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城市轨道交通系统论文

城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称”。下面我们来看一下关于城市轨道交通系统的论文吧。

摘要： 介绍了直线电机工作原理和直线电机电动车特点，以及日本利用直线电机的地铁和常导磁悬浮交通系统发展的概况。

关键词：直线电机；城市轨道交通；地铁；磁悬浮；电动车

城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具体特点选择交通系统的范围也更宽。安全、舒适、高密度运行，通过引入新技术达到节能，保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电机又提供了一种新的选择。

一、直线电机的工作原理

通常，电动机是旋转型的。定子包围着圆筒形的转子，定子形成磁场，在转子中流过电流，使转子产生旋转力矩。而直线电机则是将两个圆筒形部件展开成平板状，面对面，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。

产生推进力的原理与电动机产生力矩的原理一样，在直线电机地铁中，安装在转向架上的直线电动机沿前进方向产生移动磁场。让面对该磁场、安装在地上的反作用板（相当于2次线圈）中通过2次电流（涡电流），由这个2次电流切割磁场产生的力作为反作用力，安装在转向架上的直线电动机得到推进力。

直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无限循环的，而直线电动机是有端头的。为此，泄漏磁通多，电气—机械能量转换的效率低，如果要得到相同的输出，逆变器的容量需要比旋转式大。

二、直线电机电动车的特点

在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，同时也受到轮轨间粘着的限制。

在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡度可达60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为50m）的线路。此外，由于直线电机无转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。

在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动机的'直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方向可以减小。在大型电机中，如果是1级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机驱动中，则不必如此，所以，可以减小车轮的直径，这将使车辆的地板面的高度降低。

以上的优点就是小断面地铁采用直线电机电动车的理由。

但是，直线电机的效率低，与相同的地铁比，电力的消耗量多，除这个缺点外，上述的优点也有不能充分发挥的时候。因为不受粘着限制，所以在牵引时，线路的坡度可以取大；但是，在制动时，如果电气制动失效，就必须依赖于机械制动，这受粘着控制，所以，线路的坡度又不能太大。此外，由于直线电机是扁平状的设备，车辆地板面的高度可以降低，这时车轮的直径也可以减小。但直径小的车轮磨耗会加快，所以实际上不能太小。由于扁平状直线电机的长度可以加长，所以，一台转向架装一台电机即可，这就是现在的直线电机地铁为全动车编组的理由之一。

三、直线电机电动车在日本的应用和发展

直线电机地铁

在建设地铁的成本中，开凿地下隧道的成本占了很大一块，采用直线电机电动车对降低开凿地下隧道的成本，从而对降低整个地铁的建设成本非常有利。以日本为例，普通地下铁隧道的直径为，而直线电机地铁隧道的直径为～，见图1。可以估算，后者隧道工程的开凿量可比前者减少1/3左右，这意味着地铁的成本将大大下降。此外，与旋转电机相比，直线电机的形状平坦，因而可以降低车辆地板面高度和减少整个车辆尺寸，但这并不影响车辆内部的空间，即不会对旅客带来不便。直线电机只是产生车辆的驱动力，车辆仍使用钢制车轮和钢轨作为支承和导向系统。

常导磁悬浮交通系统

直线电机地铁虽然有不少优点，如建设成本低、通过大坡道能力强、转弯曲线半径小、维修少、运行平稳等，并已经在一些城市得到运用，但其载客量少，所以，目前只能作为现有地铁的补充。常导磁悬浮交通系统与现行的铁道相比是全新的交通系统，其所具有的优点将会使之在城市轨道交通系统中占有一席之地。随着科学技术的进步，直线电机以及它在地铁与其他方面的应用都会有良好的发展前景。

参考文献：

1 事务局 リニア地下铁车辆机械ソヮンポイント·レッスン讲座

2 长野秀洋 常电导磁气浮上式交通システムHSSTの最近の动向についJREA2001

城市轨道交通的论文

城市轨道交通是城市公共交通的骨干，具有节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等特点，属绿色环保交通体系，特别适应于大中城市。下面我们来讨论一下城市轨道交通的论文吧。

一、TD-LTE主要技术优势

目前,国内已建成的轨道交通信号系统车地通信和PIS车地通信采用标准的无线局域网传输技术。专用无线调度广泛应用窄带无线数字集群技术,TETRA就是典型的代表。TD-LTE技术相比WLAN+TETRA网络具有众多的优势,更适合轨道交通多业务宽带无线通信承载。

抗干扰能力强

从工作频段的情况来看,国内主流的WLAN采用的是、共计80MHz的带宽,每个信道的带宽为22MHz,完全不重叠的信号仅有3个。这意味着在隧道区间内AP有效的覆盖距离仅有200m左右,故地铁采用WLAN+TETRA技术实现CBTC、专用无线调度及PIS系统显然会对安全运营带来不确定的因素。相比WLAN网络,LTE有着完善的抗干扰技术,采用正交频分复用技术即OFDM具有完善的'编码、重传和IRC(干扰抑制合并)机制,拥有毫秒级的调度机制,可根据干扰情况动态调度资源。

传输速率较高

较高的传输速率,可满足高速移动及大容量网络传输的要求。采用频段,可支持11Mbit/s的共享接入速率;工作在频段,其速率高达54Mbit/s。但是,在快速移动下,系统需要很大的控制信息开销来克服由于移动带来的频移、衰落等,不能很好地满足移动的要求。TETRA满足语音通信和的无线数据传输需求,但是面对着越来越多的视频信息等传输需求,窄带无线集群技术已经不能胜任。LTE在20MHz频谱带宽上能够提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的峰值速率,能够为350km/h高速移动用户提供接入服务,并同步支持语音、视频、数据传输,完全可与PIS、信号车地无线共享网络。

网络结构简单

LTE以分组域业务为主要目标,取消了电路交换域,趋近于典型的IP宽带网结构,意味着网络架构与目前WLAN类似。LTE结构简单,维护方便,系统时延较小。同时,无线融合技术方案取代了各系统分设的大量的区间设备,能够净化安装空间。

保证

WLAN二元安全架构对应3个物理实体,AP无独立身份,易受攻ji,无法保证安全。LTE拥有9级QoS算法,带宽基于业务需求按需分配,在与PIS、无线列调等系统共用网络时,可以最大程度地保证CBTC带宽需求。

技术日渐成熟,商业化程度也较高

LTE网络已经在全球应用,中国移动率先在中国部署LTE网络提供公众服务,国内主要LTE供货商均可提供成熟可靠的产品。采用LTE技术,尤其是采用具有完全知识产权的TD-LTE无线宽带集群技术,将是我国城市轨道交通车地无线系统融合的最重要选择。

二、轨道交通各系统的功能需求

专用无线调度系统

采用专用无线调度,实现了轨道交通固定用户与移动用户之间的语音、数据信息、视频信息及附属网管信息的传输和交换。专用无线调度分为了行车调度、维修调度、环控调度及车辆段/停车场无线调度4个部分。按照一个TD-LTE小区并发10路无线通话考虑,包括选呼、组呼、全叫和紧急呼叫的任何一种呼叫形式,每路呼叫带宽需要32Kbit/s,10路并发需要320Kbit/s,同时在一个小区内要有1~2路的视频通话,传输的带宽按照384Kbit/s考虑。

乘客信息系统

PIS车地无线通信主要指控制中心向运营车辆下发一些视频和各类文本信息等,为下行业务。在列车正常运营情况下,每列车可接收1路高清晰数字视频信息,视频编码采用MPEG-2、MPEG-4或格式,每路占用带宽一般为4~6Mbit/s。

列车视频监视

列车视频监视业务主要指运营车辆将列车内实时视频监控图像传输至控制中心,为上行业务。在列车正常运营情况下,轨道交通内的运营人员以及地铁公安分局人员,利用视频监视等设备接收、观看列车内实时视频监控图像,图像的压缩格式宜采用MPEG-4或等。一般情况下,每节车厢内设置2台摄像机,首尾司机室各设置1台摄像机。6辆编组列车共14路视监视频信息,控制中心根据需要可实时随意调看其中2~4路图像,每列车通过无线系统将图像信息上传至车站,再经主干网络传到控制中心。按每路视频图像占带宽考虑,视频业务需要6Mbit/s以上带宽。

信号系统车地通信

信号系统的车地通信可以保证列车和乘客安全,是实现列车运行高效、指挥管理有序的手段。信号系统具有安全性高、通过能力强、较好的抗干扰能力、可靠性高、自动化程度高、限界条件苛刻等特点,其车地通信主要为CBTC业务,系统需要占用100Kbit/s的上下行带宽。

车辆检测信息及列车FAS信息

能为传送列车车辆内部温度、烟度、有害气体浓度和列车轴温、实时车速等环境信息提供通道,以便中心对列车进行监控;信息传输需要带宽不超过200Kbit/s。提供列车FAS火灾告警信息的传输通道,满足中心对列车火灾信息的监控。信息传输需要带宽不超过100Kbit/s。各业务实时性及带宽需求。在列车高速运行的情况下,车地无线系统要保证无线网络的带宽(下行大于8Mbit/s、上行带宽大于7Mbit/s),以满足运营指挥的需要。基于目前主流LTE设备技术情况,需申请10MHz以上专用频段(含保护频段),才能满足上述车地无线业务的需要。此外,通过LTE系统提供的宽带无线环境,在带宽允许的情况下,还可支持未来各类无线业务的扩展。例如,实现各类专用移动终端的无线通信业务,包括维修系统的无线维修终端、综合监控系统的无线监控终端等,保证各类业务的终端灵活化,满足现场维修、监控、指挥等业务需求。

三、TD-LTE解决方案

基于TD-LTE技术的城市轨道交通无线通信系统融合解决方案应用网络架构。整个应用系统依场所设置分为3个子系统,分别为控制中心子系统、车站/车辆段及停车场子系统、车载子系统。下面分别简要论述3个子系统组成及功能。

控制中心子系统

控制中心子系统是该融合解决方案专用系统的核心,主要包括LTE核心网设备、无线调度业务服务器DSS,信号系统ATS服务器、CCTV和PIS等业务应用服务器、网络管理系统(含网管终端及打印机等)及TD-LTE基站设备等。TD-LTE基站设备用以实现控制中心的室内覆盖,TD-LTE核心网EPC向上和各类业务控制平台CCTV中心、PIS系统、信号系统等连接,无线调度业务服务器DSS可提供专业的无线集群调度业务。同时,在控制中心调度大厅,设置行车调度、防灾调度、维修调度台及录音设备等。

车站/车辆段及停车场子系统

车站内主要安装TD-LTE基站设备,包括BBU、RRU。基站设备可以实现本车站的站内覆盖,也可以通过漏泄同轴电缆对线路区间进行覆盖,并可以通过RRU实现拉远覆盖。在沿线各车站值班员处设置车站固定电台,给移动作业人员配备便携台。在车辆段及停车场通信机房内设BBU,RRU设备和天线均安装于机房楼顶的天线杆塔上,对于封闭空间等弱场区需增加RRU进行覆盖。在车辆段/停车场信号楼内设置行车调度台,在检修库内的运转排班室内设置运转调度台。另外,给车辆段/停车场的移动作业人员配备便携台。

车载子系统

车载子系统布置在每列车前后的司机车室内,为司机提供专业的无线集群调度通信。集群车载台采用与TAU共用车载天线的方式。TD-LTE车载终端(TAU)部署在列车编组的前后司机车厢内,其车载天线安装在司机车厢外侧,并尽量保证与泄漏保持视距,TAU通过以太网接口与车内交换机连接,实现TAU与车内数据业务的信息交互;车内采用以太网环形组网,各车厢通过车载交换机互联。车厢内的闭路电视监控信号通过TAU、经LTE上行回传到控制中心,PIS的流媒体信息则通过TAU、经LTE下行传送到车内的PIS车载服务器上。单列编组前后司机车厢各部署一套TAU,两套TAU以主备方式工作。

四、结语

城市轨道交通无线通信系统承载着语音、视频、数据等多种业务,随着线网和用户需求的增多,专网通信从窄带、独立设置的无线通信向着各业务融合一体的宽带无线通信网发展成为技术发展的趋势;TD-LTE技术方案作为城市轨道交通车地无线综合平台是可行的,将成为发展的主流方案。同时,为了保证轨道交通无线通信的安全性和可靠性,拟采用TD-LTE无线通信承载网的轨道交通建设城市需尽早进行专用无线频段的申请,以便为今后业务的实施及拓展创造有利条件。