漏泄電纜在地鐵CBTC信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

王金貴

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300030）

1 概述

信號(hào)系統(tǒng)是現(xiàn)代大運(yùn)量、高密度的軌道交通自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)列車高速、有序運(yùn)行、保證列車和乘客的安全起到重要作用。

隨著技術(shù)進(jìn)步，特別是無(wú)線技術(shù)飛速發(fā)展，人們開(kāi)始研究以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）。它的特點(diǎn)是用無(wú)線通信媒體來(lái)實(shí)現(xiàn)列車和地面的雙向通信，用以代替軌道電路作為媒體來(lái)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制。

CBTC的突出優(yōu)點(diǎn)是車地雙向通信，而且傳輸信息量大，傳輸速度快，使信號(hào)系統(tǒng)能夠突破傳統(tǒng)的固定閉塞運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)為移動(dòng)閉塞模式，同時(shí)可減少區(qū)間敷設(shè)電纜和日常維護(hù)工作，具有適度提高區(qū)間通過(guò)能力，靈活組織雙向運(yùn)行和單向連續(xù)發(fā)車，容易適應(yīng)不同車速、運(yùn)量和不同類型牽引的列車運(yùn)行控制等優(yōu)點(diǎn)。

2 信號(hào)系統(tǒng)無(wú)線傳輸方式比較

雙向無(wú)線通信系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通信傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性直接決定了信號(hào)系統(tǒng)的性能。

在城市軌道交通項(xiàng)目中，通常有以下3種傳輸方式可供選擇，即無(wú)線電臺(tái)、漏泄同軸電纜和裂縫波導(dǎo)管。

2.1 無(wú)線電臺(tái)

目前，采用無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行車地雙向通信的系統(tǒng)供貨商有加拿大阿爾卡特公司、法國(guó)阿爾斯通公司、德國(guó)西門子公司、美國(guó)USSI公司和龐巴迪公司。上海地鐵8號(hào)線、北京地鐵10號(hào)線以及廣州地鐵4、5號(hào)線等項(xiàng)目均采用此方式。

根據(jù)IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛采用的是基于2.4 GHz的ISM頻帶，無(wú)線電臺(tái)方式傳輸?shù)淖畲缶嚯x約為400 m。由于軌道交通線路多穿行于城市區(qū)域，其彎道和坡道較多，增加了無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的難度。為了保證無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的完整性、通信質(zhì)量和可靠性，一般在地下線路200 m左右設(shè)置1套無(wú)線AP，在地面和高架線路300 m左右設(shè)置1套無(wú)線AP。

無(wú)線電臺(tái)的體積較小，安裝比較靈活，受其他因素的影響小，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝，且安裝和維護(hù)容易，成本低。

無(wú)線電臺(tái)在隧道內(nèi)傳輸受彎道和坡道影響較大，同時(shí)隧道內(nèi)的反射比較嚴(yán)重，需要考慮多徑干擾等問(wèn)題。無(wú)線電臺(tái)在地面和高架線路安裝比較容易，但無(wú)法做到一次性預(yù)先設(shè)計(jì)，容易受周圍無(wú)線環(huán)境的影響和同頻干擾。

無(wú)線電臺(tái)的傳輸距離小，為保證在一個(gè)AP故障時(shí)，通信不中斷的可靠性，往往需要在同一個(gè)地點(diǎn)設(shè)置雙網(wǎng)覆蓋，進(jìn)一步縮短了AP布置間距，列車在各個(gè)AP之間的漫游和切換特別頻繁，大大降低了無(wú)線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

2.2 裂縫波導(dǎo)管

目前采用裂縫波導(dǎo)管進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)系統(tǒng)供貨商只有阿爾斯通公司，其已經(jīng)在2002年開(kāi)通的新加坡東北線和北京地鐵2號(hào)線中得到成功應(yīng)用。裂縫波導(dǎo)管采用的是一種長(zhǎng)方形鋁合金材料，在其表面每隔一段距離（約6 cm）刻有一條寬2 mm、長(zhǎng)3 cm裂縫，能讓無(wú)線電波從此裂縫中向外漏泄出來(lái)，因其波導(dǎo)管物理特性和衰減性能很好，傳輸距離較遠(yuǎn)，最大傳輸距離可達(dá)到1 600 m，且沿線無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均勻，呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強(qiáng)。同時(shí)，具有漏泄同軸電纜的優(yōu)點(diǎn)，適合于狹長(zhǎng)的地下隧道內(nèi)使用，傳輸距離優(yōu)于漏泄同軸電纜，可減少列車在各個(gè)AP之間的漫游和切換，大大提高了無(wú)線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

相對(duì)于無(wú)線自由波傳輸方式，波導(dǎo)管方式由于無(wú)線電波主要在波導(dǎo)管中傳輸，從波導(dǎo)管中漏泄出來(lái)的信號(hào)弱，并且只局限在一個(gè)很小的范圍，因此這種方式產(chǎn)生的無(wú)線電干擾小，受到的干擾也小。

裂縫波導(dǎo)管可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件安裝在隧道底部鋼軌旁（適用于地下、地面、高架或混合線路）、隧道側(cè)墻（僅適用于全地下線路）或隧道頂部（僅適用于全地下線路，且三軌供電）。裂縫波導(dǎo)管的安裝位置必須與車載天線位置對(duì)應(yīng)，其安裝精度要求較高，對(duì)于波導(dǎo)管內(nèi)部和表面的維護(hù)量較大，工程施工麻煩，同時(shí)需要解決好防水、熱脹冷縮、防止沙塵侵入和污物覆蓋等問(wèn)題，后期對(duì)線路的養(yǎng)護(hù)有影響。

2.3 漏泄同軸電纜

目前利用漏泄同軸電纜進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)系統(tǒng)供貨商有阿爾斯通公司和龐巴迪公司，龐巴迪公司CITYFLO 650已經(jīng)在西班牙馬德里地鐵中得到成功應(yīng)用。無(wú)線傳輸媒介采用的是基于2.4 GHz ISM頻帶的漏泄同軸電纜，漏纜的傳輸特性和衰減性能較好，傳輸距離較遠(yuǎn)，最大傳輸距離達(dá)到600 m，且沿線無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋均勻，呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強(qiáng)，適合于狹長(zhǎng)的地下隧道內(nèi)使用。減少列車在各個(gè)AP之間的漫游和切換，提高了無(wú)線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

另外，漏泄同軸電纜的安裝要求不高，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件安裝在隧道側(cè)墻（僅適用于全地下線路）或隧道頂部（僅適用于全地下線路，且三軌供電），其與列車車載天線的安裝位置基本對(duì)應(yīng)。

漏泄同軸電纜對(duì)于地面和高架線路安裝比較困難，且美觀效果較差。為此，阿爾斯通公司與龐巴迪公司通過(guò)采用漏泄同軸電纜與無(wú)線電臺(tái)混合組網(wǎng)的方式，對(duì)于地下線路部分采用漏泄同軸電纜覆蓋，地面及高架線路部分采用無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行覆蓋，解決了漏泄同軸電纜在地面及高架區(qū)段安裝的問(wèn)題。同時(shí)，因漏泄同軸電纜的安裝位置較高，不會(huì)影響一般軌旁維護(hù)工作，其自身安裝調(diào)試完成后維護(hù)工作量很小。

2.4 綜合比較

以上3種傳輸方式，即無(wú)線電臺(tái)、裂縫波導(dǎo)管無(wú)線傳輸媒介和漏泄同軸電纜綜合比較如表1所示。

表1 無(wú)線通信3種傳輸方式比較

通過(guò)比較可以看出，采用漏泄同軸電纜作為無(wú)線傳輸媒介具有較好的適用性。

3 漏纜在地鐵CBTC信號(hào)系統(tǒng)的應(yīng)用

如前所述，鑒于漏纜的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外已有多條地鐵線路采用漏泄電纜進(jìn)行無(wú)線傳輸，下面以天津地鐵2、3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

3.1 方案概況

天津地鐵2號(hào)線線路全長(zhǎng)22.7 km，其中地下線長(zhǎng)21.6 km，地面線長(zhǎng)0.8 km，敞開(kāi)段0.3 km。3號(hào)線線路全長(zhǎng)29.6 km，其中地面線0.6 km，高架線6.8 km，地下線21.7 km，敞開(kāi)段0.5 km。在本工程中所有地下線路和敞開(kāi)段全部采用漏纜進(jìn)行無(wú)線傳輸，在地面及高架線路采用可視天線進(jìn)行無(wú)線傳輸。

3.2 車地?zé)o線通信方案

車地?zé)o線通信（TWC）系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)列車與軌旁控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。TWC系統(tǒng)主要工作原理如圖1所示。

列車控制數(shù)據(jù)由無(wú)線通信處理器通過(guò)軌旁數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至所有軌旁無(wú)線電臺(tái)組件（WNRA），其通過(guò)UDP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。WNRA將無(wú)線信號(hào)通過(guò)漏纜發(fā)送給列車的移動(dòng)電臺(tái)，由列車通信處理器接收控制數(shù)據(jù)。

列車信息也相應(yīng)的通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給軌旁區(qū)域控制設(shè)備。

漏纜的安裝位置與列車接收天線的位置相對(duì)應(yīng)，在天津2、3號(hào)線項(xiàng)目中，漏纜安裝在隧道頂部線路中心正上方，距車輛限界0.5～2.0 m。漏纜配置如圖2所示。

沿著每側(cè)軌道設(shè)置漏纜，并由一對(duì)冗余的WNRA驅(qū)動(dòng)，使用信號(hào)耦合分配器實(shí)現(xiàn)冗余WNRA的主備切換。這種配置方案確保了出現(xiàn)單點(diǎn)故障情況下，不會(huì)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

在這種配置下，每個(gè)無(wú)線區(qū)域可以在單線覆蓋至520 m（典型情況下為500 m）。如果額外增加信號(hào)耦合分配器或使用較長(zhǎng)的饋線電纜（＞10 m），則該覆蓋距離將適當(dāng)縮短。

為實(shí)現(xiàn)車地不間斷通信，除在正線軌道上方敷設(shè)漏纜外，在道岔區(qū)域也要實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋，典型的道岔區(qū)域漏纜布置如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

漏泄同軸電纜以其抗干擾能力強(qiáng)、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多地應(yīng)用于地鐵、隧道、礦山等封閉性場(chǎng)所。隨著CBTC信號(hào)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，漏纜在地鐵信號(hào)領(lǐng)域中的應(yīng)用必將更加廣泛。