電力線通信技術在地鐵AFC系統車站級網絡中的應用

方 暉徐文學李建平

（1.寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司，315101，寧波；2.北京卓越信通電子股份有限公司，100094，北京；3.泰華智慧產業集團股份有限公司，250101，濟南∥第一作者，高級工程師）

1 傳統自動售檢票系統的車站級網絡

圖1 基于以太網的AFC車站級網絡

傳統自動售檢票（AFC）系統車站級網絡（如圖1所示）采用二層接入網絡交換機與三層匯聚網絡交換機，共同組建二層工業環網，實現站內網絡構建。相比于星型或鏈型的網絡結構，環形網絡結構可以提供鏈路的冗余，因而擁有極大的優勢：當網絡中出現任意位置的單點故障時，環形網絡可以立即啟用其備用鏈路，使得任意節點的通信不會出現中斷的情況；對于每一個獨立的環網，可啟用環網冗余協議；當網絡中出現單點故障時，系統可以實現毫秒級速度進行倒換，以保證業務數據的正常傳輸，增加了網絡的可靠性。

基于以太網的AFC系統車站級網絡采用光纖介質，設備區的線纜可采用沿走廊和房間頂棚明敷、沿吊頂內敷設、沿墻內暗敷，或采用在防靜電地板下穿管道或鍍鋅線槽（200 mm×100 mm）等多種方式。公共區地面裝修層線槽采用不銹鋼制品，壁厚3 mm，包括三種類型：① 按150/250分隔的，尺寸為400 mm×50 mm；②按150/150分隔的，尺寸為300 mm×50 mm；③ 按150/100/150分隔的，尺寸為400 mm×50 mm。不銹鋼線槽、接線盒、分線盒之間采用防水連接器進行連接，防護等級達到IPX7。所有不銹鋼線槽、分線盒、終端盒都在工廠進行成品化焊接生產，車站施工現場不允許焊接和加工。然而在實際工程中，由于土建誤差，當地面結構標高不足時，地面開鑿和保護還要由AFC系統施工單位負責；工程沿線的各種外部接口繁雜，施工空間的局限給設備管線綜合帶來了巨大困難；設計及現場結構的協調需要消耗大量的人力與時間，這既降低了工作效率，又大大增加了出錯的機率；前期工作的效率低下還會導致后期設備用于安裝調試的時間緊張。因此，AFC系統車站級網絡在新線施工和老線改造過程中難度很大，且對資金和工期都提出了很高的要求。

經過市場調研，對圖2所示的不銹鋼線槽方案進行評估：按投資15萬元/站以及鍍鋅鋼管5萬元/站計算，一條線路僅在布線方面至少要投資200萬元以上；而在改造項目上，還需要在破壞墻體、墻體修復等方面增加不菲的費用。

圖2 軌道交通車站裝修層不銹鋼線槽設計方案

電力線通信（PLC）是指利用電力線作為媒介實現數據傳輸的一種通信技術。PLC技術利用設備電源線進行傳輸，無需再單獨布置通信線纜，無需進行墻體施工及布置通信線槽，從而減少部分人力、物力和財力。因此，通過PLC技術來解決AFC系統車站級網絡方案是值得研究的。

2 基于PLC技術的AFC系統車站級網絡方案

PLC技術把載有信息的高頻信號加載于直流或交流電信號上，通過電力線作為媒介進行信息傳輸，接收信息的解調設備再把高頻信號從直流或交流電信號上分離出來，并傳送到終端設備，以實現信息傳遞。PLC也可以用同軸電纜、電話線等媒介來傳輸。由于電力線是最普及、覆蓋范圍最廣的一種物理媒介，利用它傳輸數據信息，可以降低運營成本，減少構建新的通信網絡的支出。隨著調制技術和編碼技術的發展，PLC通信技術性能得到了很大提高，傳輸距離越來越遠，帶寬越來越高，抗干擾性越來越強。因此，PLC技術代替百兆以太網，用以構建AFC系統車站級網絡是完全可行的。

基于PLC的AFC系統車站級網絡（如圖3所示），利用既有的電力線進行數據傳輸，用工業電力網橋來替代二層工業以太網交換機，構成星型網絡結構。對于每一區域中的設備如閘機、自動售票機等，各區域的終端可以接入一個單口工業電力網橋（TSC-PLC-1001S），也可以按相鄰區域終端的數量接入多口工業電力網橋（TSC-PLC-1004S、TSC-PLC-1010S）。其接入方式是終端設備的網口對接電力網橋的網口，電力網橋局端的網口對接三層交換機的網口。若信息由終端傳向中心，則數據通過網口接入后由電力網橋設備調制到電力線上，再由電力線傳輸到電力網橋局端設備上，電力網橋局端設備解調后恢復成以太網信號傳輸給三層交換機；若信息由中心傳向終端，則數據傳輸反過來即可。整個電力線網絡的出口是兩個電力網橋局端設備（TSC-PLC-1002M）。這兩個設備形成熱備份。每個局端設備自身有“一主一備”兩個以太網口，同時接到三層交換機上，只有當主端口失效時備端口才開始工作。這種接入方式確保了電力網橋局端設備異常或三層交換機某一端口異常時，整個系統仍可以正常工作。

電力線信道傳輸環境非常惡劣，存在多種復雜噪聲干擾、與其他業務頻段信號的耦合、惡劣的頻率選擇性和快速時變性等問題。這些問題極大地阻礙了信號傳輸的可靠性，需要采用有效的技術來保證信號傳輸的高效魯棒性。隨著通信技術的高速發展和電力線通信市場的興起，國內外諸多科研機構都開展了寬帶電力線通信技術的研究，包括正交頻分復用（OFDM）技術、高效的編碼調制技術、魯棒靈活的幀結構設計、信號處理技術、頻譜感知技術等，以提高PLC通信的性能和工作穩定性。目前，寬帶PLC的傳輸性能已經達到帶寬1 Gbit/s以上、傳輸距離300 m以上。而在AFC系統車站級網絡中，各終端的設備流量在500 kbit/s以下，同一不間斷電源（UPS）下節點數為30個左右，預計需要15 Mbit/s左右的總帶寬。通過實測發現，1 Gbit/s電力網橋的有效數據傳輸帶寬在近距離情況下可以達到400 Mbit/s左右，完全能夠滿足AFC系統車站級網絡的需求。另外，在同一電力線下，還可通過設置電力網橋分組的方式，將不同區域的網橋設備設置成一個組，從而減少電力網橋間的相互干擾，提高帶寬利用率。

寬帶電力線的載波頻段在2～85 MHz（Homeplug標準）或者在 25 MHz、50 MHz、100 MHz附近（G.hn標準）。在工程實踐中，可以結合實際應用情況進行頻段優化。若濾波器所濾頻段不在這個頻段范圍，則對PLC通信影響不大；若所濾頻段在上述范圍，可利用電感耦合或電容耦合的方式跨接過去。

根據多年的工程經驗，AFC系統車站級網絡供電及數據傳輸具有如下特征：①采用獨立UPS供電，總入口唯一，電源潔凈；②供電網絡結構簡單，無復雜鏈路，無大型過流保護及濾波裝置；③負載主要為計算機、電子元器件模塊及小功率電器，無大型負載；④數據量和實時性要求不高，網絡節點數量較少。因此，PLC技術應用于AFC車站級系統網絡具有得天獨厚的優勢，使得PLC通信在應用中可以揚長避短。

與傳統以太網方案相比，基于PLC的AFC系統車站級網絡方案具有以下優點：①利用電力線供電特性，電力線斷開與否與設備工作與否是正相關的，因為無需構建冗余環網，也就沒有以太網交換方案所需的環網收斂時間要求；②減少了施工材料數量，如可采用鍍鋅鋼管取代不銹鋼線槽，還可減少光纖材料；③減少了如線槽敷設、光纖熔纖、網絡調試等工作量；④減少了運營維護的工作量，實現“有電就有網”；⑤降低了改造項目實施難度和相關費用。此外，在設備性能和成本上，PLC網絡核心產品的技術參數與現有的以太網方案并無明顯差異。在硬件上，相比較同端口的交換機，主要是增加了PLC通信模塊，成本無太大變化。

圖3 基于PLC的AFC車站級網絡

3 結語

PLC通信在解決最后幾百米通信上有天然的免布線優勢，尤其在系統改造或擴展方面能夠極大節約成本和縮短工期。PLC技術本身已經很成熟，在遠程抄表等民用行業已經得到廣泛的應用。基于PLC技術實現AFC系統中車站級網絡傳輸時，只要在工程實踐中結合實際情況進行優化處理，減少電力線上設備對信號傳輸的隔離和干擾，保障數據傳輸效率，采用PLC來替代以太網通信完全能夠取得預期效果。