地鐵寬帶集群車載電臺設備設計研究

馬超

摘要：該文介紹了一種在地鐵上使用的寬帶集群車載電臺設備，主要包括主機箱、操作終端、揚聲器、送話器及相關線纜。主機箱采用模塊化設計，包括電源模塊、信道機模塊，便于后續的調試與維護;操作終端包括可觸摸顯示屏、攝像頭、物理按鍵及內置的揚聲器。此車載電臺可支持同時安裝TETRA和LTE兩種通信設備，支持音視頻通話和文件傳輸。可實現車輛與調度中心的互聯互通，為調度中心與司機對講、與乘客對講、對乘客廣播等功能提供通信渠道。寬帶集群設備通過音頻接口、RS485接口與車載PIS實現上述功能，通過RS485接口將自檢信息發送給車載PIS，由車載PIS轉發TCMS。

關鍵詞：地鐵;車載電臺;通信設備;寬帶集群

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0120-03

1 背景

城市地鐵交通方式的應用，在很大程度上緩解了城市交通擁堵的問題，也為城市居民的出行提供了便利。隨著城市軌道交通系統的不斷發展，其安全性、舒適性和高效性得到社會的普遍關注[1]。

我國地鐵無線通信系統行業市場集中度較高[2]，市場份額主要集中在幾大行業龍頭企業，包括賽格通信、上海鐵路通信工廠、中國電子科技集團公司第五十四研究所等，其無線調度通信系統全部采用TETRA標準[3]，調度員為實現運營調整而面向行車值班員和司機發布指令主要是通過對講機，缺乏可視設備，城市軌道交通調度系統未來將向著網絡化、智能化、集成化方向不斷發展[4]。其將最大滿足軌道交通網絡化運營、調度指揮、協調的功能，充分考慮系統的可靠性、開放性、可擴展性，以便為后期的技術升級創造條件[5]。隨著LTE技術的發展，軌道交通專用通信系統正在從TETRA數字集群向LTE寬帶集群過渡[6]。

目前國內外軌道交通調度設備對LTE技術與終端產品的理論研究雖然已有成果，但呈現出分散化和局部化的特征，并沒有大范圍地應用到實際項目中，更沒有關注到雙模列車調度設備的應用前景。目前地鐵無線通信系統主要還是以TETRA系統為主，無法實現TETRA和LTE同時運行，也無法實現視頻信息的傳輸。此設備的結構設計就是在TETRA系統的基礎上，主機箱部分將TETRA與LTE兩種制式結合在一起，實現了兩套系統同時安裝，可以根據業主的需求來進行方便的切換。操作終端既保留了傳統的常用物理功能按鍵，還支持液晶顯示屏觸摸按鍵功能。并增加了內置攝像頭、內置揚聲器，可以方便操作人員進行視頻通話及視頻信息的傳輸。

2 結構設計方案

為了滿足地鐵無線通信系統中的多種不同種類用戶之間的通話，分別對地鐵列車上TD-LTE集群調度系統通信設備結構和TETRA集群調度系統的通信設備結構進行了研究。并針對各系統設備的優缺點進行了融合性設計，使之成為功能更完善的地鐵調度系統通信設備。寬帶集群車載電臺是安裝在地鐵列車兩端車頭司機室內，提供給司機使用的無線終端設備。其通過車載天線與地面進行通信，實現了車輛與調度中心的互聯互通，保證了列車信息可以及時地發送到地面，同時，為調度中心對司機對講、對乘客對講、對客室廣播等功能提供傳輸通道。

寬帶集群車載電臺主要包含了主機箱、操作終端、揚聲器（內置于操作終端）、攝像頭（內置于操作終端）和送話器以及相互連接的電纜。設備整體符合EN 50155：2007《鐵路設施鐵道車輛上使用的電子設備》標準，外殼防護符合GB/T4208-2008《外殼防護等級（IP代碼）》標準，防水防塵的防護等級可達到IP55，可適應地鐵列車運行的復雜工作環境。設備電磁兼容（EMC）符合EN50121-3-2：2016《鐵路應用-電磁兼容性 第3-2部分：車輛-裝置》標準。沖擊、振動符合IEC61373《鐵路應用-機車車輛設備-沖擊和振動試驗》標準。連接電纜采用低煙無鹵阻燃護套，符合NFF16-101《鐵路車輛阻燃防火測試》標準，滿足地鐵車載設備的安全、防火等級要求。設備連接原理圖如圖1所示。

2.1 主機箱

主機箱采用19英寸標準機箱結構，高度3U。安裝方式采用機架式水平安裝，用4個M6螺釘和卡式浮動螺母安裝固定在列車通信機柜內。主機箱采用模塊化的設計，分成電源模塊和信道機模塊。電源模塊采用符合EN50155和EN45545-2鐵路系統認證的150W的DC110V轉DC12V的鐵路專用電源，它有短路/過負載/過電壓/過溫度/輸入反極性保護，輸入輸出隔離度可達4000VDC，保證了電源的穩定性，抗震性也更有保證。信道機模塊采用LTE制式的鼎橋EV751和TETRA制式的摩托羅拉MTM5200 DATA BOX，兩種制式的模塊可以相互切換，也可以同時運行，用戶能夠根據需求選擇更合適的方式使用，為用戶提供了更多選擇。

同時，我們采用導軌式安裝的方式來安裝各個模塊，這樣方便后續各模塊的拆裝維修。在材料選擇上，主機箱框架結構采用的是鋁合金材質，表面氧化噴涂處理，降低了設備的整體重量。上下蓋板設有散熱孔，可以實現良好的散熱功能。前面板采用的是表面拉絲氧化處理的鋁合金材質，突出表面的金屬質感，可以用來修飾一些不明顯的瑕疵。主機箱前面板上裝有可靠性較高的航空插頭連接器，負責與各專業進行對接。機箱內部導軌采用的不再是塑料導軌，而是采用的金屬導軌，提高了導軌的可靠性。內部安裝結構件采用的是冷軋板加不銹鋼材質，考慮到強度要求，在主要承重位置采用的不銹鋼結構件，輔助支撐位置采用的是冷軋板材質，這樣既保證了強度要求又降低了生產成本。主機箱的內部結構圖如圖2所示。

2.2 操作終端

操作終端上安裝有觸摸式液晶屏、自動對焦高清攝像頭、USB接口、揚聲器、物理按鍵等組件，可實現觸屏點選、自動對焦、USB連接等功能。操作終端前面板采用鋁合金加工，表面噴砂氧化處理。對外連接采用可靠性更高的航空插頭連接器。操作界面采用常用功能的物理按鍵與觸摸屏按鍵組合的形式，優化了按鍵結構，使操作面板更加簡潔。

前面板中間位置上設有液晶屏視窗開孔和安裝位置，左側有揚聲器出音孔和送話器連接口，右側有按鍵開孔、指示燈開孔和USB接口，在液晶屏上側設有攝像頭安裝孔。液晶屏采用晶彩7寸高亮度可觸摸液晶顯示屏，分辨率可達到1280×800，最大亮度可達到1275cd/m2。物理按鍵采用硅膠材質注塑成型，按鍵上的文字采用噴涂后鐳雕處理，外觀簡潔有質感，觸摸感也更舒適。攝像頭采用的是OV5640芯片，有自動對焦功能，像素可達到500萬，可用于操作人員視頻通話及視頻信息的傳輸。揚聲器采用兩個球頂形電動揚聲器，嵌入式安裝在操作終端內部，增加了設備的集成度。同時，節省了之前外部揚聲器連接的電纜，改善了在地鐵列車上的安裝空間。操作終端內部結構圖如圖3所示。

操作終端的主控板集成了1.8GHz和800MHz頻段的雙模制式通信所需的硬件接口，如圖4所示。主控板的核心板采用的是迅為i.MX6Q 核心板，基于Cortex-A9處理器，它支持NXP四核運算，最高主頻可達到1.2GHz，支持Linux-QT、Android、Ubuntu、Debian、Youcto等不同操作系統。主控板具備最大1080p@30Hz像素的視頻處理能力，并且支持 H.264全雙工編解碼，可以完成一路視頻編、解碼的同時進行另外一路視頻編碼，即一路全雙工編、解碼實現點呼可視對講，一路編碼實現視頻監控功能。

主控板的音頻接口包括音頻輸入、音頻輸出、緊急呼叫、PTT和麥克風、喇叭輸出、廣播輸出等，視頻接口包括Camera接口、標準雙路8位LVDS接口的LCD及觸摸屏接口和背光控制接口等。存儲模塊采用的是標準的SATA接口，網絡接口采用i.MX6Q自帶的10/100/1000M自適應以太網口。串行接口包括RS-232、RS-422、RS-485，可用于打印、調試、車輛信息傳輸等。

車載終端軟件結構合理、層次分明，界面設計遵循Windows的窗口風格，人機交互友好，可實現單屏操作，操作簡捷便利。軟件功能完善，可靠性高，可上電自檢，接收和應答呼叫，請求呼叫調度，請求呼叫機車，向調度發送預定義消息，接收調度的預定義消息，錄音功能，視頻通話功能等。

2.3 送話器

送話器采用的是晨訊達原裝送話器，可提供數字鍵盤、緊急呼叫等功能。

3 功能描述

寬帶集群車載電臺可用于實現列車與控制中心的調度，與車站工作人員以及車輛段/停車場工作人員之間的通信。其主要功能有呼叫功能，數據傳輸功能，顯示功能，注冊/注銷請求功能，車載設備調度全線歸屬，車載電臺手動輸入車次號，時間同步功能，全網錄音功能，音視頻實時通話功能，緊急呼叫功能等。車載電臺的呼叫功能又包含緊急呼叫、請求呼叫、接收調度呼叫以及對列車乘客的呼叫廣播功能。調度員可以選擇或在必要情況下接收列車司機的呼叫，也可以對在其管轄范圍內的某一列車或所有列車的乘客進行廣播。當列車在正線運行時，接收到司機呼叫，會分配到一個對應的車次號。在無線通信調度上會生成對應此車次號、機車號的車載電臺通話組。車載電臺的數據傳輸功能又分為：語音集群、發送和接收預定義文本信息、視頻信息和接收短信息、短視頻。車載電臺還可以利用LTE/TETRA系統實時、快速收發狀態信息。

4 結束語

此車載電臺是首個將LTE和TETRA兩種通信制式的無線調度系統結合在一起的設備。可以保證兩種制式同時工作，互為補充。既保證了LTE通信系統的多媒體信息處理優勢，又很好兼容了TETRA系統的特點。它還能夠支持多種系統帶寬場景，在系統部署上更具有靈活性;它還有數據傳輸速率快、移動性好的優點，在高速移動的情況下也能達到良好的接收效果。相較于目前地鐵通信調度系統的單一性，此設備具有更明顯的優勢。

可以預見，在未來數年內LTE寬帶集群將會成為軌道交通專用通信系統的首選[7]。在目前的這個過渡時期，能夠同時兼容LTE和TETRA兩種制式的通信設備是有必要的，并且在很長一段時間內是有明顯優勢的。

參考文獻：

[1] 馬建，孫守增，芮海田，等.中國筑路機械學術研究綜述·2018[J].中國公路學報，2018，31（6）：1-164.

[2] 《中國公路學報》編輯部.中國交通工程學術研究綜述·2016[J].中國公路學報，2016，29（6）：1-161.

[3] 趙勇.TETRA數字集群系統調度臺業務的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2013.

[4] 劉志鋼，胡華，黃遠春，等.城市軌道交通應急調度指揮系統的現狀及發展趨勢[J].城市軌道交通研究，2012，15（12）：5-9，27.

[5] 周曉勤.城軌交通 智慧先行 《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》發布詞[J].城市軌道交通，2020（4）：30-31.

[6] 李歲永.TD-LTE網絡承載地鐵集群通信業務解決方案[J].自動化與儀器儀表，2015（2）：74-77.

[7] 王鵬.基于TD-LTE的車地無線通信系統設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2019.

【通聯編輯：梁書】