李津漢

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063）

城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施，包括大型站房、動車所等，由于占地規(guī)模較大且多位于城市中心地區(qū)，對所在城市的土地規(guī)劃和利用會產(chǎn)生一定影響。為綜合利用城市土地，對城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施進行上蓋物業(yè)開發(fā)，能有效提升土地利用率，優(yōu)化城市景觀，同時提高經(jīng)濟效益與社會效益。作為城市內(nèi)高鐵大型設(shè)施的主要形式之一，動車運用所（簡稱動車所）大多位于高鐵大型站附近，是承擔(dān)動車組的基本維修工作以及存車作業(yè)的維修整備場所[1]。由于動車所功能較為單一，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)計進行建設(shè)和開發(fā)，因此上蓋物業(yè)建設(shè)方案在動車所的施工設(shè)計中得到越來越多的重視和應(yīng)用，如杭州艮山門[2]、寧波邱隘[3]等多個建設(shè)中的附帶上蓋物業(yè)開發(fā)的新（改）建動車段所。

然而對動車所添加上蓋物業(yè)，會極大程度的改變存車場內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)布局，將其從常規(guī)的室外開放空間變?yōu)槭覂?nèi)空間，對設(shè)施內(nèi)的無線通信系統(tǒng)提出了更高要求。動車所內(nèi)無線通信系統(tǒng)承載了調(diào)度通信、行車調(diào)度命令信息、車次號校核信息無線傳送等行車相關(guān)業(yè)務(wù)和機車綜合無線通信設(shè)備（CIR）出/入庫檢測、列控車載設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）信息傳送等維護相關(guān)業(yè)務(wù)，這些無線通信業(yè)務(wù)對保障動車組列車正常運行和動車所正常運轉(zhuǎn)具有重要作用，因此對動車所內(nèi)無線通信質(zhì)量具有相當(dāng)高的要求[4]。上蓋物業(yè)動車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)以及對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的較高要求，使該場景下的無線網(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)的開放式鐵路環(huán)境，環(huán)境中影響無線網(wǎng)絡(luò)傳播的建筑結(jié)構(gòu)更加細小和復(fù)雜，因此常規(guī)用于鐵路環(huán)境下的無線傳播經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚5-8]無法達到足夠的預(yù)測精準度。

為提高上蓋物業(yè)動車所中無線覆蓋預(yù)測精度，從而有效指導(dǎo)無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計，本文提出一種基于BIM和射線跟蹤技術(shù)的無線覆蓋預(yù)測方法，通過建立高效的三維環(huán)境模型并進行與環(huán)境相適應(yīng)的仿真計算，獲得高精度的無線覆蓋預(yù)測結(jié)果。同時以新建杭州西動車所為例，運用無線覆蓋預(yù)測結(jié)果，探討此種環(huán)境下的無線系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則，對后續(xù)相似環(huán)境下的無線覆蓋設(shè)計具有參考價值。

1 射線跟蹤原理及算法規(guī)則

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

由于動車所場景分布在較大的物理尺度上，限制觀測點的數(shù)量能有效提升計算效率。車所內(nèi)的無線覆蓋主要關(guān)注鐵路動車車頂天線的無線信號接收情況[13]，因此仿真計算只需集中在沿鐵路軌道的一條直線上即可。為有效利用鐵路場景中觀測點線狀排布的特點，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]，將每個觀測點與其對應(yīng)的信號發(fā)射源建立成對的映射關(guān)系，計算環(huán)境模型中障礙物對無線信號傳播的影響。每個觀測點的無線信號接收功率是將所有接收到的多徑傳播分量進行相干疊加，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方位角和俯仰角，Ei是接收天線處的無線信號電場強度，其計算方式如公式（2）所示。

接收電場強度計算以矩陣的形式考慮了發(fā)射天線兩個不同的極化分量，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)射天線與觀測點之間的輻射距離，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表示兩個對應(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)計中越來越普遍的BIM設(shè)計及三維交付，為射線跟蹤計算的應(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)計算量龐大，即使是對算法本身進行針對環(huán)境特點的優(yōu)化，仍需要對三維環(huán)境模型進行簡化，以提高無線覆蓋仿真計算效率。在上蓋物業(yè)動車所這種尺寸龐大的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。下面以杭州西動車所的存車場為例，討論將BIM設(shè)計模型處理成為適合射線跟蹤計算的三維環(huán)境模型的方法。

杭州西動車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，是國內(nèi)首批配置上蓋物業(yè)建設(shè)的動車所。截至2022年6月，該工程一期工程已完工且已完成通信專業(yè)動態(tài)驗收，預(yù)計2022年8月底開通運行。動車所內(nèi)一期工程存車場實施28條存車線，軸線長度約為480 m，一層蓋板高度為10 m。其存車場設(shè)計如圖1（a）所示?？梢钥闯觯孳噲鲋械闹w分布非常規(guī)律，28條存車線被27條直線分布的承重柱分隔形成。

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

圖1 杭州西動車所存車場Fig.1 Storage yard of Hangzhouxi EMU depot

獲得BIM設(shè)計模型后，模型被導(dǎo)入到Autodesk 3dsmax中進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。動車所模型中所有重疊的面元皆來自于承重柱的上/下平面。由于通過Revit建模得到的柱體都為獨立的封閉模型，因此BIM模型中承重柱與地面和蓋板相接的部分會有重疊面元被保留下來。導(dǎo)入3dsmax后，可以更加方便的對模型中的每一個面元進行編輯，因此可快速選中所有的重疊面元，直接進行刪除。

第二步是對模型進行材質(zhì)電磁參數(shù)賦值。射線跟蹤在計算電磁波傳播的過程中，遇到反射以及繞射計算時，材料的復(fù)介電常數(shù)是必要的計算參數(shù)。與現(xiàn)場實際環(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（測試時的實際場景），復(fù)介電常數(shù)為6.15–j0.64。這種環(huán)境材質(zhì)分類方式參考文獻[14]、[15]，在鐵路環(huán)境上能較好的描述周邊環(huán)境，契合射線跟蹤計算的需求。在3dsmax中通過貼圖的方式對不同的材質(zhì)進行表示，用灰色代表混凝土，土黃色代表泥土，經(jīng)上述兩個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行計算。為提升計算效率，簡化后的動車所環(huán)境相對理想，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嚴重程度分級：采集患者EUS-FNA術(shù)前及術(shù)后3、24 h的血清淀粉酶檢測數(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的嚴重程度根據(jù)Cotton等[8]制定的共識意見標(biāo)準分為3級：住院2～3 d為輕度AP，住院4～10 d為中度AP，住院超過10 d為重度AP。

3 仿真計算優(yōu)化

利用射線跟蹤技術(shù)進行動車所無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測前，需要先對算法的復(fù)雜度進行優(yōu)化。射線跟蹤的計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算相應(yīng)的路徑損耗。本文中的射線跟蹤計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程都需要遍歷環(huán)境模型中的每個面元和模型邊緣，然而只有很少的一部分模型元素能對無線傳播產(chǎn)生影響，因此算法中絕大部分的運算量集中在尋找射線路徑上。

本次實驗中動車所三維環(huán)境模型中的面元數(shù)量1 668個，邊緣數(shù)量8 328個。觀測點被設(shè)定為沿車道方向1 m間距的點，觀測點總數(shù)量485個。復(fù)雜度量化以尋找單條直射射線路徑的計算量（ULOS）為單位進行計算，通過將觀測點個數(shù)與相應(yīng)的交互模型元素數(shù)量相乘，獲得每個多徑分量的計算復(fù)雜度。每種射線元素在計算過程中產(chǎn)生的計算復(fù)雜度如表1所示。從表1中可以看出，射線跟蹤的計算元素階數(shù)每上升一階，計算復(fù)雜度會成幾何倍數(shù)增長。為保證計算效率，本實驗中所有的射線跟蹤計算結(jié)果都采用最高二階元素進行計算。

表1 射線元素計算復(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，單條車道的無線覆蓋曲線計算時間約為500 s。為比較不同的計算機平臺對計算效率的影響，相同的仿真計算被搭載在普通臺式計算機上進行對比實驗，該計算機配置3.0 GHz主頻的8線程CPU處理器，單條車道的無線覆蓋曲線計算時間約為3 300 s，計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對仿真算法進行處理，能極大的優(yōu)化仿真計算效率。

完成算法效率的優(yōu)化后，通過對比仿真計算和實地測試結(jié)果，對射線跟蹤仿真計算的準確性進行驗證和優(yōu)化。在仿真設(shè)定中，將天線放置在5條車道的中間一條車道一端承重柱旁，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，天線的極化方向為垂直極化，信號發(fā)射頻率為930 MHz，天線的出射功率為37 dBm（5 W）。為保持仿真計算與現(xiàn)場測試的統(tǒng)一性，接收天線位置高度被設(shè)定為汽車車頂高度，觀測點配置為沿車道方向2 m、間距為1 m的觀測點。

驗證過程中，仿真計算主要進行兩方面的計算，即天饋系統(tǒng)所在的當(dāng)前車道和鄰近車道的無線信號覆蓋情況。相對應(yīng)的現(xiàn)場測試實驗通過在動車所合適地點放置發(fā)射天線支架，同時駕駛車頂設(shè)有接收天線的汽車在尚未鋪軌的車道上勻速行駛，獲得這兩條存車線沿線的接收信號強度曲線。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 實際測試和仿真結(jié)果對比Fig.2 Comparison of actual test and simulation results

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

實驗測試和仿真計算結(jié)果通過均方根誤差和平均絕對誤差進行分析，如表2所示。結(jié)果顯示不論是在當(dāng)前車道還是相鄰車道中，實驗和仿真結(jié)果之間的均方根誤差都在5 dB左右，平均絕對誤差都在4 dB左右。結(jié)果對比表明，射線跟蹤的計算結(jié)果與實地實驗測試結(jié)果保持了基本的一致性。

表2 對比結(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)前車道的計算結(jié)果相較于相鄰車道誤差較大，經(jīng)分析主要由兩個因素導(dǎo)致此問題：一是仿真計算只面向一階、二階的反射及繞射計算，然而在距離天線較遠的一端，更高階的反射對結(jié)果的影響會相對增加，因此得出的結(jié)果與實際測試結(jié)果發(fā)生偏移；二是現(xiàn)場實驗環(huán)境和搭建的理想建筑模型有所不同，實驗場地由于現(xiàn)場工程正在進行，周圍擺放的大型設(shè)備以及堆放的工程材料同樣對實地測試結(jié)果造成一定的影響。

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

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

4 無線覆蓋預(yù)測及方案優(yōu)化

現(xiàn)場測試結(jié)果驗證了在上蓋物業(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)果能較準確地預(yù)測出真實環(huán)境下的無線信號覆蓋情況。下面利用仿真計算結(jié)果對杭州西動車所的無線系統(tǒng)設(shè)計合理性進行評估和優(yōu)化。

通過上文的實驗結(jié)果分析，不論天饋系統(tǒng)位于當(dāng)前車道還是相鄰車道，車道沿線的接收信號強度較強，能滿足動車所內(nèi)無線業(yè)務(wù)的要求。然而由于實驗條件限制，無法通過實驗確定天饋系統(tǒng)設(shè)置的最優(yōu)方案，因此可以利用射線跟蹤技術(shù)針對不同的環(huán)境條件進行仿真計算，確定單套天饋系統(tǒng)的最大覆蓋范圍，從而對存車場內(nèi)天饋系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量進行控制。

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

圖3 動車所內(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)化該動車所內(nèi)的無線系統(tǒng)設(shè)計，每條車道的無線覆蓋結(jié)果被分別提取對比，對比結(jié)果如圖4所示。從對比結(jié)果可以看出，單套天饋系統(tǒng)可以有效的覆蓋當(dāng)前車道、相鄰車道以及間隔1條車道。從間隔2條車道開始，會出現(xiàn)一定程度的信號衰落。隨著間隔車道數(shù)量的增加，信號衰落也會隨之變得更加嚴重，間隔4條車道的時候，車道后段的接收信號強度已經(jīng)被極大程度的衰減了。

圖4 動車所內(nèi)部單套天饋系統(tǒng)對不同車道的無線信號覆蓋情況仿真結(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)前車道、相鄰車道以及間隔1條車道，考慮到動車所存車場結(jié)構(gòu)的對稱性，單套天饋系統(tǒng)的最佳覆蓋車道數(shù)量應(yīng)為5條。

上述仿真皆是在動車所存車場內(nèi)沒有停靠任何鐵路機車的情況進行，然而該種情況在動車所的日常實際中極少出現(xiàn)。在動車所投入使用前，不具備現(xiàn)場條件對存車場內(nèi)有車輛?？壳闆r下的無線信號傳播進行實地評估，因此更加需要使用射線跟蹤技術(shù)進行仿真計算。

在動車所三維環(huán)境模型的車道上加載鐵路機車，國內(nèi)標(biāo)準動車組一節(jié)車廂長度為209 m，車體寬度3 360 mm，車輛高度4 050 mm，無線信號由車頂?shù)能囕d天線進行接收，天線高度約為離地4.5 m。為簡化三維模型，動車組被簡化為長方體的金屬塊，每條車道中可順序?？?輛動車組列車。動車所存車場全部停滿的極端情況如圖5所示。

圖5 動車所存車場全部停滿動車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，本次仿真僅針對當(dāng)前車道、相鄰車道以及間隔1條車道這3條車道的無線信號覆蓋情況進行仿真計算，動車所存車場全部停滿動車組情況下與存車場空置情況下的仿真計算結(jié)果對比如圖6所示?？梢钥闯龃孳噲鰞?nèi)停留的動車組會對無線傳播造成一定的影響，但是在這3條車道上，無線信號覆蓋情況沒有顯示出明顯的惡化，因此并不影響存車場內(nèi)的無線系統(tǒng)設(shè)計方案。

圖6 動車所存車場全部停滿動車組情況下仿真結(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)動車所無線覆蓋仿真預(yù)測方法。仿真計算結(jié)果與現(xiàn)場實驗結(jié)果對比表明，該方法能較準確地預(yù)測設(shè)施內(nèi)的無線覆蓋。在實際場景中，本文以新建的杭州西動車所為例，通過仿真得出此類場景中無線系統(tǒng)對車頂天線的最佳覆蓋方式為單套天饋系統(tǒng)覆蓋5條相鄰車道。該結(jié)果可為此種鐵路環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃提供指導(dǎo)，對后續(xù)相似環(huán)境下的無線系統(tǒng)設(shè)計具有一定的參考價值。