城市軌道交通信息通信系統(tǒng)技術(shù)

　　摘　要　針對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn),介紹了城市軌道交通信息通信系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)技術(shù),包括: 傳輸系統(tǒng),公務(wù)電話系統(tǒng),專用電話系統(tǒng),廣播系統(tǒng),電視監(jiān)控系統(tǒng),電源系統(tǒng),時(shí)鐘系統(tǒng),無(wú)線通信系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞　城市軌道交通,信息通信系統(tǒng),信息傳輸系統(tǒng)
城市軌道交通信息通信系統(tǒng)是直接為軌道交通運(yùn)營(yíng)和管理服務(wù)的,是指揮列車運(yùn)行、進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理、公務(wù)聯(lián)絡(luò)和傳遞各種信息的重要手段,是保證列車安全、快速、高效運(yùn)行的不可缺少的綜合系統(tǒng)。它主要由以下分系統(tǒng)組成:傳輸系統(tǒng)、公務(wù)電話系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)和無(wú)線通信系統(tǒng)。這是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng),各個(gè)部分互相結(jié)合、協(xié)調(diào),以完成具體的功能。現(xiàn)代城市軌道交通之所以具有快捷、高效、可靠、安全等眾多的優(yōu)點(diǎn),是與完善而先進(jìn)的通信系統(tǒng)分不開(kāi)的。城市軌道交通信息通信系統(tǒng)將向兩個(gè)方向發(fā)展:一是寬帶化趨勢(shì)。為了提高各種業(yè)務(wù)的質(zhì)量,勢(shì)必要增加帶寬。二是各種新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。為了不斷完善城市軌道交通的服務(wù),相應(yīng)功能的分系統(tǒng)將不斷融合入現(xiàn)有城市軌道交通信息通信系統(tǒng)中。本文將依次對(duì)城市軌道交通信息通信系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行闡述,并分析其技術(shù)構(gòu)成和發(fā)展趨勢(shì)。
1 　傳輸系統(tǒng)
傳輸系統(tǒng)是城市軌道交通信息通信系統(tǒng)的核心,它負(fù)責(zé)為各種應(yīng)用業(yè)務(wù)提供通道。軌道交通系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)包括:語(yǔ)言、數(shù)據(jù)和圖像。不同業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)的帶寬、時(shí)延、可靠性等各不相同,這就要求傳輸系統(tǒng)有足夠的靈活性和可靠性以保證各種業(yè)務(wù)的順利完成。業(yè)務(wù)按不同的類型可分為:車站-中心業(yè)務(wù)和鄰站業(yè)務(wù)兩種。
在軌道交通系統(tǒng)中,需要通信業(yè)務(wù)的一般是控制中心、車場(chǎng)和各個(gè)車站。由于車場(chǎng)和車站業(yè)務(wù)比較相似,可將其歸為同一類業(yè)務(wù)。具體業(yè)務(wù)流程如圖1 。

圖1 　通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程示意圖
圖1 是邏輯上的業(yè)務(wù)流程示意圖。在物理上為了保證傳輸系統(tǒng)的安全可靠,須采取環(huán)形組網(wǎng)的方案,以利于自動(dòng)保護(hù)的需要。這樣,控制中心連同所有的車站和車場(chǎng)組成一個(gè)自愈環(huán),即使某段光纖壞掉,也可保證業(yè)務(wù)在備用通道上正常進(jìn)行。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制如圖2 。圖中,傳輸環(huán)一般有兩個(gè)光纖環(huán)組成,當(dāng)一個(gè)環(huán)中斷時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)跳到另一個(gè)環(huán)上, 即圖a 情形;而當(dāng)兩個(gè)環(huán)在同一個(gè)地方斷開(kāi)時(shí),則兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)打環(huán),形成如圖b 的通路。
城市軌道交通信息通信系統(tǒng)可分為兩部分:傳輸部分和接入部分。其模型如圖3 。其中,傳輸層只負(fù)責(zé)提供各種通道,保證各種業(yè)務(wù)能安全可靠的從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn);接入層需完成業(yè)務(wù)的接入和業(yè)務(wù)的匯聚兩個(gè)基本功能;然后把匯聚好的業(yè)務(wù)交由傳輸節(jié)點(diǎn)完成傳輸。 技術(shù)將會(huì)在未來(lái)的城市軌道交通信息通信系統(tǒng)中被采用。
(1) 千兆以太網(wǎng)技術(shù)( GE) 。GE 與以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)兼容。GE 的實(shí)施具有直接、快速和千兆位的特點(diǎn),設(shè)備便宜,傳輸距離長(zhǎng),可以滿足城市軌道交通通信系統(tǒng)組網(wǎng)的要求[2 ] 。同時(shí),原來(lái)以太網(wǎng)的不足,如多媒體應(yīng)用無(wú)QoS 、多鏈路負(fù)載分享、

圖2 　通信系統(tǒng)環(huán)形組網(wǎng)方案虛擬網(wǎng)等,隨著新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)已經(jīng)和正在得到解決。10 Gbit 以太網(wǎng)的出現(xiàn)和成熟也為GE 的升級(jí)擴(kuò)容提供了強(qiáng)有力的支持。
(2) CWDM (粗波分復(fù)用) 技術(shù)。DWDM 技術(shù)已經(jīng)成為大容量電信骨干網(wǎng)的首選,其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、大容量、易擴(kuò)容等。而且隨著DWDM 技術(shù)

圖3 　城市軌道交通信息通信系統(tǒng)模型圖的成熟和廣泛使用,它的價(jià)格也將逐步降低,其性
傳輸系統(tǒng)作為整個(gè)通信系統(tǒng)的核心部分,它的價(jià)比將更具優(yōu)勢(shì)。所以,當(dāng)未來(lái)城市軌道交通通信技術(shù)選擇十分重要。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,用帶寬需求進(jìn)一步提高的時(shí)候,DWDM 技術(shù)將是很于城市軌道交通的傳輸技術(shù)也不斷的更新?lián)Q代,尤好的方案。同時(shí),由于考慮到城市軌道交通通信的其近幾年通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,為傳輸技術(shù)的選擇實(shí)際需要, 可以選擇成本更低, 使用更可靠的了提供了更廣闊的范圍。我國(guó)現(xiàn)在使用的各種傳CWDM 技術(shù)。CWDM 的特點(diǎn)是波長(zhǎng)數(shù)量較少(一輸技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1 。般在4～12 波),波長(zhǎng)間隔較大,價(jià)格便宜[3 ] 。最但是,隨著通信新技術(shù)的涌現(xiàn)和成熟,隨著軌后,隨著各種新興的電信技術(shù)的涌現(xiàn)和采用,城市道交通新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和帶寬需求的上升,以下幾種軌道交通信息通信也完全可以借鑒和運(yùn)用。
表1 　各種傳輸方式的比較

2 　公務(wù)電話系統(tǒng)
城市軌道交通信息通信系統(tǒng)公務(wù)電話子系統(tǒng), 是軌道交通運(yùn)營(yíng)控制的重要通信工具。一般公務(wù)電話系統(tǒng)根據(jù)軌道交通的規(guī)模具有不同的容量。通常情況而言,一個(gè)車站基本上為一個(gè)2Mbit 通路(30 個(gè)電話) 。公務(wù)電話系統(tǒng)可設(shè)1～2 個(gè)交換局, 通常交換機(jī)置于控制中心,各個(gè)車站通過(guò)遠(yuǎn)端模塊實(shí)現(xiàn)電話的接入。此時(shí),需應(yīng)用傳輸系統(tǒng)提供的2Mbit 通道。
公務(wù)電話系統(tǒng)通過(guò)2Mbit 中繼線接入市局,并從中獲取時(shí)鐘。呼出可采用全自動(dòng)DOD1 方式,呼入采用部分全自動(dòng)直撥DID 、部分采用半自動(dòng)接續(xù)BID(人工/ 自動(dòng)話務(wù)員) 的混合進(jìn)網(wǎng)中繼方式或其它方式。考慮到與其它城市軌道交通系統(tǒng)的互連, 可采取2Mbit 中繼線連接的方式,為解決信令不一致可增加網(wǎng)關(guān)設(shè)備。近幾年,交換機(jī)已趨于成熟, 公務(wù)電話系統(tǒng)的選擇余地十分寬廣,但要注意選擇穩(wěn)定可靠、擴(kuò)容方便的交換機(jī),以適應(yīng)軌道交通的高速增長(zhǎng)和話務(wù)量及其它業(yè)務(wù)上升需求。同時(shí),也可考慮選擇合適的電信運(yùn)營(yíng)商,由公共通信網(wǎng)以虛擬網(wǎng)方式解決,以節(jié)省建設(shè)投資與運(yùn)營(yíng)成本。
公務(wù)電話子系統(tǒng)還兼有其自身的特點(diǎn) 區(qū)間電話設(shè)置。區(qū)間電話用于列車司機(jī)或維修人員與有關(guān)單位進(jìn)行聯(lián)系及一般通話用。每隔300 m 左右設(shè)置一臺(tái)戶外電話機(jī),1～3 臺(tái)話機(jī)使用一個(gè)用戶號(hào)碼。軌道兩邊各敷設(shè)一條電纜,每3 個(gè)電話使用同一對(duì)線,同一個(gè)號(hào),電話采用熱線方式。
3 　專用電話系統(tǒng)
專用電話子系統(tǒng)是調(diào)度員和車站(車場(chǎng)) 值班員指揮列車運(yùn)行和指導(dǎo)設(shè)備操作的重要通信工具。行車調(diào)度直接關(guān)系到行車安全,需要設(shè)備高度安全可靠,操作方便快捷。專用電話系統(tǒng)由調(diào)度電話系統(tǒng)、站間電話系統(tǒng)、站內(nèi)集中電話系統(tǒng)、緊急電話系統(tǒng)、市內(nèi)直線電話等組成。調(diào)度電話系統(tǒng)中又分為:列車調(diào)度電話系統(tǒng),用于控制中心列車調(diào)度員與各車站、車場(chǎng)值班員及行車業(yè)務(wù)直接有關(guān)的工作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò),并可兼管防災(zāi)調(diào)度系統(tǒng);電力調(diào)度電話系統(tǒng),用于控制中心電力調(diào)度員與各主變電站、牽引變電所、降壓變電所等處工作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò);公安調(diào)度電話系統(tǒng),構(gòu)成公安指揮中心值班員與各車站(場(chǎng)) 警務(wù)值班室警官之間的直接通信聯(lián)絡(luò),調(diào)度臺(tái)一般設(shè)在控制中心內(nèi)。站間電話是直接為行車服務(wù)的,要求能及時(shí)、迅速溝通相鄰兩車站的通話。相鄰兩車站值班員之間通話利用交換系統(tǒng)的熱線功能提供,用戶摘機(jī)即能及時(shí)、迅速溝通兩車站值班室,站間電話由車站電話總機(jī)完成。站內(nèi)集中電話類似調(diào)度電話系統(tǒng),總機(jī)設(shè)在車站控制室,采用多功能數(shù)字電話機(jī),分機(jī)設(shè)置在車站值班員所控制的部門,采用模擬電話機(jī),系統(tǒng)功能由調(diào)度交換機(jī)及站內(nèi)集中機(jī)功能來(lái)完成。緊急電話是在緊急狀態(tài)下供乘客或車站工作人員使用, 每臺(tái)電話都設(shè)置成熱線電話,用戶摘機(jī)即連接至車控室值班員數(shù)字話機(jī)上。在主變電所、控制中心至供電局調(diào)度之間可設(shè)置專線直通錄音電話。在每個(gè)車站站長(zhǎng)室和警務(wù)室各設(shè)置市內(nèi)直線電話,控制中心和派出所設(shè)置市內(nèi)直線電話。
專用電話系統(tǒng)由樞紐主系統(tǒng)和車站分系統(tǒng)兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成。樞紐主系統(tǒng)和車站分系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字傳輸設(shè)備提供2Mbit 數(shù)字通道,將調(diào)度電話、站間電話、站內(nèi)集中電話和緊急電話等業(yè)務(wù)綜合起來(lái), 便于安裝、調(diào)試、使用、維護(hù)和管理。2Mbit 數(shù)字通道同樣由傳輸系統(tǒng)提供,考慮到專用系統(tǒng)的小容量特點(diǎn),為了節(jié)約帶寬,可采用多個(gè)車站組成一個(gè)2Mbit 環(huán)合用一個(gè)2Mbit 通道的方案。
4 　廣播系統(tǒng)
廣播系統(tǒng)采用二級(jí)廣播控制方式,由控制中心一級(jí)和車站一級(jí)組成。一般分為三個(gè)部分:控制中心廣播系統(tǒng),車站廣播系統(tǒng)(可根據(jù)實(shí)際需要連接多個(gè)車站子系統(tǒng)),停車場(chǎng)廣播系統(tǒng)。控制中心通過(guò)綜合接入系統(tǒng)提供的RS 422 或RS 485 通道與車站廣播系統(tǒng)互連。一般情況下,廣播業(yè)務(wù)為中心到車站的點(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù),而中心對(duì)車站系統(tǒng)的監(jiān)控維護(hù)通道則為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù)。
控制中心行車調(diào)度員和環(huán)控調(diào)度員可對(duì)全線各站進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)及選站和選區(qū)廣播。當(dāng)軌道交通發(fā)生故障或?yàn)?zāi)害時(shí),廣播系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為搶險(xiǎn)通信設(shè)備。停車場(chǎng)廣播系統(tǒng)由值班員、運(yùn)轉(zhuǎn)值班員和檢修庫(kù)值班員向工作人員播放車輛調(diào)度、列車編組等有關(guān)作業(yè)音訊。
車站廣播系統(tǒng)由控制中心的總調(diào)、列調(diào)、防災(zāi)調(diào)(列調(diào)兼) 和各車站的正副值班員使用,為旅客播放列車到發(fā)信息、導(dǎo)向信息及緊急狀態(tài)信息等服務(wù)音訊,為工作人員播放作業(yè)命令及管理音訊。車站廣播區(qū)分為上行站臺(tái)、下行站臺(tái)、售票區(qū)、站廳、出入口和辦公區(qū)等。車站行車值班員和環(huán)控值班員可通過(guò)廣播控制臺(tái)對(duì)本站區(qū)進(jìn)行選區(qū)廣播或全站廣播。
5 　電視監(jiān)控系統(tǒng)
閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)作為一種圖像通信,具有直觀、實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)視、記錄和跟蹤控制等獨(dú)特功能,是通信指揮系統(tǒng)的重要組成部分,具有其獨(dú)特的指揮和管理效能,已成為城市軌道交通實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)度和管理的必備設(shè)施[ 5 ] 。
軌道交通電視監(jiān)控系統(tǒng)為二級(jí)結(jié)構(gòu),分為車站一級(jí)監(jiān)視和中心一級(jí)監(jiān)視。車站攝像機(jī)輸出的圖象信號(hào)分成兩路,一路送車站控制器,車站值班員可選擇本站不同位置攝像機(jī)的圖像。另一路送車站前端處理機(jī)進(jìn)行圖像編碼、壓縮,然后經(jīng)傳輸系統(tǒng)送至控制中心,在控制中心解碼后送至圖像監(jiān)視器。控制中心行車調(diào)度員可選擇任一車站的任何一個(gè)攝像機(jī)的圖像信號(hào),也可將車站幾路圖像信號(hào)送至控制中心。彩色圖像信號(hào)的傳送一般采用MPEG-2 圖像編碼技術(shù)。
電視監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸為不對(duì)稱傳輸,車站到中心傳輸圖像信息,需要大帶寬(2～6Mbit) ;而中心到車站,只發(fā)送控制命令(圖像選取和攝像機(jī)控制命令),為低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),只需采用RS 422/ RS 485 通道即可。充分考慮到圖像業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)寬帶性質(zhì), A TM 技術(shù)是目前最佳的傳輸機(jī)制,采用A TM 作為傳輸媒介傳輸數(shù)字視頻,可以利用A TM 按需分配帶寬、按需連接的特點(diǎn),在保證圖象質(zhì)量(QoS) 的情況下,大大節(jié)省所占帶寬[ 1 ] 。
6 　電源系統(tǒng)
電源系統(tǒng)是保證通信系統(tǒng)正常工作的必要條件,因此通信電源必須安全可靠。電源系統(tǒng)由配電設(shè)備、整流設(shè)備和蓄電池組成。系統(tǒng)配置不間斷電源(U PS) 交流供電設(shè)備,為各自動(dòng)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)提供不間斷220 V 交流電壓。U PS 的工作原理為:同時(shí)有兩路市電輸入,取其一路,當(dāng)該路出現(xiàn)故障時(shí),自動(dòng)切換至另一路;當(dāng)兩路都出現(xiàn)故障時(shí),啟動(dòng)蓄電池繼續(xù)供電。
整個(gè)電源系統(tǒng)設(shè)有電源集中監(jiān)控。在控制中心,所有U PS 將通過(guò)傳輸系統(tǒng)的低速數(shù)據(jù)通道進(jìn)行信號(hào)傳輸,監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)也將通過(guò)傳輸系統(tǒng)的低速數(shù)據(jù)通道進(jìn)行信號(hào)采集,在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上裝有軟件,可實(shí)時(shí)監(jiān)控到當(dāng)前各個(gè)站點(diǎn)U PS 的狀態(tài)及使用情況。各站點(diǎn)使用現(xiàn)場(chǎng)的U PS 和開(kāi)關(guān)電源一旦發(fā)生故障,警鈴將提醒現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)人員進(jìn)行及時(shí)的處理,同時(shí)在監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)上同樣可看到輸出故障的警告顯示。
7 　時(shí)鐘系統(tǒng)
為了統(tǒng)一整條城市軌道交通系統(tǒng)的時(shí)間,通信系統(tǒng)設(shè)有專門的時(shí)鐘系統(tǒng)。時(shí)鐘系統(tǒng)由GPS 全球衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間接收單元、主控母鐘、各站輔助母鐘、子鐘及傳輸設(shè)備組成。主、備GPS 信號(hào)接收機(jī)向中心母鐘提供同步時(shí)鐘源。當(dāng)GPS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障,還可以使用高精度的晶振供時(shí)鐘源。主控母鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)通過(guò)接入網(wǎng)提供的低速數(shù)據(jù)信道(RS 422/ RS 485) 傳給各站輔助母鐘,以供車站各系統(tǒng)和子鐘的使用。中心母鐘產(chǎn)生精確的標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)間碼,通過(guò)傳輸網(wǎng)提供給通信傳輸系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)、調(diào)度電話系統(tǒng)、公務(wù)電話系統(tǒng)、有線廣播系統(tǒng)、電視監(jiān)視系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、售檢票系統(tǒng)、防災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)等。
8 　無(wú)線通信系統(tǒng)
無(wú)線通信系統(tǒng)為行車調(diào)度員與司機(jī)、車站值班員與司機(jī)、司機(jī)與司機(jī)以及公安、環(huán)控、維修等用戶提供移動(dòng)通信手段。無(wú)線通信將主要采用數(shù)字集群式調(diào)度系統(tǒng),信道集中控制方式。集群式調(diào)度系統(tǒng)由移動(dòng)交換控制器、基站、中繼器、漏泄同軸電纜、車載臺(tái)、便攜臺(tái)和有線傳輸通道組成,可采用單基站大區(qū)制或多基站小區(qū)制。無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)分為行車調(diào)度、環(huán)控調(diào)度、公安調(diào)度和維修調(diào)度等通話組。組間不能交叉呼叫,各組享有不同的優(yōu)先權(quán), 不同的無(wú)線用戶也擁有不同的優(yōu)先權(quán)。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　Timothy Kwok. A TM The Paradigm for Internet , Intranet , and Residential Broadband Services and Application. Prentice Hall PTR , 1998
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4 　肖雅君,吳汶麒. 用于軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信技術(shù). 城市軌道交通研究,2002 , (2) :59
5 　楊磊,李峰. 閉路電視監(jiān)控系統(tǒng). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999 。