長春輕軌無線通信系統(tǒng)改造方案分析

程 鑫，曲 直

(北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037)

軌道交通專用無線通信系統(tǒng)是為了保證城市軌道交通安全、高效運營而建設的安全、可靠、有效的通信系統(tǒng)，它為運營的固定用戶和移動用戶之間的語音和數據信息交換提供可靠的通信手段，對行車安全、提高運輸效率和管理水平、改善服務質量提供了重要保證；同時，在運營出現異常情況和調度電話出現故障時，可以迅速提供防災救援和事故處理指揮所需要的通信手段。

1 無線通信系統(tǒng)現狀分析

1.1 長春輕軌工程概況

長春輕軌分三期實施，包括兩條線路，線路的結構和布設情況如下：一、二期工程全長31.14 km，共設車站33 座，其中地下站一座，地面、高架和半地下站32 座。設有車輛段和停車場各1 座。三期工程全長15.95 km，共設車站16 座，其中地下站3座，高架站13 座，車輛段1 座。

輕軌三期與輕軌一、二期合用朝陽橋控制中心。

1.2 原專用無線通信系統(tǒng)方案

輕軌一、二期工程由于當時投資有限，且線路均為地面線或高架線路，專用無線通信系統(tǒng)采用租用鐵通GoTa 800 MHz 數字集群系統(tǒng)。鐵通GoTa 800 MHz 數字集群網于2005 年初投入商用，已經建成了覆蓋整個長春市的GoTa 數字集群網絡。

輕軌三期工程在初步設計階段，按照節(jié)約項目建設成本的建設原則，專用無線通信系統(tǒng)也推薦采用租賃鐵通建設的GoTa 800 MHz 數字集群系統(tǒng)來實現無線系統(tǒng)功能需求。

1.3 存在的問題及改造必要性

1.3.1 設備維修維護

GoTa 系統(tǒng)僅在國內部分城市布置集群共網系統(tǒng)，為長春輕軌工程提供無線車載電臺等設備均為定制開發(fā)，至輕軌三期建設之前，國內絕大多數城市的城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)基本上均采用TETRA 制式。由于GoTa 系統(tǒng)在城市軌道交通領域遲遲無法大面積使用，系統(tǒng)終端設備已無廠家生產，導致輕軌一、二期工程設備損壞后無法更換和維修，這已經嚴重影響長春輕軌的正常運營調度與指揮，急需對無線系統(tǒng)進行升級與改造。

1.3.2 系統(tǒng)互聯(lián)互通

在輕軌三期開通前，長春在建的地鐵1、2 號線，無線調度方案均推薦在國內軌道交通有成熟應用經驗的TETRA 系統(tǒng)。目前不同TETRA 系統(tǒng)廠商的設備在調度業(yè)務的互聯(lián)互通上仍存在一些問題，需要在建設階段進行互聯(lián)互通的強制性要求才能滿足上述線網互聯(lián)互通需求。TETRA 系統(tǒng)與GoTa 系統(tǒng)由于制式不同，更無法實現互聯(lián)互通。考慮到長春整個軌道交通線網無線制式的統(tǒng)一性及互聯(lián)互通，在輕軌三期工程實施階段對輕軌一、二期專用無線通信進行改造是必要的。

2 改造原則及改造方案

2.1 改造原則

1) 改造后的無線通信系統(tǒng)應立足于線網，系統(tǒng)不僅應滿足輕軌工程的運營和管理要求，而且還應能方便地與在建的城市軌道交通工程通信系統(tǒng)互聯(lián)，同時還應為今后其他線路的接入預留必要的條件。

2) 采用技術先進、接口標準的設備，關鍵部件冗余配置，能連續(xù)不間斷地運行。

3) 系統(tǒng)改造應基于不影響既有線運營為原則。

2.2 改造方案

2.2.1 系統(tǒng)網絡架構

輕軌一、二、三期工程專用無線通信系統(tǒng)采用全IP 架構的摩托羅拉TETRA 系統(tǒng)。系統(tǒng)的內部數據處理與交換為IP 方式。由于采用IP 核心，使系統(tǒng)具備更平滑的擴容能力，通過不斷擴容可以實現多條城市軌道交通線路共享整個系統(tǒng)，如圖1 所示。

本系統(tǒng)由1 套TETRA 交換控制中心（MSO）、9個調度臺、1 個TETRA 網絡管理終端、15 個雙載頻基站，12 套光纖直放站近端機、37 套光纖直放站遠端機以及6 個TETRA 固定電臺、100 個TETRA 便攜電臺、160 個TETRA 車載電臺所構成。系統(tǒng)架構如圖1 所示，調度系統(tǒng)網絡如圖2 所示。

2.2.2 場強覆蓋方案

在設計本工程無線場強覆蓋時，充分考慮系統(tǒng)因素與環(huán)境因素，設計滿足實際需求的射頻覆蓋方案。

2.2.2.1 覆蓋區(qū)域及覆蓋方式

1) 覆蓋區(qū)域

無線通信系統(tǒng)場強應覆蓋全部范圍，包括以下區(qū)域：

雙正線區(qū)間以及段/場出入線；

段/場內的整個區(qū)域（地面）；

各車站的整個區(qū)域。

2) 覆蓋方式

a.區(qū)間場強覆蓋

專用無線通信系統(tǒng)在隧道、高架、地面區(qū)間使用漏纜進行覆蓋。地上區(qū)間采用單側漏纜覆蓋，地下區(qū)間每條隧道敷設1 條漏纜。一、二期工程漏纜懸掛于接觸網立柱上，其中一期漏纜掛高2 800 mm、二期工程漏纜掛高1 500 mm；三期工程高架區(qū)間漏纜懸掛于聲屏障上，掛高1 450 mm，地下區(qū)間漏纜敷設在弱電側上部，掛高3 600 mm。一、二期工程部分區(qū)間有與市政道路相交的平交路口，不具備安裝漏纜的條件，均采用定向天線進行相關區(qū)段的覆蓋，定向天線安裝于車站端頭或平交路口處的接觸網立柱上。

b.站臺場強覆蓋

地下車站站臺借助隧道漏纜覆蓋。

c.站廳場強覆蓋

站廳采用無源小天線進行覆蓋，天線為收發(fā)共用。

圖1 長春輕軌無線通信系統(tǒng)架構網圖Fig.1 Architecture network diagram of radio communication system of Changchun light rail

圖2 調度系統(tǒng)組網圖Fig.2 Networking diagram of dispatching system

d.段/場內場強覆蓋

段/場各設置專用無線通信系統(tǒng)天線3 套（2 接收、1 收發(fā)共用），采用全向天線用于車輛段/停車場內的場強覆蓋。

2.2.2.2 接觸網立柱懸掛漏纜方案

輕軌一、二期需借助接觸網立柱懸掛漏纜，為保證接觸網立柱的安全，進行漏纜荷載計算及安裝方案設計。

1) 荷載的計算

a.沿線路方向的彎矩M

其中：F：馳度；g：負載；l：跨距；T：橫向拉力。

F 取 決 于 溫 度。當 溫 度t1=35 ℃,規(guī) 定F 為0.45 m。

g 為漏纜和鋼絞線的負載，漏纜、鋼絞線指 標如下：漏纜：1 100 kg/km；7×2.2 鋼絞線：221.27 kg/km。經計算，g=0.012 948 kN。

l 輕軌一期取最大值45 m。

綜上，在溫度t1=35℃時，橫向拉力T=7.28 kN。

任意溫度、負載條件下的馳度：

溫度t 影響漏纜和鋼絞線的馳度，當馳度越小時，橫向拉力T 越大。

t：溫度;q：負載；T：橫向拉力；α：接觸線的線脹系數（1/℃）；E：接觸線的彈性模量（GPa）；S：接觸線的橫截面積（mm2）；l：跨距。

根據長春的氣候情況，t1取35℃，tx取-35℃。

負載q，q1、qx近似相同，即q1=qx=0.012 948 kN。

橫向拉力T1為溫度t1=35℃時的值， T1=7.28 kN。

線脹系數α，取鋼材的α，α=1.1×10-5。

彈性模量E，取鋼材的E，E=1.95×105Mpa。

橫截面積S，鋼絞線的S，S=6.6 mm2。

l 輕軌一期取最大值45 m。

綜上，可以計算出在溫度tx=-35℃時，橫向拉力Tx=8.17 kN。

彎矩M：M=T·H

其中：T：橫向拉力，H：掛高。

T 取最大值，即溫度tx=-35℃時，T=8.17 kN。

H 輕軌一期規(guī)定為2.8。

綜上，輕軌一期沿線路方向彎矩M=22.88 kNm。

b.垂直線路方向的彎矩M

α：風速不均勻系數，根據長春的氣候情況，取當風速為31 ～35 m/s 時，α=0.75。

k：風載體型系數，當d ＜17 mm 時，k=1.20；d ≥17 mm 時，k=1.10。

d：線索的直徑（mm），鋼絞線直徑6.6 mm，漏纜直徑48 mm。

l：懸掛跨距，輕軌一期取最大值45 m。

v：設計計算風速（m/s），取最大值35 m/s。

θ：風向與線路方向的夾角，θ=90°。

綜上，鋼絞線加漏纜的風偏P=1.549 kN。

其中：T：橫向拉力，取最大值T=8.17 kN。

L：跨距，輕軌一期取最大值45 m。

曲線半徑R，取300 m。

綜上，F=1.23 kN。

彎矩M：M=P·H+F·H。

H 輕軌一期規(guī)定為2.8 m。

綜上，輕軌一期垂直線路方向彎矩M=7.769 kNm。

c.計算結果

經以上計算，輕軌一期沿線路方向彎矩為22.88 kNm；垂直線路方向彎矩為7.769 kNm。

輕軌二期掛高H=1.5 m，跨距L 取45 m，曲線半徑R 取300 m，根據以上公式，計算可得沿線路方向彎矩為12.255 kNm；垂直線路方向彎矩為4.169 kNm。

2) 漏纜安裝方案

采用鋼絞線吊掛漏纜，將7×2.2 鋼絞線抱箍固定于接觸網立柱上，通過吊掛件將漏纜吊掛于鋼絞線上。為平衡沿線路方向的拉力，需在終端桿處制作地錨。接觸網專業(yè)設計單位經過相關驗證后，同意按此方案在接觸網立柱上懸掛漏纜。漏纜及地錨安裝方式如圖3 所示。

2.2.2.3 覆蓋指標

圖3 漏纜及地錨安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of leakage cable and anchor

1) 服務等級：呼損率（GoS）≤2%；

2) 話音質量：在無線網內通話音頻帶內信噪比≥20 dB；進入市話網的通話音頻帶內信噪比≥29 dB；

3) 干擾保護比：同頻≥19 dB，鄰頻≥ 45 dB；

4) 無線覆蓋邊緣場強：下行（從基站至車載臺）： 每載波不低于-85 dBm（在便攜臺天線輸入端）；上行（從車載臺至基站）：每載波不低于-88 dBm（在基站輸入端）。

2.2.2.4 鏈路覆蓋預算

由于典型地下區(qū)間、車站站廳站臺、車輛段/停車場等區(qū)域的覆蓋均屬采用軌道交通常規(guī)覆蓋方式，經計算均有足夠的場強余量。由于地面及高架區(qū)間采用單側漏纜覆蓋，屬于非典型覆蓋方式，在工程中選取區(qū)間最長的區(qū)段計算：湖光路站～硅谷大街站（1 585 m），其場強鏈路預算如表1、2 所示。

由于漏纜指標中的耦合損耗為距離漏纜2 m處，而本工程為單側覆蓋，漏纜敷設在軌行區(qū)外側，列車距離漏纜約為4 m，通過在試驗段現場測試，外側車載臺的上下行場強均滿足最低接收電平要求，且有部分余量。

表1 區(qū)間下行鏈路場強余量計算Tab.1 Field strength margin calculation for section downlink

3 新舊系統(tǒng)割接方案

在實施過程中，新的專用無線通信系統(tǒng)安裝、調試及試運行、系統(tǒng)初驗完成之前，始終保持舊的無線系統(tǒng)正常使用。新舊系統(tǒng)割接工作（含安裝、調試等），始終在非運營時段實施（除非必須在運營時段實施），新系統(tǒng)經試運行并通過預驗收、能夠實現所有新系統(tǒng)功能，并滿足輕軌一、二、三期正式運營要求，逐步拆除舊系統(tǒng)及臨時性的接口設備。

表2 區(qū)間上行鏈路場強余量計算Tab.2 Field strength margin calculation for section uplink

4 結語

改造后的長春輕軌專用無線通信系統(tǒng)提供滿足輕軌運營需求的豐富的調度功能及輔助業(yè)務功能。同時，由于采用國內軌道交通主流技術制式組網，解決了設備維修維護存在的問題及與線網其他線路互聯(lián)互通的問題，滿足長春市軌道交通未來發(fā)展需要。