长春轻轨无线通信系统改造方案分析

程 鑫，曲 直

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037)

轨道交通专用无线通信系统是为了保证城市轨道交通安全、高效运营而建设的安全、可靠、有效的通信系统，它为运营的固定用户和移动用户之间的语音和数据信息交换提供可靠的通信手段，对行车安全、提高运输效率和管理水平、改善服务质量提供了重要保证；同时，在运营出现异常情况和调度电话出现故障时，可以迅速提供防灾救援和事故处理指挥所需要的通信手段。

1 无线通信系统现状分析

1.1 长春轻轨工程概况

长春轻轨分三期实施，包括两条线路，线路的结构和布设情况如下：一、二期工程全长31.14 km，共设车站33 座，其中地下站一座，地面、高架和半地下站32 座。设有车辆段和停车场各1 座。三期工程全长15.95 km，共设车站16 座，其中地下站3座，高架站13 座，车辆段1 座。

轻轨三期与轻轨一、二期合用朝阳桥控制中心。

1.2 原专用无线通信系统方案

轻轨一、二期工程由于当时投资有限，且线路均为地面线或高架线路，专用无线通信系统采用租用铁通GoTa 800 MHz 数字集群系统。铁通GoTa 800 MHz 数字集群网于2005 年初投入商用，已经建成了覆盖整个长春市的GoTa 数字集群网络。

轻轨三期工程在初步设计阶段，按照节约项目建设成本的建设原则，专用无线通信系统也推荐采用租赁铁通建设的GoTa 800 MHz 数字集群系统来实现无线系统功能需求。

1.3 存在的问题及改造必要性

1.3.1 设备维修维护

GoTa 系统仅在国内部分城市布置集群共网系统，为长春轻轨工程提供无线车载电台等设备均为定制开发，至轻轨三期建设之前，国内绝大多数城市的城市轨道交通专用无线通信系统基本上均采用TETRA 制式。由于GoTa 系统在城市轨道交通领域迟迟无法大面积使用，系统终端设备已无厂家生产，导致轻轨一、二期工程设备损坏后无法更换和维修，这已经严重影响长春轻轨的正常运营调度与指挥，急需对无线系统进行升级与改造。

1.3.2 系统互联互通

在轻轨三期开通前，长春在建的地铁1、2 号线，无线调度方案均推荐在国内轨道交通有成熟应用经验的TETRA 系统。目前不同TETRA 系统厂商的设备在调度业务的互联互通上仍存在一些问题，需要在建设阶段进行互联互通的强制性要求才能满足上述线网互联互通需求。TETRA 系统与GoTa 系统由于制式不同，更无法实现互联互通。考虑到长春整个轨道交通线网无线制式的统一性及互联互通，在轻轨三期工程实施阶段对轻轨一、二期专用无线通信进行改造是必要的。

2 改造原则及改造方案

2.1 改造原则

1) 改造后的无线通信系统应立足于线网，系统不仅应满足轻轨工程的运营和管理要求，而且还应能方便地与在建的城市轨道交通工程通信系统互联，同时还应为今后其他线路的接入预留必要的条件。

2) 采用技术先进、接口标准的设备，关键部件冗余配置，能连续不间断地运行。

3) 系统改造应基于不影响既有线运营为原则。

2.2 改造方案

2.2.1 系统网络架构

轻轨一、二、三期工程专用无线通信系统采用全IP 架构的摩托罗拉TETRA 系统。系统的内部数据处理与交换为IP 方式。由于采用IP 核心，使系统具备更平滑的扩容能力，通过不断扩容可以实现多条城市轨道交通线路共享整个系统，如图1 所示。

本系统由1 套TETRA 交换控制中心（MSO）、9个调度台、1 个TETRA 网络管理终端、15 个双载频基站，12 套光纤直放站近端机、37 套光纤直放站远端机以及6 个TETRA 固定电台、100 个TETRA 便携电台、160 个TETRA 车载电台所构成。系统架构如图1 所示，调度系统网络如图2 所示。

2.2.2 场强覆盖方案

在设计本工程无线场强覆盖时，充分考虑系统因素与环境因素，设计满足实际需求的射频覆盖方案。

2.2.2.1 覆盖区域及覆盖方式

1) 覆盖区域

无线通信系统场强应覆盖全部范围，包括以下区域：

双正线区间以及段/场出入线；

段/场内的整个区域（地面）；

各车站的整个区域。

2) 覆盖方式

a.区间场强覆盖

专用无线通信系统在隧道、高架、地面区间使用漏缆进行覆盖。地上区间采用单侧漏缆覆盖，地下区间每条隧道敷设1 条漏缆。一、二期工程漏缆悬挂于接触网立柱上，其中一期漏缆挂高2 800 mm、二期工程漏缆挂高1 500 mm；三期工程高架区间漏缆悬挂于声屏障上，挂高1 450 mm，地下区间漏缆敷设在弱电侧上部，挂高3 600 mm。一、二期工程部分区间有与市政道路相交的平交路口，不具备安装漏缆的条件，均采用定向天线进行相关区段的覆盖，定向天线安装于车站端头或平交路口处的接触网立柱上。

b.站台场强覆盖

地下车站站台借助隧道漏缆覆盖。

c.站厅场强覆盖

站厅采用无源小天线进行覆盖，天线为收发共用。

图1 长春轻轨无线通信系统架构网图Fig.1 Architecture network diagram of radio communication system of Changchun light rail

图2 调度系统组网图Fig.2 Networking diagram of dispatching system

d.段/场内场强覆盖

段/场各设置专用无线通信系统天线3 套（2 接收、1 收发共用），采用全向天线用于车辆段/停车场内的场强覆盖。

2.2.2.2 接触网立柱悬挂漏缆方案

轻轨一、二期需借助接触网立柱悬挂漏缆，为保证接触网立柱的安全，进行漏缆荷载计算及安装方案设计。

1) 荷载的计算

a.沿线路方向的弯矩M

其中：F：驰度；g：负载；l：跨距；T：横向拉力。

F 取 决 于 温 度。当 温 度t1=35 ℃,规 定F 为0.45 m。

g 为漏缆和钢绞线的负载，漏缆、钢绞线指 标如下：漏缆：1 100 kg/km；7×2.2 钢绞线：221.27 kg/km。经计算，g=0.012 948 kN。

l 轻轨一期取最大值45 m。

综上，在温度t1=35℃时，横向拉力T=7.28 kN。

任意温度、负载条件下的驰度：

温度t 影响漏缆和钢绞线的驰度，当驰度越小时，横向拉力T 越大。

t：温度;q：负载；T：横向拉力；α：接触线的线胀系数（1/℃）；E：接触线的弹性模量（GPa）；S：接触线的横截面积（mm2）；l：跨距。

根据长春的气候情况，t1取35℃，tx取-35℃。

负载q，q1、qx近似相同，即q1=qx=0.012 948 kN。

横向拉力T1为温度t1=35℃时的值， T1=7.28 kN。

线胀系数α，取钢材的α，α=1.1×10-5。

弹性模量E，取钢材的E，E=1.95×105Mpa。

横截面积S，钢绞线的S，S=6.6 mm2。

l 轻轨一期取最大值45 m。

综上，可以计算出在温度tx=-35℃时，横向拉力Tx=8.17 kN。

弯矩M：M=T·H

其中：T：横向拉力，H：挂高。

T 取最大值，即温度tx=-35℃时，T=8.17 kN。

H 轻轨一期规定为2.8。

综上，轻轨一期沿线路方向弯矩M=22.88 kNm。

b.垂直线路方向的弯矩M

α：风速不均匀系数，根据长春的气候情况，取当风速为31 ～35 m/s 时，α=0.75。

k：风载体型系数，当d ＜17 mm 时，k=1.20；d ≥17 mm 时，k=1.10。

d：线索的直径（mm），钢绞线直径6.6 mm，漏缆直径48 mm。

l：悬挂跨距，轻轨一期取最大值45 m。

v：设计计算风速（m/s），取最大值35 m/s。

θ：风向与线路方向的夹角，θ=90°。

综上，钢绞线加漏缆的风偏P=1.549 kN。

其中：T：横向拉力，取最大值T=8.17 kN。

L：跨距，轻轨一期取最大值45 m。

曲线半径R，取300 m。

综上，F=1.23 kN。

弯矩M：M=P·H+F·H。

H 轻轨一期规定为2.8 m。

综上，轻轨一期垂直线路方向弯矩M=7.769 kNm。

c.计算结果

经以上计算，轻轨一期沿线路方向弯矩为22.88 kNm；垂直线路方向弯矩为7.769 kNm。

轻轨二期挂高H=1.5 m，跨距L 取45 m，曲线半径R 取300 m，根据以上公式，计算可得沿线路方向弯矩为12.255 kNm；垂直线路方向弯矩为4.169 kNm。

2) 漏缆安装方案

采用钢绞线吊挂漏缆，将7×2.2 钢绞线抱箍固定于接触网立柱上，通过吊挂件将漏缆吊挂于钢绞线上。为平衡沿线路方向的拉力，需在终端杆处制作地锚。接触网专业设计单位经过相关验证后，同意按此方案在接触网立柱上悬挂漏缆。漏缆及地锚安装方式如图3 所示。

2.2.2.3 覆盖指标

图3 漏缆及地锚安装示意图Fig.3 Installation diagram of leakage cable and anchor

1) 服务等级：呼损率（GoS）≤2%；

2) 话音质量：在无线网内通话音频带内信噪比≥20 dB；进入市话网的通话音频带内信噪比≥29 dB；

3) 干扰保护比：同频≥19 dB，邻频≥ 45 dB；

4) 无线覆盖边缘场强：下行（从基站至车载台）： 每载波不低于-85 dBm（在便携台天线输入端）；上行（从车载台至基站）：每载波不低于-88 dBm（在基站输入端）。

2.2.2.4 链路覆盖预算

由于典型地下区间、车站站厅站台、车辆段/停车场等区域的覆盖均属采用轨道交通常规覆盖方式，经计算均有足够的场强余量。由于地面及高架区间采用单侧漏缆覆盖，属于非典型覆盖方式，在工程中选取区间最长的区段计算：湖光路站～硅谷大街站（1 585 m），其场强链路预算如表1、2 所示。

由于漏缆指标中的耦合损耗为距离漏缆2 m处，而本工程为单侧覆盖，漏缆敷设在轨行区外侧，列车距离漏缆约为4 m，通过在试验段现场测试，外侧车载台的上下行场强均满足最低接收电平要求，且有部分余量。

表1 区间下行链路场强余量计算Tab.1 Field strength margin calculation for section downlink

3 新旧系统割接方案

在实施过程中，新的专用无线通信系统安装、调试及试运行、系统初验完成之前，始终保持旧的无线系统正常使用。新旧系统割接工作（含安装、调试等），始终在非运营时段实施（除非必须在运营时段实施），新系统经试运行并通过预验收、能够实现所有新系统功能，并满足轻轨一、二、三期正式运营要求，逐步拆除旧系统及临时性的接口设备。

表2 区间上行链路场强余量计算Tab.2 Field strength margin calculation for section uplink

4 结语

改造后的长春轻轨专用无线通信系统提供满足轻轨运营需求的丰富的调度功能及辅助业务功能。同时，由于采用国内轨道交通主流技术制式组网，解决了设备维修维护存在的问题及与线网其他线路互联互通的问题，满足长春市轨道交通未来发展需要。