基于射線跟蹤技術(shù)的上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)研究

李津漢

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施，包括大型站房、動(dòng)車(chē)所等，由于占地規(guī)模較大且多位于城市中心地區(qū)，對(duì)所在城市的土地規(guī)劃和利用會(huì)產(chǎn)生一定影響。為綜合利用城市土地，對(duì)城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施進(jìn)行上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)，能有效提升土地利用率，優(yōu)化城市景觀，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。作為城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施的主要形式之一，動(dòng)車(chē)運(yùn)用所（簡(jiǎn)稱動(dòng)車(chē)所）大多位于高鐵大型站附近，是承擔(dān)動(dòng)車(chē)組的基本維修工作以及存車(chē)作業(yè)的維修整備場(chǎng)所[1]。由于動(dòng)車(chē)所功能較為單一，且日常業(yè)務(wù)不涉及所在空間的立體使用，非常適合配合上蓋物業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行建設(shè)和開(kāi)發(fā)，因此上蓋物業(yè)建設(shè)方案在動(dòng)車(chē)所的施工設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用，如杭州艮山門(mén)[2]、寧波邱隘[3]等多個(gè)建設(shè)中的附帶上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)的新（改）建動(dòng)車(chē)段所。

然而對(duì)動(dòng)車(chē)所添加上蓋物業(yè)，會(huì)極大程度的改變存車(chē)場(chǎng)內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)布局，將其從常規(guī)的室外開(kāi)放空間變?yōu)槭覂?nèi)空間，對(duì)設(shè)施內(nèi)的無(wú)線通信系統(tǒng)提出了更高要求。動(dòng)車(chē)所內(nèi)無(wú)線通信系統(tǒng)承載了調(diào)度通信、行車(chē)調(diào)度命令信息、車(chē)次號(hào)校核信息無(wú)線傳送等行車(chē)相關(guān)業(yè)務(wù)和機(jī)車(chē)綜合無(wú)線通信設(shè)備（CIR）出/入庫(kù)檢測(cè)、列控車(chē)載設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）信息傳送等維護(hù)相關(guān)業(yè)務(wù)，這些無(wú)線通信業(yè)務(wù)對(duì)保障動(dòng)車(chē)組列車(chē)正常運(yùn)行和動(dòng)車(chē)所正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用，因此對(duì)動(dòng)車(chē)所內(nèi)無(wú)線通信質(zhì)量具有相當(dāng)高的要求[4]。上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所作為一種特殊的室內(nèi)空間，其龐大的物理體量、復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的較高要求，使該場(chǎng)景下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有別于常規(guī)的室內(nèi)環(huán)境，更有別于常規(guī)的開(kāi)放式鐵路環(huán)境，環(huán)境中影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳播的建筑結(jié)構(gòu)更加細(xì)小和復(fù)雜，因此常規(guī)用于鐵路環(huán)境下的無(wú)線傳播經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5-8]無(wú)法達(dá)到足夠的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度。

為提高上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所中無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)精度，從而有效指導(dǎo)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出一種基于BIM和射線跟蹤技術(shù)的無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)方法，通過(guò)建立高效的三維環(huán)境模型并進(jìn)行與環(huán)境相適應(yīng)的仿真計(jì)算，獲得高精度的無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果。同時(shí)以新建杭州西動(dòng)車(chē)所為例，運(yùn)用無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)結(jié)果，探討此種環(huán)境下的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則，對(duì)后續(xù)相似環(huán)境下的無(wú)線覆蓋設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 射線跟蹤原理及算法規(guī)則

射線跟蹤技術(shù)是一種確定性的無(wú)線信道計(jì)算模型，能準(zhǔn)確描述環(huán)境內(nèi)的無(wú)線電磁波多徑傳播，適合用于復(fù)雜場(chǎng)景環(huán)境中的無(wú)線信道建模計(jì)算[9-12]。仿真計(jì)算過(guò)程中，該技術(shù)在理論上需要對(duì)環(huán)境中存在的所有射線進(jìn)行逐一計(jì)算，因此計(jì)算量巨大。為提高計(jì)算效率，需根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，平衡計(jì)算量和預(yù)測(cè)精度，使其滿足目標(biāo)環(huán)境下的無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)計(jì)算要求。

由于動(dòng)車(chē)所場(chǎng)景分布在較大的物理尺度上，限制觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量能有效提升計(jì)算效率。車(chē)所內(nèi)的無(wú)線覆蓋主要關(guān)注鐵路動(dòng)車(chē)車(chē)頂天線的無(wú)線信號(hào)接收情況[13]，因此仿真計(jì)算只需集中在沿鐵路軌道的一條直線上即可。為有效利用鐵路場(chǎng)景中觀測(cè)點(diǎn)線狀排布的特點(diǎn)，射線跟蹤模擬器采用鏡像法射線跟蹤技術(shù)，使用Matlab搭建[14-15]，將每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)與其對(duì)應(yīng)的信號(hào)發(fā)射源建立成對(duì)的映射關(guān)系，計(jì)算環(huán)境模型中障礙物對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播的影響。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)接收功率是將所有接收到的多徑傳播分量進(jìn)行相干疊加，如公式（1）所示[16]。

其中G(θi，φi) 是接收天線增益，λ是無(wú)線電波工作頻率，η0是真空的特性阻抗，θi和φi分別是接收天線接收的信號(hào)方位角和俯仰角，Ei是接收天線處的無(wú)線信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度，其計(jì)算方式如公式（2）所示。

接收電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算以矩陣的形式考慮了發(fā)射天線兩個(gè)不同的極化分量，公式（2）中Pr為發(fā)射天線的輻射功率，GM為發(fā)射天線增益，r為發(fā)射天線與觀測(cè)點(diǎn)之間的輻射距離，Eθi(θs，φs) 和Eφi(θs，φs) 是歸一化的發(fā)射天線方向圖的垂直和水平極化分量，Tθi和Tφi表示兩個(gè)對(duì)應(yīng)極化方向上的多徑分量引起的傳播路徑損耗。

2 BIM建模及優(yōu)化

在鐵路工程設(shè)計(jì)中越來(lái)越普遍的BIM設(shè)計(jì)及三維交付，為射線跟蹤計(jì)算的應(yīng)用提供基礎(chǔ)的三維環(huán)境模型。然而由于射線跟蹤技術(shù)計(jì)算量龐大，即使是對(duì)算法本身進(jìn)行針對(duì)環(huán)境特點(diǎn)的優(yōu)化，仍需要對(duì)三維環(huán)境模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提高無(wú)線覆蓋仿真計(jì)算效率。在上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所這種尺寸龐大的BIM模型構(gòu)建中，原則是盡可能保留室內(nèi)環(huán)境最基本建筑結(jié)構(gòu)的前提下，最大化的減少模型中面元的數(shù)量。下面以杭州西動(dòng)車(chē)所的存車(chē)場(chǎng)為例，討論將BIM設(shè)計(jì)模型處理成為適合射線跟蹤計(jì)算的三維環(huán)境模型的方法。

杭州西動(dòng)車(chē)所位于杭州西站西北方向，是新建湖州至杭州西至杭黃高鐵連接線工程的附屬建設(shè)工程，是國(guó)內(nèi)首批配置上蓋物業(yè)建設(shè)的動(dòng)車(chē)所。截至2022年6月，該工程一期工程已完工且已完成通信專(zhuān)業(yè)動(dòng)態(tài)驗(yàn)收，預(yù)計(jì)2022年8月底開(kāi)通運(yùn)行。動(dòng)車(chē)所內(nèi)一期工程存車(chē)場(chǎng)實(shí)施28條存車(chē)線，軸線長(zhǎng)度約為480 m，一層蓋板高度為10 m。其存車(chē)場(chǎng)設(shè)計(jì)如圖1（a）所示?？梢钥闯?，存車(chē)場(chǎng)中的柱體分布非常規(guī)律，28條存車(chē)線被27條直線分布的承重柱分隔形成。

獲取動(dòng)車(chē)所三維環(huán)境模型首先需要根據(jù)Autodesk Revit建模提取5條存車(chē)線的三維BIM模型，如圖1（b）所示。三維模型主要分為3個(gè)部分：地面、承重柱以及上蓋，為簡(jiǎn)化三維模型以降低后期計(jì)算量，模型中的地面以及上蓋部分都使用面積為485 m×80 m的樓板來(lái)表示，所有的承重柱為1.69 m×1.69 m×10 m（長(zhǎng)×寬×高）的方形柱體。

圖1 杭州西動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)Fig.1 Storage yard of Hangzhouxi EMU depot

獲得BIM設(shè)計(jì)模型后，模型被導(dǎo)入到Autodesk 3dsmax中進(jìn)行刪除重疊面元以及賦予材質(zhì)電磁參數(shù)這兩步處理工作。

第一步是刪除模型中重疊的面元。動(dòng)車(chē)所模型中所有重疊的面元皆來(lái)自于承重柱的上/下平面。由于通過(guò)Revit建模得到的柱體都為獨(dú)立的封閉模型，因此BIM模型中承重柱與地面和蓋板相接的部分會(huì)有重疊面元被保留下來(lái)。導(dǎo)入3dsmax后，可以更加方便的對(duì)模型中的每一個(gè)面元進(jìn)行編輯，因此可快速選中所有的重疊面元，直接進(jìn)行刪除。

第二步是對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)電磁參數(shù)賦值。射線跟蹤在計(jì)算電磁波傳播的過(guò)程中，遇到反射以及繞射計(jì)算時(shí)，材料的復(fù)介電常數(shù)是必要的計(jì)算參數(shù)。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境保持一致，所有的柱體以及上蓋材質(zhì)被設(shè)定為混凝土，復(fù)介電常數(shù)為5.31–j0.59；地面材質(zhì)被設(shè)定為泥土（測(cè)試時(shí)的實(shí)際場(chǎng)景），復(fù)介電常數(shù)為6.15–j0.64。這種環(huán)境材質(zhì)分類(lèi)方式參考文獻(xiàn)[14]、[15]，在鐵路環(huán)境上能較好的描述周邊環(huán)境，契合射線跟蹤計(jì)算的需求。在3dsmax中通過(guò)貼圖的方式對(duì)不同的材質(zhì)進(jìn)行表示，用灰色代表混凝土，土黃色代表泥土，經(jīng)上述兩個(gè)步驟處理后的三維環(huán)境模型，如圖1（c）所示。

完成三維環(huán)境模型處理后，通過(guò)3dsmax模型軟件將三維模型導(dǎo)出為obj格式的文件，用于導(dǎo)入射線跟蹤模擬器進(jìn)行計(jì)算。為提升計(jì)算效率，簡(jiǎn)化后的動(dòng)車(chē)所環(huán)境相對(duì)理想，所有的結(jié)構(gòu)體都是由規(guī)則的四邊形組成，將模型幾何體面設(shè)定為四邊形，相比常規(guī)的三角面元三維模型構(gòu)建方式，又可降低約50%的模型面元數(shù)量。

2．高淀粉酶血癥定義和AP嚴(yán)重程度分級(jí)：采集患者EUS-FNA術(shù)前及術(shù)后3、24 h的血清淀粉酶檢測(cè)數(shù)據(jù)。EUS-FNA術(shù)后24 h內(nèi)血清淀粉酶大于120 U/L(正常上限)且在基線水平3倍內(nèi)被診斷為高淀粉酶血癥。 術(shù)后血清淀粉酶水平大于正常上限3倍，且出現(xiàn)腹痛等癥狀是診斷為AP， EUS-FNA術(shù)后AP的嚴(yán)重程度根據(jù)Cotton等[8]制定的共識(shí)意見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)分為3級(jí)：住院2～3 d為輕度AP，住院4～10 d為中度AP，住院超過(guò)10 d為重度AP。

3 仿真計(jì)算優(yōu)化

利用射線跟蹤技術(shù)進(jìn)行動(dòng)車(chē)所無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)前，需要先對(duì)算法的復(fù)雜度進(jìn)行優(yōu)化。射線跟蹤的計(jì)算流程主要分為兩步：第一步是尋找射線路徑，第二步再根據(jù)該條路徑的具體情況計(jì)算相應(yīng)的路徑損耗。本文中的射線跟蹤計(jì)算使用鏡像法射線跟蹤技術(shù)，每條射線尋找射線路徑的過(guò)程都需要遍歷環(huán)境模型中的每個(gè)面元和模型邊緣，然而只有很少的一部分模型元素能對(duì)無(wú)線傳播產(chǎn)生影響，因此算法中絕大部分的運(yùn)算量集中在尋找射線路徑上。

本次實(shí)驗(yàn)中動(dòng)車(chē)所三維環(huán)境模型中的面元數(shù)量1 668個(gè)，邊緣數(shù)量8 328個(gè)。觀測(cè)點(diǎn)被設(shè)定為沿車(chē)道方向1 m間距的點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)總數(shù)量485個(gè)。復(fù)雜度量化以尋找單條直射射線路徑的計(jì)算量（ULOS）為單位進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)將觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)與相應(yīng)的交互模型元素?cái)?shù)量相乘，獲得每個(gè)多徑分量的計(jì)算復(fù)雜度。每種射線元素在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的計(jì)算復(fù)雜度如表1所示。從表1中可以看出，射線跟蹤的計(jì)算元素階數(shù)每上升一階，計(jì)算復(fù)雜度會(huì)成幾何倍數(shù)增長(zhǎng)。為保證計(jì)算效率，本實(shí)驗(yàn)中所有的射線跟蹤計(jì)算結(jié)果都采用最高二階元素進(jìn)行計(jì)算。

表1 射線元素計(jì)算復(fù)雜度Tab.1 Computational complexity of ray elements

目前，本射線跟蹤模擬器被搭載在主頻為2.2 GHz的32線程CPU處理器工作站上，單條車(chē)道的無(wú)線覆蓋曲線計(jì)算時(shí)間約為500 s。為比較不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)對(duì)計(jì)算效率的影響，相同的仿真計(jì)算被搭載在普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，該計(jì)算機(jī)配置3.0 GHz主頻的8線程CPU處理器，單條車(chē)道的無(wú)線覆蓋曲線計(jì)算時(shí)間約為3 300 s，計(jì)算效率相較高性能工作站降低約85%。因此采用高主頻、多線程的CPU對(duì)仿真算法進(jìn)行處理，能極大的優(yōu)化仿真計(jì)算效率。

完成算法效率的優(yōu)化后，通過(guò)對(duì)比仿真計(jì)算和實(shí)地測(cè)試結(jié)果，對(duì)射線跟蹤仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在仿真設(shè)定中，將天線放置在5條車(chē)道的中間一條車(chē)道一端承重柱旁，設(shè)定的高度為距離地面3 m。發(fā)射天線和接收天線皆為全向天線，天線的極化方向?yàn)榇怪睒O化，信號(hào)發(fā)射頻率為930 MHz，天線的出射功率為37 dBm（5 W）。為保持仿真計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的統(tǒng)一性，接收天線位置高度被設(shè)定為汽車(chē)車(chē)頂高度，觀測(cè)點(diǎn)配置為沿車(chē)道方向2 m、間距為1 m的觀測(cè)點(diǎn)。

驗(yàn)證過(guò)程中，仿真計(jì)算主要進(jìn)行兩方面的計(jì)算，即天饋系統(tǒng)所在的當(dāng)前車(chē)道和鄰近車(chē)道的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況。相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)通過(guò)在動(dòng)車(chē)所合適地點(diǎn)放置發(fā)射天線支架，同時(shí)駕駛車(chē)頂設(shè)有接收天線的汽車(chē)在尚未鋪軌的車(chē)道上勻速行駛，獲得這兩條存車(chē)線沿線的接收信號(hào)強(qiáng)度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 實(shí)際測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of actual test and simulation results

從結(jié)果中可以看出，當(dāng)前車(chē)道的接收信號(hào)強(qiáng)度相比相鄰車(chē)道大約高出10 dBm。造成這種現(xiàn)象的原因是上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所內(nèi)結(jié)構(gòu)體相對(duì)封閉，天饋系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前車(chē)道的信號(hào)覆蓋情況與隧道環(huán)境相類(lèi)似，周邊結(jié)構(gòu)體的反射導(dǎo)致的多徑效應(yīng)使沿線的接收信號(hào)強(qiáng)度較大且有明顯起伏。與此同時(shí)，相鄰車(chē)道遠(yuǎn)端無(wú)線信號(hào)主要由透射或繞射組成，在有遮擋的情況下，無(wú)線傳播被遮擋物影響，導(dǎo)致相鄰車(chē)道的接收信號(hào)強(qiáng)度較弱。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真計(jì)算結(jié)果通過(guò)均方根誤差和平均絕對(duì)誤差進(jìn)行分析，如表2所示。結(jié)果顯示不論是在當(dāng)前車(chē)道還是相鄰車(chē)道中，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果之間的均方根誤差都在5 dB左右，平均絕對(duì)誤差都在4 dB左右。結(jié)果對(duì)比表明，射線跟蹤的計(jì)算結(jié)果與實(shí)地實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果保持了基本的一致性。

表2 對(duì)比結(jié)果誤差分析Tab.2 Error analysis of comparison results

從結(jié)果中也可以看出，當(dāng)前車(chē)道的計(jì)算結(jié)果相較于相鄰車(chē)道誤差較大，經(jīng)分析主要由兩個(gè)因素導(dǎo)致此問(wèn)題：一是仿真計(jì)算只面向一階、二階的反射及繞射計(jì)算，然而在距離天線較遠(yuǎn)的一端，更高階的反射對(duì)結(jié)果的影響會(huì)相對(duì)增加，因此得出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)生偏移；二是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和搭建的理想建筑模型有所不同，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地由于現(xiàn)場(chǎng)工程正在進(jìn)行，周?chē)鷶[放的大型設(shè)備以及堆放的工程材料同樣對(duì)實(shí)地測(cè)試結(jié)果造成一定的影響。

為探索高階反射對(duì)結(jié)果的影響，將一階計(jì)算結(jié)果與二階計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示。二階計(jì)算結(jié)果相比一階計(jì)算結(jié)果誤差較小，當(dāng)前車(chē)道結(jié)果的均方根誤差相差0.38 dB，相鄰車(chē)道結(jié)果均方根誤差相差0.16 dB。從結(jié)果分析，高階計(jì)算可以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度，但影響無(wú)線信號(hào)傳播的主要因素是低階計(jì)算，采用低階計(jì)算能較準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，更加高效的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

表3 低階計(jì)算結(jié)果均方根誤差分析Tab.3 Root mean square error analysis of low-order calculation results

4 無(wú)線覆蓋預(yù)測(cè)及方案優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了在上蓋物業(yè)高鐵大型設(shè)施中，應(yīng)用射線跟蹤技術(shù)得到的仿真結(jié)果能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出真實(shí)環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況。下面利用仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)杭州西動(dòng)車(chē)所的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

通過(guò)上文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，不論天饋系統(tǒng)位于當(dāng)前車(chē)道還是相鄰車(chē)道，車(chē)道沿線的接收信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)，能滿足動(dòng)車(chē)所內(nèi)無(wú)線業(yè)務(wù)的要求。然而由于實(shí)驗(yàn)條件限制，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定天饋系統(tǒng)設(shè)置的最優(yōu)方案，因此可以利用射線跟蹤技術(shù)針對(duì)不同的環(huán)境條件進(jìn)行仿真計(jì)算，確定單套天饋系統(tǒng)的最大覆蓋范圍，從而對(duì)存車(chē)場(chǎng)內(nèi)天饋系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量進(jìn)行控制。

單套天饋系統(tǒng)對(duì)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)頂天線所在平面（離地高4.5 m）的無(wú)線覆蓋仿真結(jié)果如圖3所示。天饋系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前車(chē)道的覆蓋效果最佳，并且鄰近車(chē)道甚至相隔幾條車(chē)道上依舊可以一定程度的接收到無(wú)線信號(hào)。

圖3 動(dòng)車(chē)所內(nèi)部單套天饋系統(tǒng)平面覆蓋仿真結(jié)果Fig.3 Plane coverage simulation results of single antenna feeder system inside EMU depot

為優(yōu)化該動(dòng)車(chē)所內(nèi)的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每條車(chē)道的無(wú)線覆蓋結(jié)果被分別提取對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，單套天饋系統(tǒng)可以有效的覆蓋當(dāng)前車(chē)道、相鄰車(chē)道以及間隔1條車(chē)道。從間隔2條車(chē)道開(kāi)始，會(huì)出現(xiàn)一定程度的信號(hào)衰落。隨著間隔車(chē)道數(shù)量的增加，信號(hào)衰落也會(huì)隨之變得更加嚴(yán)重，間隔4條車(chē)道的時(shí)候，車(chē)道后段的接收信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)被極大程度的衰減了。

圖4 動(dòng)車(chē)所內(nèi)部單套天饋系統(tǒng)對(duì)不同車(chē)道的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of wireless signal coverage of different tracks by single antenna feeder system inside EMU depot

從仿真結(jié)果可看出，單套天饋系統(tǒng)的最佳覆蓋范圍應(yīng)為當(dāng)前車(chē)道、相鄰車(chē)道以及間隔1條車(chē)道，考慮到動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，單套天饋系統(tǒng)的最佳覆蓋車(chē)道數(shù)量應(yīng)為5條。

上述仿真皆是在動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有?？咳魏舞F路機(jī)車(chē)的情況進(jìn)行，然而該種情況在動(dòng)車(chē)所的日常實(shí)際中極少出現(xiàn)。在動(dòng)車(chē)所投入使用前，不具備現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)存車(chē)場(chǎng)內(nèi)有車(chē)輛?？壳闆r下的無(wú)線信號(hào)傳播進(jìn)行實(shí)地評(píng)估，因此更加需要使用射線跟蹤技術(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

在動(dòng)車(chē)所三維環(huán)境模型的車(chē)道上加載鐵路機(jī)車(chē)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組一節(jié)車(chē)廂長(zhǎng)度為209 m，車(chē)體寬度3 360 mm，車(chē)輛高度4 050 mm，無(wú)線信號(hào)由車(chē)頂?shù)能?chē)載天線進(jìn)行接收，天線高度約為離地4.5 m。為簡(jiǎn)化三維模型，動(dòng)車(chē)組被簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體的金屬塊，每條車(chē)道中可順序?？?輛動(dòng)車(chē)組列車(chē)。動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)全部停滿的極端情況如圖5所示。

圖5 動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)全部停滿動(dòng)車(chē)組情況下的三維模型Fig.5 3D model under the condition that all EMUs are stabled in the storage yard of EMU depot

基于上文的仿真結(jié)果，本次仿真僅針對(duì)當(dāng)前車(chē)道、相鄰車(chē)道以及間隔1條車(chē)道這3條車(chē)道的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況進(jìn)行仿真計(jì)算，動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)全部停滿動(dòng)車(chē)組情況下與存車(chē)場(chǎng)空置情況下的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖6所示?？梢钥闯龃孳?chē)場(chǎng)內(nèi)停留的動(dòng)車(chē)組會(huì)對(duì)無(wú)線傳播造成一定的影響，但是在這3條車(chē)道上，無(wú)線信號(hào)覆蓋情況沒(méi)有顯示出明顯的惡化，因此并不影響存車(chē)場(chǎng)內(nèi)的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖6 動(dòng)車(chē)所存車(chē)場(chǎng)全部停滿動(dòng)車(chē)組情況下仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results under the condition that all EMUs are stabled in the storage yard of EMU depot

5 結(jié)論

本文提出一種基于BIM和射線跟蹤技術(shù)的上蓋物業(yè)動(dòng)車(chē)所無(wú)線覆蓋仿真預(yù)測(cè)方法。仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該方法能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)設(shè)施內(nèi)的無(wú)線覆蓋。在實(shí)際場(chǎng)景中，本文以新建的杭州西動(dòng)車(chē)所為例，通過(guò)仿真得出此類(lèi)場(chǎng)景中無(wú)線系統(tǒng)對(duì)車(chē)頂天線的最佳覆蓋方式為單套天饋系統(tǒng)覆蓋5條相鄰車(chē)道。該結(jié)果可為此種鐵路環(huán)境下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃提供指導(dǎo)，對(duì)后續(xù)相似環(huán)境下的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。