我國城市軌道交通的建設(shè)與發(fā)展 １９６５年７月１日，北京地鐵一期工程破土動工以來，至今已經(jīng)經(jīng)歷了４０年，目前我國內(nèi)地建成軌道交通的城市有：北京、上海、廣州、天津、武漢、深圳、長春、大連、南京、重慶等共１０座城市，１８條線路，累計建成運營線路共４２０公里。其中上海、北京、廣州發(fā)展較快，占建成總里程６０％。
近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)飛躍發(fā)展，城市化進(jìn)程和機(jī)動化速度加快，道路交通堵塞嚴(yán)重，解決好大城市交通已成為城市問題的最大焦點，建設(shè)城市軌道交通已被作為緩解城市交通的最有效的途徑之一。
至２００２年底，已經(jīng)申報軌道交通建設(shè)規(guī)劃的城市有：北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州、重慶、武漢、成都、天津、蘇州、哈爾濱、沈陽、長春、西安等１５座城市，計劃建設(shè)項目６５項、線路總長約１７００公里，總投資約６０６０億元。其中北京、上海、廣州、深圳４座城市建設(shè)項目合計１０５６公里，占總額的６２％。 無線通信在軌道交通中的應(yīng)用情況 無線通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用較早，隨著城市軌道交通的發(fā)展，無線通信技術(shù)應(yīng)用廣度和深度也隨之不斷增加。根據(jù)傳輸信息用途不同，無線通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用按專業(yè)基本上分為信號、通信和乘客信息系統(tǒng)三個方面。
㈠ 信號系統(tǒng)
城市軌道交通的特點是行車密度高、行車間隔短。人們對信號系統(tǒng)的要求可以歸納為實現(xiàn)行車指揮自動化和列車運行自動化，它們由列車自動控制系統(tǒng)（簡稱ＡＴＣ）實現(xiàn)。包括列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（簡稱ＡＴＳ）、列車自動防護(hù)子系統(tǒng)（簡稱ＡＴＰ）和列車自動駕駛子系統(tǒng)（簡稱ＡＴＯ）三個子系統(tǒng)構(gòu)成。無線通信技術(shù)在信號三個子系統(tǒng)中都有應(yīng)用。主要技術(shù)有：
１、軌道電路的無線通信技術(shù)
軌道電路是信號系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備，按頻率可分為５０Ｈｚ工頻軌道電路和音頻軌道電路。５０Ｈｚ工頻軌道電路只能提供“有車”或“無車”兩種信息；而音頻軌道電路除了提供“有車”或“無車”兩種信息外，還可以利用軌道作為傳送載體向列車接收線圈單方向發(fā)送信息，因而采用了無線通信技術(shù)。
音頻軌道電路按發(fā)送信號的類型可分為模擬無絕緣音頻軌道和數(shù)字無絕緣音頻軌道電路。模擬無絕緣音頻軌道電路的載頻采用音頻，調(diào)制頻率代表速度信息，采用超低頻，調(diào)制方式為調(diào)頻。例如上海地鐵一號線采用的是美國ＧＲＳ公司的模擬（無絕緣節(jié)）音頻軌道電路。
２、應(yīng)答器的無線通信技術(shù)
應(yīng)答器分為車載應(yīng)答器和地面應(yīng)答器。地面應(yīng)答器是無源的，其內(nèi)部寄存器按協(xié)議以數(shù)碼形式存放數(shù)據(jù)。當(dāng)列車駛過地面應(yīng)答器，且車載應(yīng)答器與地面應(yīng)答器對準(zhǔn)時，車載應(yīng)答器首先以一定的頻率，通過電磁感應(yīng)方式將能量傳遞給地面應(yīng)答器；地面應(yīng)答器的內(nèi)部電路在接收到來自車上的能量后轉(zhuǎn)換為電源即開始工作，將所存儲的數(shù)據(jù)以移頻鍵控（ＦＳＫ）調(diào)制方式仍通過電磁感應(yīng)傳至車上。例如西門子公司生產(chǎn)的應(yīng)答器通道頻率采用長波和中波，其中１００ＫＨｚ作為能量通道，８５０ＫＨｚ作為信息傳輸通道，５０ＫＨｚ是為增大可靠性而設(shè)置的監(jiān)視通道。歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器通道頻率采用短波，其中能量傳輸頻率為２７．０９５ＭＨｚ，數(shù)據(jù)傳輸載頻為４．２３７ＭＨｚ。
應(yīng)答器是一種點式信息傳輸設(shè)備，主要用于點式列車速度自動控制系統(tǒng)，而在連續(xù)式列車控制系統(tǒng)中，也常被用作列車定位的基本設(shè)備。地面應(yīng)答器有４種類型：區(qū)間→車上，固定數(shù)碼；區(qū)間→車上，用戶編碼；區(qū)間→車上，可控編碼；區(qū)間←→車上，可控編碼。
３、移動閉塞列車控制系統(tǒng)中的無線通信技術(shù)
要實現(xiàn)完全的移動閉塞的列車控制系統(tǒng)，只有采用無線通信技術(shù)建立可靠的、連續(xù)的、多信息量的地面與列車之間雙向的信息傳輸系統(tǒng)，因此采用無線通信技術(shù)建立移動閉塞列車控制系統(tǒng)一直是信號技術(shù)研究的一個方向。
移動閉塞式的信號ＡＴＣ系統(tǒng)不依靠軌道電路，而是采用交叉感應(yīng)電纜、漏纜、裂縫波導(dǎo)管或擴(kuò)頻電臺等通信方式實現(xiàn)“車－地”、“地－車”之間雙向?qū)崟r的數(shù)據(jù)傳輸來檢測列車位置，使地面信號設(shè)備可以得到每一列車連續(xù)的位置信息和列車運行其它信息，并據(jù)此計算出每一列車的運行限制速度，且動態(tài)更新實時發(fā)送給列車，列車根據(jù)接收到的運行限制速度和自身的運行狀態(tài)計算出列車運行的速度——距離曲線，車載設(shè)備保證列車在該曲線下運行。
因此，在保證安全的前提下，能最大程度的提高通過能力。采用通信技術(shù)的移動閉塞系統(tǒng)已處于實用階段，其中利用交叉感應(yīng)電纜方式的移動閉塞系統(tǒng)已有較成熟的使用經(jīng)驗，我國武漢輕軌和廣州地鐵三號線都采用了該系統(tǒng)；采用無線擴(kuò)頻電臺、裂縫波導(dǎo)管等方式的移動閉塞雖然應(yīng)用經(jīng)驗較少，但也有工程實例。
例如：美國ＧＥ公司基于無線通信的ＡＴＣ系統(tǒng)、法國ＡＬＳＴＯＭ公司基于裂縫波導(dǎo)的ＡＴＣ系統(tǒng)以及德國ＳＩＥＭＥＮＳ公司基于環(huán)線的ＡＴＣ系統(tǒng)。
㈡ 通信系統(tǒng)
城市軌道交通列車采用電氣牽引，行車速度高、列車密度大，對于行駛在隧道中的地鐵列車，為了保證行車安全、提高運輸效率和服務(wù)水平，必須建立以列車為主要對象的專用無線通信系統(tǒng)已成為人們的共識。
１、專用無線通信系統(tǒng)
由于興建的時間不同和無線電技術(shù)的不斷發(fā)展，世界各國城市軌道交通專用無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和水平差別很大。完善的專用無線通信系統(tǒng)的功能主要有：通話和數(shù)傳功能，呼叫和報警功能，廣播功能，存儲功能，錄音功能，顯示功能，檢測功能和網(wǎng)管功能等。
但按工作頻道的使用方式來分，可分為專用頻道方案和共用信道方案（集群方案）。
⑴ 專用信道方案
按用途配置頻道，每個頻道只作一種用途，不作它用，即使它處于空閑狀態(tài)，而當(dāng)某一頻道被占用時，全線均不能使用，必須排隊等候。在專用頻道方案和模擬集群方案中，一個頻道只有一個信道，而在數(shù)字集群方案中一個頻道分為多個信道，因此在專用頻道方案和模擬集群方案中頻道即信道，而在數(shù)字集群方案中頻道和信道的概念不同。
專用頻道方案又分為車站臺方案和中繼器方案，車站臺方案還可以分為車站臺轉(zhuǎn)發(fā)方案和中心轉(zhuǎn)接方案，中繼器方案又分為單向中繼器方案和雙向中繼器方案。
專用頻道方案技術(shù)成熟，設(shè)備簡單，成本較低，在子系統(tǒng)和頻道數(shù)少、頻率資源不緊張的情況下，采用專用頻道方案是可行的。例如原北京地鐵一號線、二號線，上海地鐵一號線、二號線都采用了專用頻道方案。
⑵ 集群方案
集群，又稱為共用信道方式。一般它采用設(shè)置一個控制信道和多個通話信道，平時所有用戶均處于控制信道，接收中心對其控制和向中心返回信息，通話時由中心分配一個通話信道，通話結(jié)束后自動返回控制信道。集群方案分為模擬集群和數(shù)字集群，按工作區(qū)域的構(gòu)成分成單區(qū)制和多區(qū)制。由于集群系統(tǒng)采用信道共享及動態(tài)分配信道的技術(shù)，使系統(tǒng)內(nèi)所有信道均忙的概率要遠(yuǎn)小于專用頻道繁忙的概率，這就是說：如果系統(tǒng)容納的用戶數(shù)不變，則呼損率大大減小；反之，如果用戶的呼損率不變，則系統(tǒng)容納的用戶數(shù)大大增加。這就是集群方案較之專用頻道方案最主要的優(yōu)點。另外，還有可靠性、保密性、擴(kuò)容、占用無線電頻率、頻率切換和頻道轉(zhuǎn)換，以及呼叫功能和檢測功能等，前者都優(yōu)于后者。根據(jù)計算，當(dāng)信道數(shù)為３個以上時，集群方案的優(yōu)越性就表現(xiàn)出來。
⑶ 模擬集群方案
話音以３００－３０００Ｈｚ的模擬信號方式傳輸，并且模擬的話音信號對載頻的調(diào)制采用調(diào)頻（調(diào)相）方式，從而實現(xiàn)信道的頻分復(fù)用（ＦＤＭＡ），因而一個載頻只有一個信道，這樣的無線集群方案稱為模擬集群方案，我國通常采用ＭＰＴ１３２７標(biāo)準(zhǔn)。
例如廣州地鐵一號線、上海地鐵三號線都采用了單區(qū)制（大區(qū)制）的模擬集群方案。
⑷ 數(shù)字集群方案
采用低碼率話音編碼方法構(gòu)成數(shù)字的話音信號，話音信號對載頻的調(diào)制采用窄帶數(shù)字調(diào)制，從而實現(xiàn)信道的時分復(fù)用（ＴＤＭＡ），因而一個載頻具有多個信道，并且頻道間隔值保持不變，這樣的無線集群方案稱為數(shù)字集群方案。我國規(guī)定采用ＴＥＴＲＡ集群標(biāo)準(zhǔn)，一個載頻具有４個信道。由于它除了具有模擬集群方式的全部優(yōu)點外，還可以解決模擬集群方式存在的頻率效率低、業(yè)務(wù)單一、不便加密、功能弱等技術(shù)問題，因而在地鐵等城市軌道交通無線通信中具有更加廣闊的應(yīng)用前景。
例如廣州地鐵三號線、北京地鐵八通線和十三號線以及在建的五號線、十號線都采用了中區(qū)制或小區(qū)制的數(shù)字集群方案。
⑸ 單區(qū)制和多區(qū)制集群方案
單區(qū)制：無論車站數(shù)多少，整個無線集群系統(tǒng)作為一個工作區(qū)域，因此又稱為大區(qū)制。
多區(qū)制：整個無線集群系統(tǒng)由多個工作區(qū)域構(gòu)成。為了區(qū)分，當(dāng)每個車站及其管轄區(qū)間為一個工作區(qū)域時，稱為小區(qū)制；當(dāng)幾個車站及其管轄區(qū)間為一個工作區(qū)域時，稱為中區(qū)制。
根據(jù)上述對方案的分析，目前新建城市軌道交通一般采用數(shù)字集群方案，但在特殊情況下或在已建的地鐵中也有采用專用信道方案的。
２、 電波傳播
構(gòu)建一個無線通信系統(tǒng)必須充分考慮電波的傳播問題。當(dāng)城市軌道交通線路位于地面或高架時，電波傳播宜采用高架天線的空間波輻射方式。路徑傳播損耗（即發(fā)射天線輻射功率和接收天線接收功率之差）宜采用奧村模型，合理選擇靈敏度惡化量和系統(tǒng)余量，采用移動通信系統(tǒng)方程，可預(yù)測移動通信的系統(tǒng)參數(shù)，從而在滿足傳播要求的前提下節(jié)省投資。
當(dāng)城市軌道交通線路位于隧道中時，眾所周知，電波在隧道中的傳播特性和自由空間不同，一方面，當(dāng)隧道直線距離短、彎曲多時，直射波傳播有困難；另一方面，由于隧道內(nèi)有吸收衰減和多徑效應(yīng)，使極化紊亂，傳播衰減大大增加。因此為了解決電波在地鐵隧道中的傳播問題，一般都采用沿隧道敷設(shè)平行雙線傳輸線或漏泄同軸電纜。
當(dāng)平行雙線傳輸線外接或感應(yīng)交變電動勢時，沿線產(chǎn)生衰減的交變的電壓波和電流波，使電磁能沿平行雙線傳輸；而交變的電壓波和電流波將產(chǎn)生交變電磁場。因此平行雙線可以將電磁能沿線導(dǎo)向目的地，并且傳輸?shù)哪芰考性谄叫须p線附近空間的電磁場中，解決了電波在隧道中的傳播問題。原北京地鐵一號線就采用了平行雙線傳輸線，應(yīng)用效果還好。但平行雙線傳輸線維修工作量較大，并且只適用于１６０ＭＨｚ頻段，因而當(dāng)一號線改造時，由于工作頻率改為４５０ＭＨｚ頻段，所以改用了漏泄同軸電纜。
所謂漏泄同軸電纜（簡稱漏纜，英文簡寫ＬＣＸ），就是在同軸電纜的外導(dǎo)體上，沿縱向周期性地設(shè)置一定形式的槽孔（例如“八”字槽或縱向槽等），當(dāng)在漏泄同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體之間加上信號電壓時，則在內(nèi)、外導(dǎo)體上將有電流流動。由于在外導(dǎo)體上開有槽孔，電流的分布發(fā)生變化，伴隨著這種變化電磁場將從槽孔中漏泄出來，使得在電纜內(nèi)部傳輸?shù)碾姶拍艿囊徊糠肿鳛殡姴ň鶆虻南蛲獠枯椛�，從而成為一種傳播媒體。由于漏泄同軸電纜克服了平行雙線傳輸線的缺點，因此在隧道中目前都采用漏泄同軸電纜。
目前漏泄同軸電纜在地鐵中的應(yīng)用問題是：采用“八”字槽孔的漏纜廠家每種規(guī)格的漏纜都有幾種不同耦合損耗的產(chǎn)品，而采用雙向縱開槽孔的漏纜廠家，每種規(guī)格的漏纜雖然頻帶很寬（７５Ｍ－２４００Ｍ），傳輸損耗隨頻率增加而增加，而耦合損耗變化不大，對于一確定的頻率只有一種耦合損耗，根據(jù)分析計算，為了使這些廠家的產(chǎn)品更好的在地鐵中應(yīng)用，這些廠家每種規(guī)格的漏纜也應(yīng)能生產(chǎn)多種耦合損耗的產(chǎn)品。
３、城市商用移動通信引入系統(tǒng)
城市商用移動通信與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高密切相關(guān)，因此得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但是，地鐵因其采用高強(qiáng)度、高密度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從而對外部空間電磁波產(chǎn)生了很強(qiáng)的屏蔽作用，形成城市商用移動通信的死區(qū)和盲區(qū)，在相當(dāng)程度上限制了城市商用移動通信的發(fā)展和應(yīng)用。
地鐵建成后必將成為城市交通運輸?shù)拇髣用}，顯然，解決好地鐵內(nèi)城市商用移動通信的引入問題，障礙的城市商用移動通信，必將產(chǎn)生良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
引入系統(tǒng)的種類如下：
·調(diào)頻立體聲廣播：８６～１０８ＭＨｚ；
·寬帶無線尋呼：１３７～２８５ ＭＨｚ；
·中國聯(lián)通ＣＤＭＡ 移動電話：８００ ＭＨｚ頻段；
·中國聯(lián)通ＧＳＭ 移動電話：９００ ＭＨｚ頻段；
·中國移動ＧＳＭ 移動電話：９００ ＭＨｚ頻段；
·中國移動ＧＰＲＳ 移動電話：１８００ ＭＨｚ頻段；
·第三代移動電話：２．１ＧＨｚ頻段；
·多媒體與無線局域網(wǎng)通信：２．４ＧＨｚ頻段；
·公安、消防等特殊性行業(yè)需要引入的系統(tǒng)，頻率與原系統(tǒng)相同。
由于是引入系統(tǒng)，因此控制中心和交換機(jī)仍采用原系統(tǒng)，地鐵只設(shè)基地臺或雙向光纖射頻中繼器，用以增加或擴(kuò)大無線管區(qū)。很顯然，頻道間隔、標(biāo)稱頻率和雙工間隔與原系統(tǒng)相同。目前，北京和廣州地鐵都已實現(xiàn)無線尋呼和移動電話的引入。
㈢ 乘客信息系統(tǒng)
現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)的運營管理越來越注重對乘客的服務(wù)，越來越以對人的服務(wù)為中心。一些著名的地鐵十分注重以為乘客服務(wù)為主要內(nèi)涵的乘客信息系統(tǒng)（Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，以下簡稱ＰＩＳ）的建設(shè)。地鐵運營以車輛為中心的運營模式正在向以乘客服務(wù)為中心的運營模式發(fā)展。
ＰＩＳ采用成熟可靠的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體傳輸、顯示技術(shù)，在指定的時間，將指定的信息顯示給指定的人群。
ＰＩＳ在正常情況下，可提供列車時間信息、政府公告、出行參考、股票信息、媒體新聞、廣告等實時多媒體信息；在火災(zāi)、阻塞及恐怖襲擊等情況下，提供動態(tài)緊急疏散指示。使地鐵車輛高效、安全地運營。目前我國的香港、上海、深圳、廣州等城市地鐵已經(jīng)設(shè)置了該系統(tǒng)。
為了建成完善的乘客信息系統(tǒng)，除了需建立中心至車站的有線網(wǎng)絡(luò)外，還需要建立車站與列車之間的無線網(wǎng)絡(luò)，以雙向傳輸各種ＰＩＳ信息。目前采用的方案有三種：
⒈借用或單設(shè)漏泄同軸電纜，傳輸４５０ＭＨｚ城市移動數(shù)字電視等ＰＩＳ信息給列車視頻接收機(jī)。
⒉采用無線局域網(wǎng)（ＲＬＡＮ）技術(shù)，車站設(shè)大功率無線接入點設(shè)備（ＡＰ）和隧道天線，列車設(shè)無線局域網(wǎng)單元，在場強(qiáng)覆蓋范圍可實現(xiàn)各種ＰＩＳ信息的傳輸。
⒊采用無線局域網(wǎng)（ＲＬＡＮ）技術(shù)，區(qū)間每隔一定距離（例如２００米）設(shè)無線接入點設(shè)備（ＡＰ），列車設(shè)無線局域網(wǎng)單元，在整個隧道都可實現(xiàn)各種ＰＩＳ信息的傳輸。
第２和第３種方案，采用２．４ＧＨｚ頻段，需滿足ＩＥＥＥ８０２．１１有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且可用于地區(qū)和高架線路。目前上海地鐵采用了第２種方案，有成功應(yīng)用的經(jīng)驗。第３種方案北京地鐵五號線正考慮采用。
面對巨大的市場，在軌道交通管理和運營自動化發(fā)展方面，無線通信技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用將更加廣泛，必然會取得更好的業(yè)績。當(dāng)然目前還存在不少新的技術(shù)問題，例如目前地鐵中除了原有的專用無線通信系統(tǒng)外，還有各種各樣的城市商用移動無線通信系統(tǒng)引入，以及信號和乘客信息系統(tǒng)的無線系統(tǒng)。在這樣一個狹小的空間，同時存在幾乎無線電各種頻段的無線通信系統(tǒng)，必然大量產(chǎn)生各種各樣的無線電頻率干擾。因此，如何減少和避免這種無線電頻率干擾，不但具有理論的意義，而且具有工程的價值，需要認(rèn)真加以研究和進(jìn)行試驗。 |