我国城市轨道交通的建设与发展

    １９６５年７月１日，北京地铁一期工程破土动工以来，至今已经经历了４０年，目前我国内地建成轨道交通的城市有：北京、上海、广州、天津、武汉、深圳、长春、大连、南京、重庆等共１０座城市，１８条线路，累计建成运营线路共４２０公里。其中上海、北京、广州发展较快，占建成总里程６０％。
    近年来，随着我国经济飞跃发展，城市化进程和机动化速度加快，道路交通堵塞严重，解决好大城市交通已成为城市问题的最大焦点，建设城市轨道交通已被作为缓解城市交通的最有效的途径之一。
    至２００２年底，已经申报轨道交通建设规划的城市有：北京、上海、广州、深圳、南京、杭州、重庆、武汉、成都、天津、苏州、哈尔滨、沈阳、长春、西安等１５座城市，计划建设项目６５项、线路总长约１７００公里，总投资约６０６０亿元。其中北京、上海、广州、深圳４座城市建设项目合计１０５６公里，占总额的６２％。

无线通信在轨道交通中的应用情况

    无线通信技术在城市轨道交通中的应用较早，随着城市轨道交通的发展，无线通信技术应用广度和深度也随之不断增加。根据传输信息用途不同，无线通信技术在城市轨道交通中的应用按专业基本上分为信号、通信和乘客信息系统三个方面。
    ㈠ 信号系统
    城市轨道交通的特点是行车密度高、行车间隔短。人们对信号系统的要求可以归纳为实现行车指挥自动化和列车运行自动化，它们由列车自动控制系统（简称ＡＴＣ）实现。包括列车自动监控子系统（简称ＡＴＳ）、列车自动防护子系统（简称ＡＴＰ）和列车自动驾驶子系统（简称ＡＴＯ）三个子系统构成。无线通信技术在信号三个子系统中都有应用。主要技术有：
    １、轨道电路的无线通信技术
    轨道电路是信号系统的基础设备，按频率可分为５０Ｈｚ工频轨道电路和音频轨道电路。５０Ｈｚ工频轨道电路只能提供“有车”或“无车”两种信息；而音频轨道电路除了提供“有车”或“无车”两种信息外，还可以利用轨道作为传送载体向列车接收线圈单方向发送信息，因而采用了无线通信技术。
    音频轨道电路按发送信号的类型可分为模拟无绝缘音频轨道和数字无绝缘音频轨道电路。模拟无绝缘音频轨道电路的载频采用音频，调制频率代表速度信息，采用超低频，调制方式为调频。例如上海地铁一号线采用的是美国ＧＲＳ公司的模拟（无绝缘节）音频轨道电路。
    ２、应答器的无线通信技术
    应答器分为车载应答器和地面应答器。地面应答器是无源的，其内部寄存器按协议以数码形式存放数据。当列车驶过地面应答器，且车载应答器与地面应答器对准时，车载应答器首先以一定的频率，通过电磁感应方式将能量传递给地面应答器；地面应答器的内部电路在接收到来自车上的能量后转换为电源即开始工作，将所存储的数据以移频键控（ＦＳＫ）调制方式仍通过电磁感应传至车上。例如西门子公司生产的应答器通道频率采用长波和中波，其中１００ＫＨｚ作为能量通道，８５０ＫＨｚ作为信息传输通道，５０ＫＨｚ是为增大可靠性而设置的监视通道。欧洲标准应答器通道频率采用短波，其中能量传输频率为２７．０９５ＭＨｚ，数据传输载频为４．２３７ＭＨｚ。
    应答器是一种点式信息传输设备，主要用于点式列车速度自动控制系统，而在连续式列车控制系统中，也常被用作列车定位的基本设备。地面应答器有４种类型：区间→车上，固定数码；区间→车上，用户编码；区间→车上，可控编码；区间←→车上，可控编码。
    ３、移动闭塞列车控制系统中的无线通信技术
    要实现完全的移动闭塞的列车控制系统，只有采用无线通信技术建立可靠的、连续的、多信息量的地面与列车之间双向的信息传输系统，因此采用无线通信技术建立移动闭塞列车控制系统一直是信号技术研究的一个方向。
    移动闭塞式的信号ＡＴＣ系统不依靠轨道电路，而是采用交叉感应电缆、漏缆、裂缝波导管或扩频电台等通信方式实现“车－地”、“地－车”之间双向实时的数据传输来检测列车位置，使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车运行其它信息，并据此计算出每一列车的运行限制速度，且动态更新实时发送给列车，列车根据接收到的运行限制速度和自身的运行状态计算出列车运行的速度——距离曲线，车载设备保证列车在该曲线下运行。
    因此，在保证安全的前提下，能最大程度的提高通过能力。采用通信技术的移动闭塞系统已处于实用阶段，其中利用交叉感应电缆方式的移动闭塞系统已有较成熟的使用经验，我国武汉轻轨和广州地铁三号线都采用了该系统；采用无线扩频电台、裂缝波导管等方式的移动闭塞虽然应用经验较少，但也有工程实例。
    例如：美国ＧＥ公司基于无线通信的ＡＴＣ系统、法国ＡＬＳＴＯＭ公司基于裂缝波导的ＡＴＣ系统以及德国ＳＩＥＭＥＮＳ公司基于环线的ＡＴＣ系统。
    ㈡ 通信系统
    城市轨道交通列车采用电气牵引，行车速度高、列车密度大，对于行驶在隧道中的地铁列车，为了保证行车安全、提高运输效率和服务水平，必须建立以列车为主要对象的专用无线通信系统已成为人们的共识。
    １、专用无线通信系统
    由于兴建的时间不同和无线电技术的不断发展，世界各国城市轨道交通专用无线通信系统的系统功能和水平差别很大。完善的专用无线通信系统的功能主要有：通话和数传功能，呼叫和报警功能，广播功能，存储功能，录音功能，显示功能，检测功能和网管功能等。
    但按工作频道的使用方式来分，可分为专用频道方案和共用信道方案（集群方案）。
    ⑴ 专用信道方案
    按用途配置频道，每个频道只作一种用途，不作它用，即使它处于空闲状态，而当某一频道被占用时，全线均不能使用，必须排队等候。在专用频道方案和模拟集群方案中，一个频道只有一个信道，而在数字集群方案中一个频道分为多个信道，因此在专用频道方案和模拟集群方案中频道即信道，而在数字集群方案中频道和信道的概念不同。
    专用频道方案又分为车站台方案和中继器方案，车站台方案还可以分为车站台转发方案和中心转接方案，中继器方案又分为单向中继器方案和双向中继器方案。
    专用频道方案技术成熟，设备简单，成本较低，在子系统和频道数少、频率资源不紧张的情况下，采用专用频道方案是可行的。例如原北京地铁一号线、二号线，上海地铁一号线、二号线都采用了专用频道方案。
    ⑵ 集群方案
    集群，又称为共用信道方式。一般它采用设置一个控制信道和多个通话信道，平时所有用户均处于控制信道，接收中心对其控制和向中心返回信息，通话时由中心分配一个通话信道，通话结束后自动返回控制信道。集群方案分为模拟集群和数字集群，按工作区域的构成分成单区制和多区制。由于集群系统采用信道共享及动态分配信道的技术，使系统内所有信道均忙的概率要远小于专用频道繁忙的概率，这就是说：如果系统容纳的用户数不变，则呼损率大大减小；反之，如果用户的呼损率不变，则系统容纳的用户数大大增加。这就是集群方案较之专用频道方案最主要的优点。另外，还有可靠性、保密性、扩容、占用无线电频率、频率切换和频道转换，以及呼叫功能和检测功能等，前者都优于后者。根据计算，当信道数为３个以上时，集群方案的优越性就表现出来。
    ⑶ 模拟集群方案
    话音以３００－３０００Ｈｚ的模拟信号方式传输，并且模拟的话音信号对载频的调制采用调频（调相）方式，从而实现信道的频分复用（ＦＤＭＡ），因而一个载频只有一个信道，这样的无线集群方案称为模拟集群方案，我国通常采用ＭＰＴ１３２７标准。
    例如广州地铁一号线、上海地铁三号线都采用了单区制（大区制）的模拟集群方案。
    ⑷ 数字集群方案
    采用低码率话音编码方法构成数字的话音信号，话音信号对载频的调制采用窄带数字调制，从而实现信道的时分复用（ＴＤＭＡ），因而一个载频具有多个信道，并且频道间隔值保持不变，这样的无线集群方案称为数字集群方案。我国规定采用ＴＥＴＲＡ集群标准，一个载频具有４个信道。由于它除了具有模拟集群方式的全部优点外，还可以解决模拟集群方式存在的频率效率低、业务单一、不便加密、功能弱等技术问题，因而在地铁等城市轨道交通无线通信中具有更加广阔的应用前景。
    例如广州地铁三号线、北京地铁八通线和十三号线以及在建的五号线、十号线都采用了中区制或小区制的数字集群方案。
    ⑸ 单区制和多区制集群方案
    单区制：无论车站数多少，整个无线集群系统作为一个工作区域，因此又称为大区制。
    多区制：整个无线集群系统由多个工作区域构成。为了区分，当每个车站及其管辖区间为一个工作区域时，称为小区制；当几个车站及其管辖区间为一个工作区域时，称为中区制。
    根据上述对方案的分析，目前新建城市轨道交通一般采用数字集群方案，但在特殊情况下或在已建的地铁中也有采用专用信道方案的。
    ２、 电波传播
    构建一个无线通信系统必须充分考虑电波的传播问题。当城市轨道交通线路位于地面或高架时，电波传播宜采用高架天线的空间波辐射方式。路径传播损耗（即发射天线辐射功率和接收天线接收功率之差）宜采用奥村模型，合理选择灵敏度恶化量和系统余量，采用移动通信系统方程，可预测移动通信的系统参数，从而在满足传播要求的前提下节省投资。
    当城市轨道交通线路位于隧道中时，众所周知，电波在隧道中的传播特性和自由空间不同，一方面，当隧道直线距离短、弯曲多时，直射波传播有困难；另一方面，由于隧道内有吸收衰减和多径效应，使极化紊乱，传播衰减大大增加。因此为了解决电波在地铁隧道中的传播问题，一般都采用沿隧道敷设平行双线传输线或漏泄同轴电缆。
    当平行双线传输线外接或感应交变电动势时，沿线产生衰减的交变的电压波和电流波，使电磁能沿平行双线传输；而交变的电压波和电流波将产生交变电磁场。因此平行双线可以将电磁能沿线导向目的地，并且传输的能量集中在平行双线附近空间的电磁场中，解决了电波在隧道中的传播问题。原北京地铁一号线就采用了平行双线传输线，应用效果还好。但平行双线传输线维修工作量较大，并且只适用于１６０ＭＨｚ频段，因而当一号线改造时，由于工作频率改为４５０ＭＨｚ频段，所以改用了漏泄同轴电缆。
    所谓漏泄同轴电缆（简称漏缆，英文简写ＬＣＸ），就是在同轴电缆的外导体上，沿纵向周期性地设置一定形式的槽孔（例如“八”字槽或纵向槽等），当在漏泄同轴电缆内、外导体之间加上信号电压时，则在内、外导体上将有电流流动。由于在外导体上开有槽孔，电流的分布发生变化，伴随着这种变化电磁场将从槽孔中漏泄出来，使得在电缆内部传输的电磁能的一部分作为电波均匀的向外部辐射，从而成为一种传播媒体。由于漏泄同轴电缆克服了平行双线传输线的缺点，因此在隧道中目前都采用漏泄同轴电缆。
    目前漏泄同轴电缆在地铁中的应用问题是：采用“八”字槽孔的漏缆厂家每种规格的漏缆都有几种不同耦合损耗的产品，而采用双向纵开槽孔的漏缆厂家，每种规格的漏缆虽然频带很宽（７５Ｍ－２４００Ｍ），传输损耗随频率增加而增加，而耦合损耗变化不大，对于一确定的频率只有一种耦合损耗，根据分析计算，为了使这些厂家的产品更好的在地铁中应用，这些厂家每种规格的漏缆也应能生产多种耦合损耗的产品。
    ３、城市商用移动通信引入系统
    城市商用移动通信与国民经济的发展和人民生活水平的提高密切相关，因此得到迅速的发展和广泛的应用。但是，地铁因其采用高强度、高密度的钢筋混凝土结构，从而对外部空间电磁波产生了很强的屏蔽作用，形成城市商用移动通信的死区和盲区，在相当程度上限制了城市商用移动通信的发展和应用。
    地铁建成后必将成为城市交通运输的大动脉，显然，解决好地铁内城市商用移动通信的引入问题，障碍的城市商用移动通信，必将产生良好的社会效益和经济效益。
    引入系统的种类如下：
    ·调频立体声广播：８６～１０８ＭＨｚ；
    ·宽带无线寻呼：１３７～２８５ ＭＨｚ；
    ·中国联通ＣＤＭＡ 移动电话：８００ ＭＨｚ频段；
    ·中国联通ＧＳＭ 移动电话：９００ ＭＨｚ频段；
    ·中国移动ＧＳＭ 移动电话：９００ ＭＨｚ频段；
    ·中国移动ＧＰＲＳ 移动电话：１８００ ＭＨｚ频段；
    ·第三代移动电话：２．１ＧＨｚ频段；
    ·多媒体与无线局域网通信：２．４ＧＨｚ频段；
    ·公安、消防等特殊性行业需要引入的系统，频率与原系统相同。
    由于是引入系统，因此控制中心和交换机仍采用原系统，地铁只设基地台或双向光纤射频中继器，用以增加或扩大无线管区。很显然，频道间隔、标称频率和双工间隔与原系统相同。目前，北京和广州地铁都已实现无线寻呼和移动电话的引入。
    ㈢ 乘客信息系统
    现代城市轨道交通系统的运营管理越来越注重对乘客的服务，越来越以对人的服务为中心。一些著名的地铁十分注重以为乘客服务为主要内涵的乘客信息系统（Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，以下简称ＰＩＳ）的建设。地铁运营以车辆为中心的运营模式正在向以乘客服务为中心的运营模式发展。
    ＰＩＳ采用成熟可靠的网络技术和多媒体传输、显示技术，在指定的时间，将指定的信息显示给指定的人群。
    ＰＩＳ在正常情况下，可提供列车时间信息、政府公告、出行参考、股票信息、媒体新闻、广告等实时多媒体信息；在火灾、阻塞及恐怖袭击等情况下，提供动态紧急疏散指示。使地铁车辆高效、安全地运营。目前我国的香港、上海、深圳、广州等城市地铁已经设置了该系统。
    为了建成完善的乘客信息系统，除了需建立中心至车站的有线网络外，还需要建立车站与列车之间的无线网络，以双向传输各种ＰＩＳ信息。目前采用的方案有三种：
    ⒈借用或单设漏泄同轴电缆，传输４５０ＭＨｚ城市移动数字电视等ＰＩＳ信息给列车视频接收机。
    ⒉采用无线局域网（ＲＬＡＮ）技术，车站设大功率无线接入点设备（ＡＰ）和隧道天线，列车设无线局域网单元，在场强覆盖范围可实现各种ＰＩＳ信息的传输。
    ⒊采用无线局域网（ＲＬＡＮ）技术，区间每隔一定距离（例如２００米）设无线接入点设备（ＡＰ），列车设无线局域网单元，在整个隧道都可实现各种ＰＩＳ信息的传输。
    第２和第３种方案，采用２．４ＧＨｚ频段，需满足ＩＥＥＥ８０２．１１有关标准，而且可用于地区和高架线路。目前上海地铁采用了第２种方案，有成功应用的经验。第３种方案北京地铁五号线正考虑采用。
    面对巨大的市场，在轨道交通管理和运营自动化发展方面，无线通信技术在城市轨道交通中的应用将更加广泛，必然会取得更好的业绩。当然目前还存在不少新的技术问题，例如目前地铁中除了原有的专用无线通信系统外，还有各种各样的城市商用移动无线通信系统引入，以及信号和乘客信息系统的无线系统。在这样一个狭小的空间，同时存在几乎无线电各种频段的无线通信系统，必然大量产生各种各样的无线电频率干扰。因此，如何减少和避免这种无线电频率干扰，不但具有理论的意义，而且具有工程的价值，需要认真加以研究和进行试验。