论

悬挂式单轨交通信号采用基于通信的移动闭塞制式列控系统，从满足其运营及功能需求来看，经综合性价比分析，推荐采用基于LTE制式的无线通信传输技术构建列控系统的车－地信息传输网络，并采用无线天线作为轨旁无线网络的传输媒介来实现车－地间信息实时、连续、可靠地传输。

［1］ IEEE Std 1474．1－2004：IEEE Standard for Communications－Based Train Control（CBTC）Performance and Functional Requirements．2004．