重載鐵路雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋方案研究

趙 旭

趙 旭:鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司 工程師 300251天津

我國客運專線路網(wǎng)基本形成后，全國貨運專線建設(shè)將進入攻堅階段，萬噸級、兩萬噸級重載鐵路將是貨運專線的重點。在重載線路中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)為機車同步操控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通道;重載列車通常為3臺機車牽引，機車位于全列車的前、中、后3個位置，前部主控機車向中、后部2臺從控機車發(fā)送控制信號，使3臺機車成為1個動力單元牽引列車前進。在客運專線CTCS-3級列控系統(tǒng)線路中，GSM-R提供的列控數(shù)據(jù)如果失敗，列車則會轉(zhuǎn)向CTCS-2級列控系統(tǒng)降速行駛;但在機車同步操控系統(tǒng)中，如果GSM-R提供的數(shù)據(jù)通道中斷或失敗，機車牽引無法同步，列車將停止或溜坡，危及行車安全。因此在重載鐵路列控系統(tǒng)中，要求GSM-R鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)必須具備高可靠性。

1 雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋難點

雙洞單線隧道通常為鐵路上、下行線路分別開挖的隧道工程，每條隧道中只有1條鐵路線，上、下行隧道內(nèi)由可供維修人員行走的連通洞連接，有的隧道中還有供車輛行駛的連通洞或斜井。雙洞單線隧道的2個隧道出入洞口可能不在一個里程上，洞口平行間距30 m或更大，如圖1所示。

圖1 雙洞單線隧道洞口

在雙洞單線隧道中，2條上、下行隧道間有一定間隔，其間雖然有連通洞，但對GSM-R信號屏蔽效果較大，通常在單個隧道內(nèi)1 km左右間隔布設(shè)光纖直放站遠端機，光纖直放站遠端機連接漏泄同軸電纜，對隧道內(nèi)進行GSM-R覆蓋;如果是長大隧道，為不使通信接入容量不夠造成掉話，還應(yīng)在隧道內(nèi)布置基站設(shè)備。這種覆蓋方案解決了雙洞單線隧道內(nèi)GSM-R信號覆蓋的問題，但無線信號無法區(qū)分上、下行列車;對于基站或光纖直放站設(shè)備來講，任何一個機車臺都是一個移動設(shè)備，會接入信號場強高的小區(qū)中。如圖2所示，假設(shè)一列上行列車在進入隧道前，接入了下行隧道的基站信號，由于下行隧道基站信號與上行隧道基站信號無切換關(guān)系，則列車進入隧道后就會產(chǎn)生掉話，機車同步數(shù)據(jù)就要中斷。另外，在雙洞單線長大隧道中安置基站，維修人員要行走很遠的距離才能到達故障點;如果2個洞內(nèi)都有移動設(shè)備，維修人員需要通過最近的橫通道進入對側(cè)隧道，再行走到故障位置，顯然增加了維修難度及維修時間。

圖2 列車產(chǎn)生誤切換示意圖

2 雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋方案

2.1 上、下行列車誤切換的解決

如前所述，上、下行列車產(chǎn)生掉話的原因是接入錯誤基站小區(qū)，且雙洞單線隧道彼此洞內(nèi)基站小區(qū)間無切換關(guān)系。解決此問題最直接的方法是在雙洞單線隧道內(nèi)基站小區(qū)間建立切換關(guān)系，即在相鄰基站內(nèi)建立切換關(guān)系數(shù)據(jù)庫。假設(shè)基站A、B、C是某重載鐵路的3個基站，如圖3所示，其中A基站位于隧道外，B基站是雙洞單線上行隧道洞內(nèi)第1個基站，C基站為下行隧道洞內(nèi)第1個基站;當列車X沿上行線路從A駛向B、C時，X列車由A基站信號轉(zhuǎn)而切入B基站小區(qū)，然而，在洞口附近C基站信號強于B基站時，X列車會接入C基站信號;在進入上行隧道內(nèi)，C基站與B基站有切換關(guān)系，X列車信號又切回B基站，切換成功無掉話。反之，當X列車沿下行隧道由C基站駛向A基站，因為C與B具有切換關(guān)系，則X列車駛出洞口后，會接入B基站信號，然后再向A基站信號切換。這會導(dǎo)致前部主控機車接入A基站，中部從控機車接入B基站，尾部從控機車接入C基站，而且這種接入關(guān)系還會隨當時洞口3個基站場強關(guān)系改變，非常容易引發(fā)乒乓切換。這樣建立的基站切換關(guān)系無法解決雙洞單線隧道誤切換問題。

圖3 建立切換關(guān)系方案示意圖

其實，誤切換問題產(chǎn)生于雙洞單線隧道洞口引入了3個基站信號 (A、B、C)，如果將其中一路信號去掉，就不會產(chǎn)生機車臺誤切換。假設(shè)仍然是A、B、C基站，如圖4所示，這次將B作為雙洞單線隧道口基站及上行隧道第1個基站信號，而C作為下行隧道洞內(nèi)第1個基站信號。X列車由洞外A基站駛向B、C基站，因為洞口只有A、B 2個基站信號，而越靠近B基站其場強越強，X列車由A基站切換入B基站，而進入上行隧道內(nèi)，B基站再與該洞內(nèi)下一個基站作切換;如果X列車由A進入C基站下行隧道內(nèi)時，需要將B基站與C基站間建立切換關(guān)系，X列車就會在下行隧道內(nèi)由B向C做切換。

工程上，隧道洞內(nèi)的覆蓋均由光纖直放站完成，B基站連接上行隧道及下行隧道洞口部分洞內(nèi)光纖直放站設(shè)備，下行隧道洞內(nèi)C基站連接光纖直放站需要與B基站所帶下行隧道內(nèi)光纖直放站具有切換區(qū)。B基站短段光纜可以通過隧道間聯(lián)通洞與對側(cè)直放站設(shè)備連接，連通洞內(nèi)短段光纜需要進行鋼管防護并沿洞室側(cè)壁上沿掛設(shè)。通過連通洞，短段光纜可以大幅減少從基站到光纖直放站的長度，避免出現(xiàn)相鄰直放站短段光纜差超過1.8 km引起的同頻干擾。

圖4 減少洞口信號方案示意圖

2.2 洞內(nèi)基站維護設(shè)置

隧道內(nèi)由于使用光纖直放站設(shè)備作為弱場覆蓋的主要設(shè)備，基站只作為信源設(shè)備存在，其信號通過短段光纜發(fā)送給光纖直放站，故基站可以邏輯上設(shè)置在隧道內(nèi)，實際上可以放置于隧道外。由于隧道內(nèi)屬于GSM-R交織覆蓋，單一基站故障不能影響隧道內(nèi)覆蓋及移動臺切換。隧道內(nèi)基站，在最遠直放站連接短段光纜不超過23 km情況下，將奇數(shù)與偶數(shù)基站分別在隧道外2個不同地點放置，同時，負責隧道兩端信號的基站不能與其具有邏輯相鄰關(guān)系的基站同址放置。短段光纜長度超過23 km的基站，可以在隧道洞內(nèi)靠近洞口處選擇洞室放置，以避免隧道外基站站點垮塌，多個基站同時損毀時，隧道內(nèi)仍然保持有效的GSM-R信號覆蓋，不危及行車安全。

3 總結(jié)

雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋的核心是不使移動臺產(chǎn)生乒乓切換或誤切換，設(shè)計上可以將洞口信號交由1個基站管理，由該基站對洞內(nèi)、洞外其他基站切換。工程上，短段光纜可以通過隧道間連通洞到達對側(cè)隧道，這樣有助于縮短短段光纜長度，提高光纖直放站覆蓋效果。雙洞單線隧道內(nèi)基站一定按照奇偶數(shù)基站分開放置的原則，選擇隧道外或隧道洞內(nèi)靠近洞口處隧道洞室放置。由此可以完整解決重載鐵路雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋難題。

［1］ 鐵道部工程設(shè)計鑒定中心，北京全路通信信號研究設(shè)計院．中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設(shè)計指南［S］ ．北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］ 鐘章隊．鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)［M］ ．北京:中國鐵道出版社，2007.

［3］ 北京全路通信信號研究設(shè)計院．鐵道部．鐵建設(shè)【2007】92號．鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計暫行規(guī)定［S］ ．北京:中國鐵道出版社，2007.