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地铁通信系统的应用分析
赵军锋1 赵景召2南水北调中线工程建管局河南直管局，郑州450018；河南有线电视网络集团有限公司郑州分公司，河南 郑州450002 摘要：
本文主要在地铁通信系统具体实现时，对传输技术的选择、无线通信的实现、电源负荷的规划、环境监控和控制等问题进行分析。随着通信技术的发展和城市轨道交通的快速建设，地铁通信网要用新型、可靠、经济的通信技术，来实现地铁通信业务的需求，本文也对地铁通信新技术和方案的选择做了分析。
关键词：远期负荷 集中智能监控 MSTP RPR 车地无线通信 中图分类号：TN914
Application and analysis of the Metro Communication System Zhao Junfeng 1 Zhao Jingzhao 2 Zhu Daijie 3 1 Middle route of South-to-North Water Transfer Project Construction and Managemeng Bureau
of Henan straight Bureau ,Zhengzhou 450018 2 Henan cable TV network group Co., LTD.Of Zhengzhou branch, Zhengzhou city, Henan province 450002.Abstract:
In this paper, we mainly introduce how to choose the transmiion technology, realize the wirele communications, plan the power load, and monitor and control the environment when the concrete realization of communication systems in the subway.Subsequently, we also analysis the choice of the new communication’s technologies and programs.Keywords： Forward load Focus on intelligent control Multi-Service Transfer Platform Resilient Packet Ring Vehicle to wirele communications 一：引言
地铁是现代社会一种快捷、安全、舒适、节能、环保的公共交通工具，全国很多大城市已经向国家申报建设地铁，有十几个城市都得到了国家的批准。地铁通信系统保证地铁高效运输和安全运行，满足现代化和传输语音、数据、图像、多媒体和文字等各种信息的需求，主要为列车自动监控ATS（automatic train supervision）、综合监控系统ISCS(Integrated Supervisory Control System，)、自动售检票AFC（Automatic Fare Collection）、乘客信息系统PIS（Paenger Information System）、列车自动控制CBTC（Communication Based Train Control System）、防灾报警AFS（:Attribute Forecasting System）、电源监控SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）等子系统提供可靠的通信网。地铁通信系统是轨道交通的控制、联络、监控、运行的重要环节，虽然经过专家们的各种设计规划，已经建成地铁的城市在实际应用中还是遇到了不同问题，下面是对通信系统的应用做一些分析。二：地铁通信系统组成及应用分析
通信系统是由传输系统、无线通信系统、公务和专用电话系统、广播和闭路电视监控系统、时钟与同步系统、电源及接地系统、防灾报警系统、环境与监控系统、自动售票系统、办公自动化系统、列车运行控制系统、乘客信息系统等很多子系统组成（图1城市轨道交通通信系统）。不同城市的地铁规划发展不一样，通信系统的实际情况也不一样，根据北京、上海、天津等大城市已经建成地铁系统的实际情况，对地铁通信系统的传输系统、无线通信系统、动力配套系统、环境与监控系统应用做了分析。
无线调度公务电话闭路电视通信电源子系统通信广播调度电话站内电话列车自动监控机电设备监控时钟电信u94f6行等第三方租用电力监控自动售检票防灾报警通信传输系统门禁办公自动化CBTCPIS系统图1 城市轨道交通通信系统
2．1地铁通信系统的传输系统
当前通信技术发展情况来看，主要的传输技术有：多业务传输平台MSTP（Multi-Service Transfer Platform）,千兆/万兆以太网、异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）、开放式传输网络OTN(Optical Transport Network）和弹性分组环技术RPR（Resilient Packet Ring)。根据地铁通信系统的业务要求，主要是传统的TDM（Time Division Multiplexing）电话业务和以太网业务。根据地铁的业务需求，轨道交通已经在用的主要是SDH、SDH+ATM、OTN、MSTP等传输技术，这儿主要介绍多业务传输平台MSTP和弹性分组环技术（RPR）。
基于SDH的多业务传输平台是因为，MSTP传输技术是在SDH（Synchronous Digital Hierarchy）基础上开发的，是面向基础电路连接的时分复用TMD技术，这个主要是用于传输语音业务，为了满足更多业务传输的需求，MSTP在原来SDH功能的基础上开发了EoS(Ethernet over SDH)、AoS（ATM over SDH）两大核心处理功能，采用通用成帧规程GFP(Generic Framing Procedure)、VC级联
[4](Virtual Container)、链路容量调整机制LCAS(Link Capacity Adjustment Scheme)等技术，以宽带为开放平台，承载语音、文字、数据、图像等业务，实现多业务在单一平台设备上接入、数据交叉、映射、传输等功能，它将传统的SDH复用器、数字交叉链接器DXC（Digital Cro Connect）、WDM终端(Dense Wavelength Division Multiplexing)、网络二层交换机和IP(Internet Protocol）边缘路由器等多个独立设备集成为一个网络设备。经过不断的发展，MSTP已经发展成为集PDH、SDH、ATM、RPR、以太网等技术于一体，能从2M到10G速率的业务通过各级VC复用而成，并且内嵌RPR设备的二层交换机功能，MSTP设备通过多业务汇聚方式实现多业务综合传送和接入的技术。但是，MSTP尽管能提供各种功能，它还是基于SDH为基础开发的一种技术，仍是基于TDM时分复用应用的技术，有严格的时隙通道和带宽，不能动态的分配信道的带宽，不能满足“突发业务”特点的数据业务要求。
弹性分组环(RPR)是一种新的MAC层协议，是为优化数据包的传输而提出的，它不仅有效地支持环形拓扑结构、在光纤断开或连接失败时可实现快速恢复，满足50ms倒换保护功能，而且具备数据传输的高效、简单和低成本等典型以太网特性。RPR因拥有1:3预订(over-subscription)、空间复用、均衡、双环工作、多点传送等技术，与单纯基于SDH的MSTP技术组网相比有带宽效率上的优势。弹性分组环技术RPR,一种以IP数据业务为核心新开发出的光传输技术，它技术先进、互联方便、组网灵活，在网络可靠性、可管理性、支持传统业务等方面都有优势，现已经在电信运营商中广泛的应用。RPR采用环形组网技术，将语音、数据、图像业务综合于一体，并解决了QoS（Quality of Service）分类、环网保护等问题，它具备千兆以太网的可扩展性、灵活性和经济性的特点，同时还具有空间复用机制SRP（Spatial Reuse Protocol）,也就是在分组环路上，能多个节点成多段同时传送数据，而且不互相影响；以及50ms（自动保护倒换的测试时间）环自愈保护特性，并具有网络拓扑自动发现、公平分配、环路带宽共享、业务分类等技术优势。但是RPR技术的不足之处在于它产生的原因是为数据业务提供的解决方案，对以TMD为基础的语音电路业务的支持功能不强。
综上所述，MSTP具有承载传统TMD语音电路业务和数据的功能，但是承载数据业务的能力一般，不能动态的分配信道的带宽；RPR也具有承载TMD业务、数据业务和视频业务的功能，但是承载传统TMD业务能力一般，上述两种技术有很强的互补性。在地铁通信系统传输实现中，天津市地铁1、2号线传输网用的是SDH+ATM方案，是由上海贝尔公司提供的传输设备和传输解决方案；广州地铁传输网采用是西门子公司的OTN开发式光传输网技术；上海地铁11号线用的传输是MSTP解决方案。ATM应用的是异步传输模式，ATM常用于组建宽带骨干网。ONT开放式光传输网技术是企业内部规范，是一种非标准的传输网制式，不同的通信企业有不同的解决方案，造成后续地铁建设通信网的不兼容性。根据其他大城市的地铁传输网的实现方案和地铁通信业务的要求，传统TMD业务仍然有一定的份额，而且是保障列车运行、通信畅通的主要业务，同时随着业务发展，数据、图像、视频等综
[4]合业务的需求，MSTP和RPR两种技术在实际应用中有很强的互补性，在技术上、经济上、组网灵活性都有很好的体现，就其应用前景来说是优秀的解决方案。2.2地铁通信系统的车地无线通信系统
地铁无线通信系统为行车调度与司机、车站值班与司机、司机与司机以及公安、环境控制、维修、消防应急等用户提供移动通信手段。无线调度系统分为行车调度、环境控制调度、公安调度、车辆段站调度、维修调度等无线通信组，组间不能交叉呼叫，各组享有不同的优先权，不同的无线用户也拥有不同的优先权。基于无线通信的乘客信息系统PIS，是依托无线通信网络技术，以计算机系统为核心，以车站和车载显示终端为媒介向乘客提供信息服务的系统，使乘客通过正确的服务信息引导，安全、便捷地乘坐轨道交通。另外，近期新开发的基于无线通信的列车运行控制系统CBTC，CBTC是传统铁路信号系统的现代接班人，它集两项现代尖端科技——无线电通信技术和自动化控制技术，是基于无线通信的列车自动控制系统。列车上将不设驾驶员，依靠“CBTC”，其他系统发生故障，也会向列车发出安全指令，它的特点是用无线通信媒体来实现列车和地面设备的双向通信，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制。
地铁信号系统的车—地通信大量采用无线通信技术。信号系统是关系行车安全，保证车—地通信的可靠性、实时性的关键无线通信技术。选择可靠的无线通信方案是无线信号控制的根本。目前从业务需求的角度CBTC信号系统带宽需求为100Kbps级, PIS系统中的下行流的带宽需求为10Mbps级，针对车载监控业务的上行带宽为Mbps级。从通信技术发展的角度出发,主要呈现了平台化、宽带化方向的发展趋势。从目前无线通信技术的角度出发,主要有TETRA（TErrestrial Trunked RAdio）、3G、WiMAX（Worldwide interoperability for Microwave Acce）、WLAN（Wirele Local Area Networks）、GSM-R（GSM for Railways）、TRainComR无线电系统、DVB-T(Digital Video Broadcasting)、Mesh无线网格网络等技术。我国地铁宽带无线通信技术常用的有TETRA、WLAN、WIMAX等三种技术。目前，轨道交通信号CBTC系统和PIS系统都采用IEEE802.11无线标准，WLAN无线标准5.8G ISM IEEE802.11a支持的最大速率为54Mbps，WLAN无线标准5.8G ISM IEEE802.11g支持的最大速率为54Mbps，WLAN无线标准2.4G ISM（Industrial Scientific Medical)IEEE802.11b支持的最大速率为11Mbps。WLAN无线传输标准能满足CBTC系统和PIS系统的传输速率要求。近期的地铁无线通信网络建设中，主要应用CBTC系统和PIS系统的有广州4号线、北京10号线，WLAN在5.8G ISM IEEE802.11a、2.4G ISM IEEE802.11b、5.8G ISM IEEE802.11g无线标准组成的无线局域网，都能满足地铁在10KM/h运行状态下的数据传输要求，可以实现地铁车地之间的双向高速传输通信。但是，如果在同一轨道交通线上，如果CBTC系统和PIS系统无线通信同时应用一个标准协议IEEE802.11g，要考虑无线信号干扰问题，由于信号系统是保证地铁安全运行的根[5]本，应考虑两个信号控制系统分配不同的信道来考虑整个地铁无线通信网的建设。2.3地铁通信系统的动力配套系统
地铁供电系统由外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统等五部分组成。通信系统所用的电源与接地系统是在动力照明供电系统内独立的供电设备，并且具有集中监控功能。通信系统的动力电源是地铁供电系统的一级负荷里特别重要的部分，它应该保证对通信设备不间断、无瞬变的供电，满足通信设备对电源系统的要求。供电系统分为直流供电和UPS（Uninterruptible Power Supply），直流供电是由电池组、开关电源、交流配电屏、直流配电屏组成（图2：通信电源组成图）。506000A的平滑扩容AC输出整流模块整流模块整流模块RS485/RS422防雷与接地监控模块RS485/RS42248VDC24VDC交流AC 输入配电ACIIACI直流配电负载电池组I 电池组II 图2 通信电源组成图
直流供电的容量应该按远期负荷配置。地铁的通信机房内，除有地铁运营系统内部所需的通信设备外，还有考虑外租给中国移动、中国电信、中国联通等运营商无线通信设备的用电。交流不间断电源UPS容量也应考虑一些远期的负荷要求，以及地铁运行监控系统、计算机终端、银行多媒体终端和广告等。实际通信机房供电应用中，会出现很多问题，因为在地铁通信机房设计时，设计人员时根据地铁通信设备要求来设计的，但是实际需求的变化与增加，有很多变化，比如：移动运营商的无线基站设备，华为、爱立信、诺基亚、贝尔的基站设备的功耗大约是1500瓦到2600瓦之间，部分摩托罗拉、中兴、西门子基站设备的功耗要大于3000瓦，而且三家运营商包括GSM（Global System for Mobile communication）和3G(3rd-generation)共有5套基站设备的功耗，还有配套的传输设备等，这些实际出现的功耗都要在建设时考虑在内。基于用电安全，远期负荷（近期负荷指5年内）应按实测功耗平均值的基础上乘以1.2的安全系数。
为了更好的保证地铁通信系统用电安全，建议给其他租用单位供电设备单独建设。单独从开关电源引出一个直流配电屏，从交流不间断电源引出一个交流配电屏，专门供地铁运营公司以外的其他租用单位使用，这样可以避免外用单位因为维护或作业操作可能对地铁运营造成安全隐患，同时可以根据相关设备建设成本向第三方租用单位谈判收取租金或费用。我单位承担过天津网通公司的地铁小灵通无线信号覆盖工程，因为用电问题和天津地铁运营公司协商多次，最后的解决方案是天津网通公司自购小型交流屏，由地铁运营单位电力工作人员监督配合下引用地铁内的市电，才使天津网通公司的小灵通无线设备得以加电运行。由以上的思路方法，可以解决类似与北京、天津等部
[1]分城市因为电信运营商地铁入场费谈不拢或用电难的问题。其他租用内容如通信机房和通信光缆等可以参考此建议。
2．4 地铁通信系统的机房环境与监控系统
地铁通信机房环境与监控是地铁环境与监控系统的一个子系统，地铁通信电源系统由交流配电屏、不间断电源UPS、高频开关电源、蓄电池组、电源监控SCADA、机房环境监控等子系统构成。由于电源室和通信机房均无人值守,有些城市地铁为方便管理,将轨道交通监控上的电源和环境监控结合起来,设置车站环境监控系统,由控制中心对各车站通信机房实施集中智能监控。智能集中监控系统主要对低压配电柜、UPS输出的各项参数,通信机房和电源机房的空调、温度、湿度、水浸、门禁、非法入侵等进行监控，以及电池组和开关电源的交流配电，直流配电、整流模块，等进行监控，有效的控制机房环境。另外，采用智能集中监控系统，将传输网故障、空调运行、电源运行、环境监控等进行集中智能监控，并将故障信息存入数据库，并对各类故障信息进行打印、统计、分析等，而且便于维护人员及时处理故障，还能对信息进行分析总结。
地铁通信机房都是在地下十几米的房间内，机房内设备运行又释放出大量的热能，以及室内的静电问题，都是机房温度、湿度、通风、灰尘是环境控制的主要难题。我曾到天津地铁通信机械室内处理故障，就发现机房温度有34℃以上，设备内部的温度更是高，设备偶尔就会有异常告警；通信设备内平板上的灰尘几乎看不到金属色，机房环境简直是令人堪忧。另外，列车在隧道内运行时会产生大量的颗粒物；据北京地铁调查，每年产生的颗粒物达1700kg，再加上众多乘客进入车站带进大量灰尘，使隧道内空气可吸入颗粒物的浓度超过最高允许浓度标准。根据电信运营商机房的条件和经验考虑，按照B类机房要求，温度: 18～28℃，相对湿度：40%～60%。静态条件下，空气中0.5nm的尘粒数少于18000 粒/升。湿度对通信设备的影响也很大，空气潮湿易引起设备的金属部件和插件生锈蚀，并引起电路板、插接件和布线的绝缘降低，严重时还可造成电路短路。空气太干燥又容易引起静电效应，威胁通信设备的安全。电信设备尤其是交换机等设备对机房的温度有着较高的要求；温度偏高，易使机器散热不畅，使晶体管的工作参数产生漂移，影响电路的稳定性和可靠性，严重时还可造成元器件的击穿损坏，解决机房内环境的办法就是安装空调设备。对于空调设备的选择，建议选择独立的精密空调（如机房专用的大金空调），通过空调置换机房的空气，不要把室外的灰尘带进机房内，同时机房内的温度和湿度也可用通过空调调节控制。
目前地铁机房内，多采用地下走线方式，采用地下走线方式还有机场的通信机房。因为业务关系，我进入过天津机场通信机房和天津地铁的通信机械室，他们都是采用的地下走先方式。地板下走线方式是一种旧的解决方案，不利于控制机房环境，因为机房内静电强度较高，灰尘因为静电都依附在带点设备上，机房表面和设备表面的灰尘可以清理，但是地板下的灰尘和杂物难以清理，以及一些其他的鼠患、火灾、水灾、通风等隐患。如果发生以外，地板下走线不利于处理故障，更不
[2]利于机房的消防安全。所以，建议地铁通信机房采用上走线方式，将机房内的光缆、光纤、信号电缆、电源线分别布放在设备机架上面立体走线架上的空间，并做好监控消防设施，机房地面和机架卫生做定时的清洁，这样即能改善好机房的环境，又能兼顾机房的消防安全。
三：地铁通信系统综述
地铁在全国已经展开建设，随着列车控制技术、电源技术、有线通信技术、无线通信技术等诸多新技术的发展，实际商用到了地铁建设中越来越多。随着社会发展与进步，人们对轨道交通的运行、安全、快速、舒适和服务提出了更高的要求。地铁通信系统是为轨道交通的安全高效运行服务的，所以建设地铁通信系统时，不仅要靠虑要用新型的、经济的设备，还要考虑通信设备的成熟性和安全性，以及地铁通信网进行商用运营。总之，通过专业人员的共同努力，把城市轨道交通建设成精品地铁、科技地铁、民生地铁。作者简介：
赵军锋（1978－），男，河南郑州人，通信专业高级工程师，解放军信息工程大学工学学士，主要从事通信工程设备安装与测试工作，原在中国通信建设北京工程局工作。
赵景召（1979-），男，河南郑州人，解放军信息工程大学工学学士，网络工程师，主要从事数据网络维护。
朱代杰（1981-），男，四川成都人，电力工程师，主要从事地铁的机电专业和通信专业的工程施工。参考文献
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