CBTC信号系统车地无线通信方式分析

CBTC信号系统车地无线通信方式分析
作者：马刚李齐超
来源：《城市建设理论研究》2013年第34期
摘要车地无线通信是地铁信号系统中车载设备与轨旁设备实现信息交换的一种重要方式。

本文介绍了地铁CBCT信号系统常用的三种车地无线通信方式，对它们的特点进行了分析比较，并提出了在工程应用中的建议。

关键词地铁信号系统车地无线通信
中图分类号：{TN913.22} 文献标识码： A
1 简介
我国地铁建设虽然起步较晚，但近些年进入了飞速发展时期。

地铁信号系统是实现行车指挥、列车控制和安全间隔控制技术的总称，它直接关系到地铁的行车安全、运营效率和服务质量[1]。

信号系统应具有高可靠性和高可用性[2]。

当前，国内地铁新建线路普遍采用基于通信的列车自动控制CBTC系统（Communication Based Train Control）。

该系统区别于基于轨道电路的列车控制系统，而利用通信技术实现车地信息交换并实时传递列车定位信息，依靠车载信号设备、轨旁通信设备来实现列车、车站及控制中心之间的信息交换。

系统通过建立车地设备之间双向、连续、高速的通信，使列控信息和列车状态信息可以在车辆和轨旁设备之间进行实时可靠的传输，由此来确定列车的准确位置及前后列车间的相对距离，能够进一步缩小列车追踪间隔，提高运营效率。

移动闭塞ATC系统就车地双向信息交换方式而言，可分为基于交叉感应环线技术的移动闭塞系统和基于无线通信技术的移动闭塞系统。

其中基于无线通信技术的移动闭塞系统是当前信号系统供货商研究的重点，为了满足车地双向通信的需要，必须在线路沿线进行无线场强的覆盖，通常有以下三种传输方式可供选择，即无线电台、裂缝波导管和漏泄同轴电缆。

2 无线传输方式比较
下面通过对上述三种无线传输方式进行分析，来比较各自的优缺点和工程适用范围。

2.1无线电台
根据IEEE 802.11无线局域网的标准，目前广泛采用的是基于2.4GHz的ISM频带，无线电台方式传输的最大距离约为700米，由于地铁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，为了保证场强覆盖的完整性，保证通信的质量和可靠性，一般在地下线路300米左右设置一套接入点（AP）天线，在地面和高架线路250米左右设置一套。

同时，为了提高通信的可靠性，往往需要在同一个地点设置双网覆盖，万一某一个点故障，也不至于影响车地通信。

无线电台方式具有体积小、安装灵活、对车载通信设备安装位置限制
少、便于安装及维护等优点。

但由于该方式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，而在地面和高架线路安装比较容易，但线路周围不能有高大密集的建筑物，否则产生的反射和衍射会导致传输质量的下降及通信速率的降低，故适用范围受到一定限制。

基于无线电台通信方式CBTC系统，已经在北京地铁10号线、上海地铁8号线、广州地铁4、5号线成功应用[3]。

图1 基于无线电台的传输方式
2.2裂缝波导管
裂缝波导管首次在地铁信号系统中应用是2002年开通的新加坡东北线，国内最早采用波导管作为传输媒介的是北京地铁2号线。

近几年，北京地铁机场线、深圳地铁2、5号线，武汉地铁2号线，昆明地铁首期工程均采用了阿尔斯通公司的无线裂缝波导管专利传输技术，确保车载信号ATP/ATO设备和地面轨旁ATP/ATO设备之间双向、连续、大容量的信息传输。

裂缝波导管作为微波传输的一种媒介，其本质上是一种连续的加长型天线[4]。

它采用的是一种长方形的铝合金材料，在其表面每隔一段距离开有一条2mm宽3cm长的裂缝，通过该裂缝，波导管内传输的电磁波可以辐射到外部空间，与此同时，外部空间的电磁波也可以耦合到波导管内。

当列车通过时，车载天线与波导管之间通过电磁感应耦合可以实现信息的实时传递，以构成列车和地面轨旁设备的闭环通信数据系统。

波导管区段由多根波导管和两端的终端部件组成，一个波导管区段仅1个固定支架，当温度升高时，波导管可以从固定支架处膨胀。

为使波导管易于膨胀，每个区段需安装数量不等的滑动支架。

由于波导管物理特性和衰减特性很好，使得无线电波传输距离较远，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性，抗干扰能力较强，但该方式的缺点是造价较高，安装维护工作量大。

图2 基于裂缝波导管的传输方式
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CITYFLO650已经在西班牙马德里地铁中得到成功应用。

漏泄同轴电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600m，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，能够减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高无线传输的连续性和可靠性，适合于狭长的地下隧道内使用。

另外，漏泄同轴电缆对安装的要求不高，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（仅适用于全线地下线路，且三轨供电），其与列车车载天线的安装位置基本对应[5]。

同时，因漏泄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。

表1从传输距离、安装精度及场强覆盖等方面对上述三种传输方式的特性进行了比较。

图3 基于漏泄同轴电缆的传输方式
表1 车地通信传输方式特性比较
3 关于车地通信方式的建议
对于同站台换乘车站，两条线路的车地无线通信易相互干扰。

为降低同站台频率干扰，不同线路可采用不同的车地通信方式，如本线采用无线电台方式，则相邻线路采用裂缝波导管或漏缆方式，也可以考虑两线均采用除无线电台以外的其它传输方式。

因漏缆和裂缝波导管在无线场强覆盖上具有很好的均匀性，且对外泄漏量不大，对邻线的干扰较小，所以采用以上两种方式可有效解决同站台换乘车站的频率干扰问题。

另外，国内大多数地铁信号系统车地通信都是信号专业单独设置传输通道，且使用的是不必授权的ISM频段中2.4GHz波段，因此如何保证无线通信传输的安全是需要解决的难点。

目前，华为公司联合信号系统供货商正在进行基于TD-LTE的车地宽带解决方案的课题研究，CBTC车地通信和商用通信共漏缆传输也是其中的子课题之一，该方案将在郑州市轨道交通1号线一期工程中进行试验测试。

这将是地铁车地无线通信传输新方式探索中的一次积极尝试，对国内外地铁信号系统的建设也具有重要的借鉴意义。

参考文献
[1] 刘伯鸿，李国宁．城市轨道交通信号[M]．成都：西南交通大学出版社，2011．
[2] GB 50157―2003地铁设计规范[S]．北京：中国计划出版社,2003．
[3] 郑州市轨道交通有限公司.郑州市轨道交通1号线一期工程招标文件[G]．郑州，2003．
[4] 张超．地铁CBTC漏泄波导管布置与配管算法[J]．铁道技术监督． 2011，39(4)．
[5] 王金贵．漏泄电缆在地铁CBTC信号系统中的应用[J]．铁路通信信号工程技术，2010，7(5)．。