地铁宽带集群车载电台设备设计研究

马超

摘要：该文介绍了一种在地铁上使用的宽带集群车载电台设备，主要包括主机箱、操作终端、扬声器、送话器及相关线缆。主机箱采用模块化设计，包括电源模块、信道机模块，便于后续的调试与维护;操作终端包括可触摸显示屏、摄像头、物理按键及内置的扬声器。此车载电台可支持同时安装TETRA和LTE两种通信设备，支持音视频通话和文件传输。可实现车辆与调度中心的互联互通，为调度中心与司机对讲、与乘客对讲、对乘客广播等功能提供通信渠道。宽带集群设备通过音频接口、RS485接口与车载PIS实现上述功能，通过RS485接口将自检信息发送给车载PIS，由车载PIS转发TCMS。

关键词：地铁;车载电台;通信设备;宽带集群

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）15-0120-03

1 背景

城市地铁交通方式的应用，在很大程度上缓解了城市交通拥堵的问题，也为城市居民的出行提供了便利。随着城市轨道交通系统的不断发展，其安全性、舒适性和高效性得到社会的普遍关注[1]。

我国地铁无线通信系统行业市场集中度较高[2]，市场份额主要集中在几大行业龙头企业，包括赛格通信、上海铁路通信工厂、中国电子科技集团公司第五十四研究所等，其无线调度通信系统全部采用TETRA标准[3]，调度员为实现运营调整而面向行车值班员和司机发布指令主要是通过对讲机，缺乏可视设备，城市轨道交通调度系统未来将向着网络化、智能化、集成化方向不断发展[4]。其将最大满足轨道交通网络化运营、调度指挥、协调的功能，充分考虑系统的可靠性、开放性、可扩展性，以便为后期的技术升级创造条件[5]。随着LTE技术的发展，轨道交通专用通信系统正在从TETRA数字集群向LTE宽带集群过渡[6]。

目前国内外轨道交通调度设备对LTE技术与终端产品的理论研究虽然已有成果，但呈现出分散化和局部化的特征，并没有大范围地应用到实际项目中，更没有关注到双模列车调度设备的应用前景。目前地铁无线通信系统主要还是以TETRA系统为主，无法实现TETRA和LTE同时运行，也无法实现视频信息的传输。此设备的结构设计就是在TETRA系统的基础上，主机箱部分将TETRA与LTE两种制式结合在一起，实现了两套系统同时安装，可以根据业主的需求来进行方便的切换。操作终端既保留了传统的常用物理功能按键，还支持液晶显示屏触摸按键功能。并增加了内置摄像头、内置扬声器，可以方便操作人员进行视频通话及视频信息的传输。

2 结构设计方案

为了满足地铁无线通信系统中的多种不同种类用户之间的通话，分别对地铁列车上TD-LTE集群调度系统通信设备结构和TETRA集群调度系统的通信设备结构进行了研究。并针对各系统设备的优缺点进行了融合性设计，使之成为功能更完善的地铁调度系统通信设备。宽带集群车载电台是安装在地铁列车两端车头司机室内，提供给司机使用的无线终端设备。其通过车载天线与地面进行通信，实现了车辆与调度中心的互联互通，保证了列车信息可以及时地发送到地面，同时，为调度中心对司机对讲、对乘客对讲、对客室广播等功能提供传输通道。

宽带集群车载电台主要包含了主机箱、操作终端、扬声器（内置于操作终端）、摄像头（内置于操作终端）和送话器以及相互连接的电缆。设备整体符合EN 50155：2007《铁路设施铁道车辆上使用的电子设备》标准，外壳防护符合GB/T4208-2008《外壳防护等级（IP代码）》标准，防水防尘的防护等级可达到IP55，可适应地铁列车运行的复杂工作环境。设备电磁兼容（EMC）符合EN50121-3-2：2016《铁路应用-电磁兼容性 第3-2部分：车辆-装置》标准。冲击、振动符合IEC61373《铁路应用-机车车辆设备-冲击和振动试验》标准。连接电缆采用低烟无卤阻燃护套，符合NFF16-101《铁路车辆阻燃防火测试》标准，满足地铁车载设备的安全、防火等级要求。设备连接原理图如图1所示。

2.1 主机箱

主机箱采用19英寸标准机箱结构，高度3U。安装方式采用机架式水平安装，用4个M6螺钉和卡式浮动螺母安装固定在列车通信机柜内。主机箱采用模块化的设计，分成电源模块和信道机模块。电源模块采用符合EN50155和EN45545-2铁路系统认证的150W的DC110V转DC12V的铁路专用电源，它有短路/过负载/过电压/过温度/输入反极性保护，输入输出隔离度可达4000VDC，保证了电源的稳定性，抗震性也更有保证。信道机模块采用LTE制式的鼎桥EV751和TETRA制式的摩托罗拉MTM5200 DATA BOX，两种制式的模块可以相互切换，也可以同时运行，用户能够根据需求选择更合适的方式使用，为用户提供了更多选择。

同时，我们采用导轨式安装的方式来安装各个模块，这样方便后续各模块的拆装维修。在材料选择上，主机箱框架结构采用的是铝合金材质，表面氧化喷涂处理，降低了设备的整体重量。上下盖板设有散热孔，可以实现良好的散热功能。前面板采用的是表面拉丝氧化处理的铝合金材质，突出表面的金属质感，可以用来修饰一些不明显的瑕疵。主机箱前面板上装有可靠性较高的航空插头连接器，负责与各专业进行对接。机箱内部导轨采用的不再是塑料导轨，而是采用的金属导轨，提高了导轨的可靠性。内部安装结构件采用的是冷轧板加不锈钢材质，考虑到强度要求，在主要承重位置采用的不锈钢结构件，辅助支撑位置采用的是冷轧板材质，这样既保证了强度要求又降低了生产成本。主机箱的内部结构图如图2所示。

2.2 操作终端

操作终端上安装有触摸式液晶屏、自动对焦高清摄像头、USB接口、扬声器、物理按键等组件，可实现触屏点选、自动对焦、USB连接等功能。操作终端前面板采用铝合金加工，表面喷砂氧化处理。对外连接采用可靠性更高的航空插头连接器。操作界面采用常用功能的物理按键与触摸屏按键组合的形式，优化了按键结构，使操作面板更加简潔。

前面板中间位置上设有液晶屏视窗开孔和安装位置，左侧有扬声器出音孔和送话器连接口，右侧有按键开孔、指示灯开孔和USB接口，在液晶屏上侧设有摄像头安装孔。液晶屏采用晶彩7寸高亮度可触摸液晶显示屏，分辨率可达到1280×800，最大亮度可达到1275cd/m2。物理按键采用硅胶材质注塑成型，按键上的文字采用喷涂后镭雕处理，外观简洁有质感，触摸感也更舒适。摄像头采用的是OV5640芯片，有自动对焦功能，像素可达到500万，可用于操作人员视频通话及视频信息的传输。扬声器采用两个球顶形电动扬声器，嵌入式安装在操作终端内部，增加了设备的集成度。同时，节省了之前外部扬声器连接的电缆，改善了在地铁列车上的安装空间。操作终端内部结构图如图3所示。

操作终端的主控板集成了1.8GHz和800MHz频段的双模制式通信所需的硬件接口，如图4所示。主控板的核心板采用的是迅为i.MX6Q 核心板，基于Cortex-A9处理器，它支持NXP四核运算，最高主频可达到1.2GHz，支持Linux-QT、Android、Ubuntu、Debian、Youcto等不同操作系统。主控板具备最大1080p@30Hz像素的视频处理能力，并且支持 H.264全双工编解码，可以完成一路视频编、解码的同时进行另外一路视频编码，即一路全双工编、解码实现点呼可视对讲，一路编码实现视频监控功能。

主控板的音频接口包括音频输入、音频输出、紧急呼叫、PTT和麦克风、喇叭输出、广播输出等，视频接口包括Camera接口、标准双路8位LVDS接口的LCD及触摸屏接口和背光控制接口等。存储模块采用的是标准的SATA接口，网络接口采用i.MX6Q自带的10/100/1000M自适应以太网口。串行接口包括RS-232、RS-422、RS-485，可用于打印、调试、车辆信息传输等。

车载终端软件结构合理、层次分明，界面设计遵循Windows的窗口风格，人机交互友好，可实现单屏操作，操作简捷便利。软件功能完善，可靠性高，可上电自检，接收和应答呼叫，请求呼叫调度，请求呼叫机车，向调度发送预定义消息，接收调度的预定义消息，录音功能，视频通话功能等。

2.3 送话器

送话器采用的是晨讯达原装送话器，可提供数字键盘、紧急呼叫等功能。

3 功能描述

宽带集群车载电台可用于实现列车与控制中心的调度，与车站工作人员以及车辆段/停车场工作人员之间的通信。其主要功能有呼叫功能，数据传输功能，显示功能，注册/注销请求功能，车载设备调度全线归属，车载电台手动输入车次号，时间同步功能，全网录音功能，音视频实时通话功能，紧急呼叫功能等。车载电台的呼叫功能又包含紧急呼叫、请求呼叫、接收调度呼叫以及对列车乘客的呼叫广播功能。调度员可以选择或在必要情况下接收列车司机的呼叫，也可以对在其管辖范围内的某一列車或所有列车的乘客进行广播。当列车在正线运行时，接收到司机呼叫，会分配到一个对应的车次号。在无线通信调度上会生成对应此车次号、机车号的车载电台通话组。车载电台的数据传输功能又分为：语音集群、发送和接收预定义文本信息、视频信息和接收短信息、短视频。车载电台还可以利用LTE/TETRA系统实时、快速收发状态信息。

4 结束语

此车载电台是首个将LTE和TETRA两种通信制式的无线调度系统结合在一起的设备。可以保证两种制式同时工作，互为补充。既保证了LTE通信系统的多媒体信息处理优势，又很好兼容了TETRA系统的特点。它还能够支持多种系统带宽场景，在系统部署上更具有灵活性;它还有数据传输速率快、移动性好的优点，在高速移动的情况下也能达到良好的接收效果。相较于目前地铁通信调度系统的单一性，此设备具有更明显的优势。

可以预见，在未来数年内LTE宽带集群将会成为轨道交通专用通信系统的首选[7]。在目前的这个过渡时期，能够同时兼容LTE和TETRA两种制式的通信设备是有必要的，并且在很长一段时间内是有明显优势的。

参考文献：

[1] 马建，孙守增，芮海田，等.中国筑路机械学术研究综述·2018[J].中国公路学报，2018，31（6）：1-164.

[2] 《中国公路学报》编辑部.中国交通工程学术研究综述·2016[J].中国公路学报，2016，29（6）：1-161.

[3] 赵勇.TETRA数字集群系统调度台业务的研究与实现[D].北京：北京交通大学，2013.

[4] 刘志钢，胡华，黄远春，等.城市轨道交通应急调度指挥系统的现状及发展趋势[J].城市轨道交通研究，2012，15（12）：5-9，27.

[5] 周晓勤.城轨交通 智慧先行 《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》发布词[J].城市轨道交通，2020（4）：30-31.

[6] 李岁永.TD-LTE网络承载地铁集群通信业务解决方案[J].自动化与仪器仪表，2015（2）：74-77.

[7] 王鹏.基于TD-LTE的车地无线通信系统设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2019.

【通联编辑：梁书】