單軌交通CBTC信號系統國產無線子系統

趙 鑫 蔣先進

（中國中鐵電氣化局集團，北京 100036）

1 概述

重慶市軌道交通三號線規劃的線路走向是從魚洞至環城北路（空港開發區），長約60 km。按軌道交通路網規劃及建設計劃，三號線還將與路網中的一號線、二號線、環線、六號線相交換乘，并與市內長途汽車站、公交樞紐、鐵路客站以及江北機場組成大型綜合換乘樞紐，對建立綜合交通體系發揮重要作用。

三號線配置的運營設備有牽引供電、電力照明、給水排水、氣體消防、環控通風、通信、信號、防災報警與車站設備監控（FAS/BAS）、自動售檢票（AFC）、電力監控（SCADA）等系統和設備。

重慶市單軌交通三號線采用的移動閉塞CBTC信號系統，能夠在系統可靠性、安全性、可用性、可維護性、運行間隔、精確定點停車和可擴展性等方面達到所要求的性能。

本文結合重慶市單軌交通三號線的工程實際，重點介紹CBTC信號系統國產無線子系統的特點、構成及功能，與其他線路信號系統原理相同的ATS和CI子系統等不再復述。

2 無線子系統的特點

（1）無線網絡符合IEEE 802.11g標準，在物理層采用2.4 GHz的ISM頻段。該無線網絡完全與IEEE 802.3有線網絡兼容。

（2）為了保證列車的運行，無線場強重疊覆蓋，保證信息傳輸的不間斷。

（3）在布置AP時，充分考慮無線系統的可靠性，每個AP的覆蓋范圍應有重疊區，在個別AP和其他設備出現故障時，系統應能正常工作。每個AP的輸出功率應盡量小，滿足國家規范要求。

（4）無線局域網的空中接口、頻點范圍和加密措施滿足國家有關標準和規定。

（5）無線局域網在線路區間的設備安裝滿足隧道限界、天氣、振動和維護等方面的要求，其設備本身達到IP67的標準，以適應地鐵的環境條件。

（6）無線系統在方案的設計過程中重點考慮設備、組網線路等方面的抗干擾能力和措施；在車上和地面采用的無線設備全部通過電磁兼容（EMC）測試。

（7）所有的無線軌旁和車載設備，均滿足在儲存和運行期間的特定環境條件下的各種性能和功能要求。

3 無線子系統功能

重慶地鐵三號線單軌CBTC無線系統主要作用是在各個子系統之間傳輸ATC報文，而這些子系統大部分是移動的。無線系統對于報文傳送是完全透明的。雖然DCS系統所傳輸的是安全型的列車控制信息，但其本身并不是一個安全型系統，只是一個可靠的數據傳輸系統而已。DCS系統的主要功能如下。

（1）無線系統實現地面中心設備、車站設備、軌旁設備與車載設備之間的連接和信息傳輸。

（2）信息傳輸的相對獨立性和透明性：無線系統在CBTC系統的控制中，只是作為控制系統的傳輸通道，在物理和通信協議上保持相對的獨立性和透明性。

（3）無線系統允許區域（通常由一個AP或幾個相連的AP確定）內有多列車。該網絡還可以通過標準網絡層（IP）功能，支持對一列車、一組列車或所有列車有選擇地進行通信。

（4）移動性功能：由于城市軌道交通的列車控制是屬于中速的控制系統，一般在120 km/h以下。無線網絡在120 km/h的速度下，保證地-車信息傳輸達到1 Mb/s以上的多用戶雙向數據通信吞吐量。

（5）網絡的安全性（侵入安全）：作為控制系統的傳輸，必須保證地-車信息傳輸網絡不受外界網絡的干擾，其他非信號系統的用戶無法或非常困難進入該傳輸系統，要求有非常好的加密性能，否則，將造成CBTC系統信息傳輸癱瘓而導致列車緊急停車，但是沒有列車運行的安全問題，CBTC系統的安全由信號系統本身的安全策略保證。

（6）無線網絡系統應具有自診斷和系統自愈處理能力。

4 無線子系統構成

重慶軌道交通3號線單軌CBTC系統的無線網絡結構如圖1所示，整個系統為雙網結構，在5個設備集中站（二塘站、四公里站、兩路口站、鄭家院子站和龍頭寺站），每個設備集中站安裝兩個AP主單元和兩臺網絡交換機。地面的每個點有兩臺AP。整個系統的主要組成如下。

（1）AP主單元（APM）

AP主單元位于每個設備集中站。AP主單元用于將SM的信息傳輸到軌旁的AP。相鄰的兩個AP分別與不同的AP主單元連接。這就為系統提供了一系列冗余的本地無線網絡。

因為無線發送數據的周期是320 ms，而邏輯部的處理周期是500 ms，二者不同步。因此，AP主單元需要把AP送來的數據進行緩存和打包處理，然后再送到SM。同時從邏輯部送來的數據也在AP主單元進行緩存，按照無線的發送周期進行發送。

每列車的上行數據送到AP主單元后，由AP主單元進行打包處理，以16個編組為單位打成包，加上NX報頭后發送到SM。

（2）網絡交換機

采用48口的三層以太網交換機，提供48條100 Mb/s本地以太網連接，用于將安全模塊(SM)的信息傳輸到軌旁的AP。通過優化網絡交換機以及沿線的AP，可以提供最可靠的組合。

（3）AP

軌旁需要設置一系列AP，根據地形的不同，AP的間隔約為200～300 m。軌旁的AP通過無線方式完成車-地之間的通信，用于車-地的雙向信息傳輸。AP工作在2.4 GHz的ISM頻段，采用IEEE 802.11g標準。AP安裝在隧道的墻壁上或軌旁地面，通過防雷擊裝置，經由同軸電纜連接到天線，使用電源轉換器進行供電。AP通過以太網10/100 Base FX光纖連接至距離最近的AP主單元上。

（4）網管系統

杰樂貝干酒莊成立于1828年，坐落于法國波爾多圣愛美隆葡萄園的中心地帶，有近200年釀造歷史，擁有28000平方米生產面積、20000平方米倉儲面積、4條灌裝線。酒莊擁有專業的釀酒團隊，對葡萄進行精心挑選，根據市場的需求使用創新工藝釀造精品酒款。一直以來，杰樂貝干都是圣愛美隆的釀酒先驅，2006年，酒莊被ADVINI集團收購，倡導使用可持續發展的生產理念，并且獲得眾多國際組織嚴格的可持續發展認證。

整個無線系統由設在車輛段的網管服務器進行統一網絡管理的監視。網管工作站設置在車輛段內的維修中心，全線用于連接室外AP點的交換機進行連接至車輛段維修中心。網管服務器可以同時管理兩個無線網絡的設備。通過網管服務器，可以對無線設備進行配置、軟件升級，也可以監視無線設備的工作狀態是否正常。

（5）車載無線設備

在列車的車頭和車尾各安裝一套無線系統，從地面系統接收列車控制信息，并將信息傳輸給駕駛室內的主處理單元（兩套主處理單元安裝在一側）。另外，還從主處理單元接收列車位置信息，通過天線傳輸給地面系統。

車頭和車尾的無線系統結構完全相同。一臺AP接兩個定向天線，這兩個定向天線為空間分集的作用，要求兩個天線之間的距離在0.5 m以上。為了防止雷擊壞設備，天線和AP之間需要有避雷器。因為AP的接口為以太網接口，而車載SM的接口為RS-422接口，因此，需要一個接口轉換設備完成以太網和RS-422接口之間的轉換。

5 工作原理

重慶單軌三號線CBTC系統中，采用作為下一代移動通信方式主流的OFDM調制方式進行調制，通過對各子載波進行窄帶寬化處理以提高抗脈沖噪音能力、以及抗多徑衰落能力。

OFDM技術是多載波傳輸技術的一種，它的特點是把窄帶信號分割成頻率較低的多個正交的子載波在信道上并行傳送。由于它的正交性，OFDM信號可經由多個子載波信號重疊并行傳送而不互相干擾。OFDM比非正交的多載波頻分復用技術的帶寬利用效率高得多。OFDM的正交多載波信號傳送方式，使它一方面具有一定的抗多徑干擾能力，同時又能保持高的頻率效率。每個子載波的頻點必須和相鄰載波的零點重疊才能維持正交的關系。這重疊的帶寬正是OFDM添加的頻譜效率的來源之一。

地面無線裝置AP的布置需保證與車載STA之間的穩定通信，是決定信號傳輸距離、信號強度指標的重要因素。

因此，在設計布置方案時，需綜合考慮地形、線形、周圍的環境或所設置AP的維護性等各種條件，必要時使用計算機進行模擬對信號傳輸進行分析，以保證AP被布置于最適宜的位置。對AP進行布置設計時，主要需注意兩點：無線信道設計、設置地點。

重慶地鐵單軌CBTC無線系統設計，每個AP點采用兩臺AP進行無線覆蓋，這兩臺AP對應兩個冗余的邏輯部。

此外，車載STA安裝于列車的前端車輛及末端車輛上，天線則分別安裝于上述車輛各自的駕駛臺上方，并與車載裝置相連。

6 結束語

重慶市單軌三號線是世界上首次在單軌線路實現CBTC信號系統，開創了一個先例。而無線子系統是CBTC系統的一個重要組成部分，關系到CBTC能否順利開通。本文對于重慶三號線CBTC中無線系統的論述，對以后的單軌線路具有一定的借鑒意義。

[1]重慶市單軌交通三號線CBTC信號系統無線子系統技術規格書[S].

[2]吳明，李新潮．重慶單軌交通信號系統[J]．電氣化鐵道，2004（2）：43-46．

[3]蔣先進，邢艷陽，肖培龍．城軌首都國際機場線CBTC信號系統[J]．鐵道通信信號，2007，43（9）：7-9．

[5]蔣先進，穆紅普．重慶單軌交通信號系統環線軌道電路簡介[J]．鐵路通信信號工程技術，2008，5（2）：21-23．

[6]蔣先進，范建偉．單軌交通環線軌道電路常見故障判斷與處理[J]．鐵路通信信號工程技術，2009，6（6）：43-44．