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摘要:鐵路列車(chē)無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)是鐵路行車(chē)安全保障的重要手段。鐵道部規(guī)定鐵路區(qū)間實(shí)現(xiàn)無(wú)線調(diào)度場(chǎng)強(qiáng)全覆蓋,因此,解決弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)無(wú)線覆蓋問(wèn)題尤為重要。文章介紹了福廈鐵路的概況,論證了鐵路GSM-R系統(tǒng)、場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方式盒弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)方案。
關(guān)鍵詞:福廈鐵路;GSM-R系統(tǒng);光纖直放站;弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng);無(wú)線覆蓋鐵路無(wú)線列車(chē)調(diào)度通信系統(tǒng)是鐵路行車(chē)指揮系統(tǒng)的重要組成部分,在保障行車(chē)安全、提高運(yùn)輸效率方面發(fā)揮著重要作用,其通信質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到鐵路的行車(chē)安全。無(wú)線列調(diào)通信中,由于地形影響,導(dǎo)致機(jī)車(chē)與車(chē)站問(wèn)的無(wú)線信號(hào)衰減太大,使機(jī)車(chē)與車(chē)站間無(wú)法有效通信,這種區(qū)域稱為盲區(qū),或弱場(chǎng)區(qū)。在無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)合理地選用弱場(chǎng)區(qū)覆蓋方案,保證良好的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋,以滿足列車(chē)調(diào)度的高可靠性要求。
一、福廈鐵路介紹
福廈鐵路作為《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目,是我國(guó)鐵路“十五”規(guī)劃“八縱八橫”路網(wǎng)主骨架之一,也是我省第一條高速鐵路。福廈鐵路北起福州,經(jīng)福清、莆田、泉州、晉江,到達(dá)廈門(mén),全長(zhǎng)273km。
福廈鐵路是福建省第一條城際間快速客貨運(yùn)通道,具有速度快、高密度、大能力、安全、舒適、節(jié)省運(yùn)費(fèi)等優(yōu)勢(shì),將有效改善沿線地區(qū)交通和投資環(huán)境,更加充分發(fā)揮區(qū)域優(yōu)勢(shì)、港口優(yōu)勢(shì)和開(kāi)放優(yōu)勢(shì),加快海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)。
二、鐵路GSM-R系統(tǒng)
鐵路GSM-R(GSM for Railway)系統(tǒng)是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無(wú)線通信系統(tǒng)GSM平臺(tái)上的、專門(mén)為滿足鐵路應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的數(shù)字式的無(wú)線通信系統(tǒng),針對(duì)鐵路通信列車(chē)調(diào)度、列車(chē)控制、支持高速列車(chē)等特點(diǎn),為鐵路運(yùn)營(yíng)提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無(wú)線通信系統(tǒng)。從集群通信的角度來(lái)看,GSM-R是一種數(shù)字式的集群系統(tǒng),能提供無(wú)線列調(diào)、編組調(diào)車(chē)通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維修組通信等語(yǔ)音通信功能。GSM-R能滿足列車(chē)運(yùn)行速度為0～500km/h的無(wú)線通信要求,安全性好。GSM-R可作為信號(hào)及列控系統(tǒng)的良好傳輸平臺(tái),正在試驗(yàn)中的ETCS歐洲列車(chē)控制系統(tǒng) #8197;(也稱FZB)和另一種用于160km以下的低成本的列車(chē)控制系統(tǒng) #8197;(FFB),都是將GSM-R作為傳輸平臺(tái)。
GSM-R中文全稱為鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),是一種專門(mén)為鐵路設(shè)計(jì)的專業(yè)無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng),是中國(guó)首次從歐洲引進(jìn)的移動(dòng)通信鐵路專用系統(tǒng),它除了能提供無(wú)線列調(diào)、編組調(diào)車(chē)通信、應(yīng)急通信、養(yǎng)護(hù)維修通信等語(yǔ)音通信功能外,還能夠滿足列車(chē)運(yùn)行速度每小時(shí)500km的無(wú)線通信要求。
GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決的主要問(wèn)題有:信道擁塞率高、呼叫成功率低;越區(qū)切換失敗率高,掉話嚴(yán)重;通話質(zhì)量低、有串音;移動(dòng)臺(tái)占用話音信道后呼叫釋放、出現(xiàn)振鈴后無(wú)通話、移動(dòng)臺(tái)接通后單邊通話;設(shè)備完好率較低;中繼電路的配置與實(shí)際話務(wù)不相符、電路群的每線話務(wù)量差別較大等。
三、場(chǎng)強(qiáng)覆蓋方式
一般地說(shuō),GSM-R網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋是在沿鐵路軌道方向安裝定向天線,形成沿路軌大橢圓形小區(qū),但在話務(wù)量較大而速度要求較低的編組站內(nèi)采用扇形小區(qū)覆蓋,而在人口密度不高的低速路段和軌道交織處一般是無(wú)CTCS #8197;(ChineseTrain Control System)系統(tǒng)的農(nóng)村地區(qū)采用全向小區(qū)覆蓋。鐵路帶狀的特點(diǎn).決定了鐵路場(chǎng)強(qiáng)覆蓋采用線狀覆蓋方式。
場(chǎng)強(qiáng)覆蓋往往和具體的地理位置分布相關(guān),根據(jù)具體的地理環(huán)境和基站的實(shí)際情況可以進(jìn)行許多方面調(diào)整。改善下行鏈路的信號(hào)覆蓋,可以采用提高基站的發(fā)射功率、增加天線的掛高、調(diào)整天線的水平角或垂直角和安裝直放站等措施。一般來(lái)說(shuō),上述各種方法需綜合使用,才能達(dá)到滿意的覆蓋。當(dāng)某些基站或小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度提高時(shí),還應(yīng)綜合考慮其他問(wèn)題,尤其是相鄰小區(qū)的同鄰頻干擾問(wèn)題。若上行鏈路的接收信號(hào)不是很好,可以考慮在基站的天線塔上安放塔頂放大器或降低饋線和跳線的損耗,以增強(qiáng)天線的接收信號(hào)強(qiáng)度。
四、弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)方案
根據(jù)GSM-R應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn),一般地,對(duì)于山體阻擋及路塹等弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū),可采用增加光纖直放站的解決方案:對(duì)于隧道弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū),可采用增加光纖直放站、漏纜 天線的解決方案;對(duì)于特大橋隧,可采用光纖直放站及漏纜 天線的組合解決方案:對(duì)開(kāi)闊地域,既可采用基站,也可采用無(wú)線直放站或光纖直放站的解決方案。目前,對(duì)弱場(chǎng)處理的方案較多,既可采用單獨(dú)方案解決,也可采用組合方案解決。目前解決區(qū)間弱場(chǎng)區(qū)主要有以下方式:(1)布放中繼器及架設(shè)漏泄電纜;(2)布放無(wú)線中繼臺(tái)設(shè)備;(3)布放光直放站設(shè)備;(4)感應(yīng)通信方式“400M 400k”。
(一)布放中繼器及架設(shè)漏泄電纜方式
場(chǎng)強(qiáng)覆蓋系統(tǒng)采用異頻雙工、半雙工方式解決鐵路隧道內(nèi)弱場(chǎng)覆蓋的技術(shù)是目前最常用的解決方案之一。系統(tǒng)由洞口中繼器、洞內(nèi)中繼器、漏泄電纜及其相應(yīng)配件組成。當(dāng)隧道長(zhǎng)度超過(guò)漏泄電纜的最大限制長(zhǎng)度時(shí),必須在隧道內(nèi)設(shè)置洞內(nèi)中繼器,以放大漏纜傳輸信號(hào)。因此,組網(wǎng)時(shí)根據(jù)隧道長(zhǎng)度和所用漏泄電纜性能的不同,有中小型隧道和長(zhǎng)大隧道兩種方案:前者,在隧道口設(shè)置洞口中繼器,隧道內(nèi)壁掛漏泄電纜;后者,在隧道口設(shè)置洞口中繼器,隧道內(nèi)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)洞內(nèi)中繼器,隧道內(nèi)壁掛漏泄電纜。洞口中繼器通過(guò)天線接收到來(lái)自車(chē)站臺(tái)的信號(hào)后,傳送到漏泄電纜,完成隧道內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。隧道內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)波由漏纜和中繼器通過(guò)天線發(fā)送給車(chē)站臺(tái)。本方案場(chǎng)強(qiáng)覆蓋效果好,易于控制,技術(shù)成熟。但漏泄電纜造價(jià)較高,維修困難,只能應(yīng)用于收發(fā)異頻的系統(tǒng)。
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系統(tǒng)由I型中繼器(洞口中繼器)、Ⅱ型中繼器(洞內(nèi)中繼器)、漏泄電纜及其配件組成。系統(tǒng)采用漏泄電纜外泄信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)弱場(chǎng)區(qū)的覆蓋。I型中繼器一般設(shè)置在離車(chē)站較近的地方,以保證車(chē)站電臺(tái)的射頻信號(hào)電平能夠啟動(dòng)I型中繼器進(jìn)入工作狀態(tài);射頻信號(hào)經(jīng)I型中繼器放大之后由漏泄電纜外泄,達(dá)到覆蓋弱場(chǎng)區(qū)的目的;當(dāng)弱場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度超過(guò)漏泄電纜的最大長(zhǎng)度時(shí),必須設(shè)置Ⅱ型中繼器,以放大漏泄電纜的傳輸信號(hào)。I型中繼器通過(guò)天線與車(chē)站電臺(tái)傳遞無(wú)線射頻信號(hào)。當(dāng)I型中繼器接收到來(lái)自車(chē)站電臺(tái)的下行信號(hào)時(shí),將信號(hào)傳送到漏泄電纜,經(jīng)過(guò)信號(hào)外泄完成弱場(chǎng)區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋;弱場(chǎng)區(qū)的移動(dòng)電臺(tái)發(fā)射的電波由漏泄電纜和中繼器通過(guò)天線發(fā)送給車(chē)站電臺(tái)。
由于弱場(chǎng)區(qū)地形的不同,中繼器、漏纜可以有多種組合方式。(1)I型中繼器(1臺(tái)) 漏纜;(2)I型中繼器(1臺(tái)) Ⅱ型中繼器 漏纜;(3)I型中繼器(多臺(tái)) Ⅱ型中繼器 漏纜。
當(dāng)弱場(chǎng)區(qū)地形比較多變時(shí),比如經(jīng)過(guò)一段山丘或隧道之后,有1km左右的開(kāi)闊可視地段,接著又是隧道或者山丘,Ⅱ型中繼器通過(guò)天線發(fā)出的射頻信號(hào)覆蓋開(kāi)闊地段,同時(shí),此射頻信號(hào)開(kāi)啟下一個(gè)I型中繼器。這種組合節(jié)省漏纜,降低了投資成本。工程中同一個(gè)半?yún)^(qū)間中繼器的數(shù)量不易過(guò)多,最多不超過(guò)8個(gè)。
漏泄電纜過(guò)長(zhǎng),末端就會(huì)出現(xiàn)弱場(chǎng);漏泄電纜過(guò)短,則會(huì)增加投資成本。所以,工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該權(quán)衡上下行信號(hào)的鏈路平衡,合理取定漏泄電纜的長(zhǎng)度。
漏纜長(zhǎng)度理論值計(jì)算公式為:
d=(Pt-L1-L2-Δ-ΔL-Vmin-M-S1)/S2(單位:km)
其中:
Pt——發(fā)射功率;
Ll——中繼器饋線損耗;
L2——機(jī)車(chē)天線饋線損耗;
Δ——各種接頭損耗,A=3dB;
ΔL——避雷器插入損耗,AL=0.3dB;
Vmin——機(jī)車(chē)最小可用電平(或中繼器輸入電平);
M——設(shè)計(jì)儲(chǔ)備量,M=6.5dB;
S1——漏纜耦合損耗;
S2——漏纜傳輸損耗(單位:dB/km)。
(二)布放無(wú)線中繼臺(tái)設(shè)備方式
系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)區(qū)間互控中繼臺(tái)配合適當(dāng)?shù)奶炀�,通過(guò)4芯(或2芯)電纜通道與相應(yīng)車(chē)站臺(tái)構(gòu)成鏈狀網(wǎng)。區(qū)間互控中繼臺(tái)供電可通過(guò)4芯電纜中的2芯(或同一2芯電纜通道)由相應(yīng)的車(chē)站臺(tái)遠(yuǎn)供,也可由本地供電。每個(gè)車(chē)站臺(tái)單方向最多可控制15個(gè)互控中繼臺(tái),最長(zhǎng)距離不超過(guò)20km。
互控中繼臺(tái)無(wú)線信道采用異頻單/雙工方式。當(dāng)車(chē)站臺(tái)發(fā)起呼叫機(jī)車(chē)臺(tái)的下行呼叫時(shí),通過(guò)4芯(或2芯)電纜通道將信號(hào)傳輸?shù)狡溥B接的所有區(qū)間互控中繼臺(tái)(從距車(chē)站臺(tái)最近的互控中繼臺(tái)起編號(hào)為1～n)上,并一起發(fā)射呼叫信息;位于互控中繼臺(tái)覆蓋范圍內(nèi)的機(jī)車(chē)臺(tái)在所接收到的無(wú)線信號(hào)中選擇最強(qiáng)的信號(hào)作為接收呼叫,并為應(yīng)答車(chē)站臺(tái)發(fā)起上行呼叫,設(shè)其中第1TI(1
(三)布放光直放站設(shè)備方式
系統(tǒng)由光直放站近端機(jī)(光近端機(jī))、光直放站遠(yuǎn)端機(jī)(光遠(yuǎn)端機(jī))、光纖和網(wǎng)管設(shè)備等組成。光近端機(jī)應(yīng)設(shè)置在車(chē)站內(nèi)距離車(chē)站電臺(tái)較近的位置,通過(guò)射頻耦合器與車(chē)站電臺(tái)進(jìn)行射頻信號(hào)傳遞;通過(guò)光纖和光遠(yuǎn)端機(jī)連接;通過(guò)RS232、RS422或音頻四線接口與網(wǎng)管設(shè)備連接。下行方向,車(chē)站電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入光近端機(jī)進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換,通過(guò)光纖傳送至光遠(yuǎn)端機(jī),光遠(yuǎn)端機(jī)把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后通過(guò)天線發(fā)往移動(dòng)臺(tái);上行方向,光遠(yuǎn)端機(jī)把移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的無(wú)線射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),通過(guò)光纖傳送至光近端機(jī),光近端機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后,通過(guò)耦合器將射頻信號(hào)饋入車(chē)站電臺(tái)。直放站網(wǎng)管是為監(jiān)測(cè)光纖直放站設(shè)備而開(kāi)發(fā)的網(wǎng)管系統(tǒng),能夠提供光近端機(jī)、光遠(yuǎn)端機(jī)和模塊等的故障報(bào)警,以及對(duì)直放站的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)管終端一般設(shè)置在無(wú)線檢修所或者無(wú)線檢修工區(qū)。
光直放站設(shè)備組網(wǎng)比較簡(jiǎn)單,其方式為:(1)一拖一方式,即一個(gè)光近端機(jī)連接一個(gè)光遠(yuǎn)端機(jī);(2)一拖多方式,即一個(gè)光近端機(jī)連接多個(gè)光遠(yuǎn)端機(jī)。此時(shí)光近端機(jī)與光遠(yuǎn)端機(jī)之間可以星型連接,也可以共線連接。
(四)布放感應(yīng)通信方式“400M 400k”
系統(tǒng)由“400M 400k”感應(yīng)電臺(tái)及過(guò)相裝置構(gòu)成。組網(wǎng)時(shí)設(shè)置車(chē)站臺(tái)、機(jī)車(chē)臺(tái)和手持臺(tái),并在接觸網(wǎng)分相處設(shè)置過(guò)相裝置�！�400M 400k”感應(yīng)電臺(tái)是400MHz頻段和400kHz頻段合為一體的電臺(tái),兩頻段同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收,按二路話音輸出方式工作。如果其中一路話音輸出不能滿足話音質(zhì)量指標(biāo)要求,將自動(dòng)關(guān)閉。400kHz號(hào)的傳輸方式是利用波導(dǎo)感應(yīng)原理,將400kHz信號(hào)感應(yīng)到電力接觸網(wǎng)導(dǎo)線上,利用接觸網(wǎng)做波導(dǎo)線傳輸信號(hào),它在區(qū)間內(nèi)通信覆蓋率達(dá)100%。在平原地區(qū)以及車(chē)站的多股道無(wú)電區(qū),以400MH頻段為主,利用兩頻段傳輸之間的互補(bǔ),形成“400M 400k”的合體電臺(tái)。
其優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)比漏纜方式低,適用于多路塹、多隧道的山區(qū)電氣化鐵路,但必須依靠電氣化鐵路的接觸網(wǎng)設(shè)備才能進(jìn)行傳輸,有一定的局限性。天線不易小型化,產(chǎn)品選擇余地小。該方式一直沒(méi)有大范圍使用。
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,將會(huì)有更先進(jìn)的技術(shù)用于解決無(wú)線列調(diào)的弱場(chǎng)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。但是,任何相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)都有優(yōu)劣之分,不管選擇哪種方案解決弱場(chǎng)區(qū)問(wèn)題,都應(yīng)綜合考慮線路地形、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等具體因素并進(jìn)行比較,以選用適合工程的最佳解決方案。
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作者簡(jiǎn)介:李小俊 #8197;(1983-),男,湖北隨州人,中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司助理工程師,研究方向:鐵路通信工程施工及管理。