漏泄電纜在地鐵CBTC信號系統(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

信號系統(tǒng)是現(xiàn)代大運(yùn)量、高密度的軌道交通自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對列車高速、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，特別是無線技術(shù)飛速發(fā)展，人們開始研究以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）。它的特點(diǎn)是用無線通信媒體來實(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)為移動閉塞模式，同時可減少區(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 信號系統(tǒng)無線傳輸方式比較

雙向無線通信系統(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，即無線電臺、漏泄同軸電纜和裂縫波導(dǎo)管。

2.1 無線電臺

目前，采用無線電臺進(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、法國阿爾斯通公司、德國西門子公司、美國USSI公司和龐巴迪公司。上海地鐵8號線、北京地鐵10號線以及廣州地鐵4、5號線等項(xiàng)目均采用此方式。

根據(jù)IEEE 802.11無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前廣泛采用的是基于2.4 GHz的ISM頻帶，無線電臺方式傳輸?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，增加了無線場強(qiáng)覆蓋的難度。為了保證無線場強(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套無線AP，在地面和高架線路300 m左右設(shè)置1套無線AP。

無線電臺的體積較小，安裝比較靈活，受其他因素的影響小，可以根據(jù)現(xiàn)場條件和無線場強(qiáng)覆蓋需要進(jìn)行設(shè)計和安裝，且安裝和維護(hù)容易，成本低。

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

無線電臺的傳輸距離小，為保證在一個AP故障時，通信不中斷的可靠性，往往需要在同一個地點(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AP之間的漫游和切換特別頻繁，大大降低了無線傳輸?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)行無線傳輸?shù)男盘栂到y(tǒng)供貨商只有阿爾斯通公司，其已經(jīng)在2002年開通的新加坡東北線和北京地鐵2號線中得到成功應(yīng)用。裂縫波導(dǎo)管采用的是一種長方形鋁合金材料，在其表面每隔一段距離（約6 cm）刻有一條寬2 mm、長3 cm裂縫，能讓無線電波從此裂縫中向外漏泄出來，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，且沿線無線場強(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，具有漏泄同軸電纜的優(yōu)點(diǎn)，適合于狹長的地下隧道內(nèi)使用，傳輸距離優(yōu)于漏泄同軸電纜，可減少列車在各個AP之間的漫游和切換，大大提高了無線傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

相對于無線自由波傳輸方式，波導(dǎo)管方式由于無線電波主要在波導(dǎo)管中傳輸，從波導(dǎo)管中漏泄出來的信號弱，并且只局限在一個很小的范圍，因此這種方式產(chǎn)生的無線電干擾小，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應(yīng)，其安裝精度要求較高，對于波導(dǎo)管內(nèi)部和表面的維護(hù)量較大，工程施工麻煩，同時需要解決好防水、熱脹冷縮、防止沙塵侵入和污物覆蓋等問題，后期對線路的養(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)行無線傳輸?shù)男盘栂到y(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，且沿線無線場強(qiáng)覆蓋均勻，呈現(xiàn)良好的方向性分布，抗干擾能力較強(qiáng)，適合于狹長的地下隧道內(nèi)使用。減少列車在各個AP之間的漫游和切換，提高了無線傳輸?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應(yīng)。

漏泄同軸電纜對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采用漏泄同軸電纜與無線電臺混合組網(wǎng)的方式，對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線電臺進(jìn)行覆蓋，解決了漏泄同軸電纜在地面及高架區(qū)段安裝的問題。同時，因漏泄同軸電纜的安裝位置較高，不會影響一般軌旁維護(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，即無線電臺、裂縫波導(dǎo)管無線傳輸媒介和漏泄同軸電纜綜合比較如表1所示。

表1 無線通信3種傳輸方式比較

通過比較可以看出，采用漏泄同軸電纜作為無線傳輸媒介具有較好的適用性。

3 漏纜在地鐵CBTC信號系統(tǒng)的應(yīng)用

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

3.1 方案概況

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

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

列車信息也相應(yīng)的通過無線網(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應(yīng)，在天津2、3號線項(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，并由一對冗余的WNRA驅(qū)動，使用信號耦合分配器實(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，不會對信號系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生任何影響。

在這種配置下，每個無線區(qū)域可以在單線覆蓋至520 m（典型情況下為500 m）。如果額外增加信號耦合分配器或使用較長的饋線電纜（＞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

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