楊 帆
(中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司 北京 100043)
近年來(lái),全國(guó)鐵路建設(shè)系統(tǒng)深入貫徹落實(shí)黨中央和國(guó)鐵集團(tuán)高質(zhì)量發(fā)展理念,鐵路建設(shè)正在由速度規(guī)模型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變。質(zhì)量效益除了施工建設(shè)實(shí)體控制外,設(shè)計(jì)工作是鐵路建設(shè)的起點(diǎn),設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)的精細(xì)程度直接影響鐵路的質(zhì)量和效益。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn),在鐵路建設(shè)中存在精細(xì)程度不夠或設(shè)計(jì)余量過(guò)大而導(dǎo)致的投資浪費(fèi)和施工、維護(hù)不便等問(wèn)題。
無(wú)線網(wǎng)基站或直放站,GSM-R無(wú)線網(wǎng)區(qū)間基站及直放站的選址、間距和場(chǎng)坪面積大小直接影響著鐵路投資和建設(shè)、維護(hù)的便利性,開(kāi)展高速鐵路GSM-R無(wú)線網(wǎng)精細(xì)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。
(1)合理確定基站間距。平原開(kāi)闊區(qū)域,鐵塔高度高出軌面20~25 m時(shí),單網(wǎng)交織覆蓋方式基站站間距可設(shè)置為3.7~4.2 km,單網(wǎng)覆蓋方式基站站間距可設(shè)置為6~8 km。基站間距還應(yīng)結(jié)合所在區(qū)域電磁環(huán)境、山體或建筑物阻擋等因素綜合確定。根據(jù)已開(kāi)通高速鐵路測(cè)試數(shù)據(jù),平原開(kāi)闊區(qū)域連續(xù)4~4.2 km基站間距可以滿足場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量要求。
(2)合理確定直放站間距。直放站用在隧道內(nèi)及隧道口附近,目前設(shè)計(jì)基本采用數(shù)字直放站[1]。單網(wǎng)交織覆蓋方式[2]隧道內(nèi)遠(yuǎn)端機(jī)間距為1.5 km;單網(wǎng)方式為2.5 km[3]。
(3)無(wú)線信號(hào)為視距傳播,前后兩處站址之間應(yīng)避免山體或建筑物阻擋。
(4)應(yīng)選擇在地勢(shì)較高且平坦的地方[4],為便于施工和維護(hù),減少通站道路等配套設(shè)施投資,原則上選擇在既有道路旁邊,并注意躲避高壓線、墳地和房屋。
(5)基站、直放站院落的開(kāi)門(mén)位置要根據(jù)地形和既有道路位置合理確定,使通站道路最短,投資和占地更少。
(6)在特寬河道以及山區(qū)丘陵地區(qū)、隧道區(qū)段等特殊地形區(qū)域,應(yīng)先布設(shè)這些區(qū)域的基站,再布設(shè)其他區(qū)域基站或直放站。
(7)山區(qū)基站選址要考慮控制填方、挖方的土建工程量,要兼顧通站道路的設(shè)置條件,兼顧施工及維護(hù)的便利性。
(8)要關(guān)注站址所在地區(qū)空軍、機(jī)場(chǎng)等對(duì)鐵塔高度的要求。
(9)為節(jié)約用地,節(jié)省相關(guān)配套設(shè)備的投資,在滿足本系統(tǒng)技術(shù)要求的前提下應(yīng)進(jìn)行綜合、集約化選址,基站原則上應(yīng)與信號(hào)中繼站合設(shè)[5-6]。
(10)用地圖應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況在線路圖和站場(chǎng)圖標(biāo)注基站和直放站,標(biāo)明機(jī)房和院落的長(zhǎng)寬尺寸,提高上圖精度,注意現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定的位置與圖紙上位置的一致性。
(11)基站院落內(nèi)一般設(shè)有電力箱式變壓器,部分基站還設(shè)有電抗器,直放站院落內(nèi)可能沒(méi)有電力箱式變壓器,在設(shè)計(jì)用地圖時(shí),應(yīng)與電力專業(yè)核實(shí)每個(gè)點(diǎn)的電力設(shè)施類型和尺寸,合理設(shè)計(jì)院落尺寸,并準(zhǔn)確體現(xiàn)在用地圖中。
(12)選址應(yīng)滿足50年或百年洪水位要求,盡可能避開(kāi)地勢(shì)低洼區(qū)域,在地勢(shì)低洼長(zhǎng)大區(qū)域布設(shè)基站時(shí),應(yīng)合理確定該區(qū)域內(nèi)站址高程,可采用在吊腳樓上設(shè)置機(jī)房的方式。
(13)隧道口直放站選址應(yīng)結(jié)合隧道口地勢(shì)情況合理確定,若地勢(shì)較為平緩可在隧道口設(shè)置直放站,若地形陡峭或?yàn)榛碌囟?,可將直放站設(shè)置在距離隧道口最近的洞室內(nèi)。
(14)隧道區(qū)域基站僅作為信源接直放站近端機(jī),由于時(shí)延問(wèn)題不宜再接天饋線[7],基站的物理位置可以在較大范圍內(nèi)移動(dòng)。在保證冗余覆蓋和直放站系統(tǒng)時(shí)延的前提下可靈活選址,將基站設(shè)置在地形較好,有通站道路,便于維護(hù)的位置。當(dāng)基站選址困難時(shí),可考慮合設(shè),但每處合設(shè)的基站不宜超過(guò)2套。
(1)基站場(chǎng)坪布置
基站機(jī)房約為30 m2,由于設(shè)備機(jī)柜和防靜電地板尺寸均為0.6 m×0.6 m,為減少防靜電地板切割,提高機(jī)房的整體性和美觀性,建議機(jī)房?jī)?nèi)實(shí)際尺寸應(yīng)為0.6 m的整數(shù)倍,將機(jī)房尺寸設(shè)計(jì)為3 m×9.6 m。
基站院內(nèi)一般為4個(gè)引入井,其中2個(gè)是通信引入井,1個(gè)是防災(zāi)引入井,1個(gè)是電力引入井,引入井尺寸應(yīng)根據(jù)維護(hù)單位需求確定。
高速鐵路通信鐵塔一般為四柱鋼管塔,這種鐵塔地面以上部分較小,根開(kāi)一般不大于5 m,但制作鐵塔基礎(chǔ)時(shí)的開(kāi)挖面積較大,可按10 m×10 m設(shè)計(jì)。由于四柱鋼管塔的無(wú)縫鋼管質(zhì)量難以把控,目前正在逐步改為組合式單元鐵塔,組合式單元鐵塔的基礎(chǔ)與四柱鋼管基礎(chǔ)大小基本一致。
基站場(chǎng)坪內(nèi)機(jī)房、鐵塔和箱變一般按“品”字形布置,如圖1所示。
圖1 “品”字形基站場(chǎng)坪(單位:m)
在丘陵、山區(qū)等地勢(shì)不好的區(qū)域,結(jié)合具體地形,基站場(chǎng)坪內(nèi)設(shè)施可按“一”字形設(shè)置,如圖2所示。
圖2 “一”字形基站場(chǎng)坪(單位:m)
(2)直放站場(chǎng)坪布置
直放站機(jī)房一般不大于10 m2,可按3 m×3 m設(shè)計(jì)。由于直放站鐵塔高度一般在35 m及以下,鐵塔基礎(chǔ)的開(kāi)挖面積可按8 m×8 m設(shè)計(jì)。帶鐵塔和箱變的直放站典型場(chǎng)坪如圖3所示。
圖3 典型直放站場(chǎng)坪(單位:m)
直放站場(chǎng)坪也可根據(jù)不同的地形按“品”字形或“一”字形設(shè)計(jì),場(chǎng)坪內(nèi)是否有電力箱變應(yīng)與電力專業(yè)核實(shí)確定。
山區(qū)鐵路部分基站或直放站場(chǎng)坪內(nèi)可能無(wú)鐵塔,在場(chǎng)坪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)GSM-R無(wú)線網(wǎng)方案,核實(shí)每處基站或直放站的設(shè)備設(shè)施,根據(jù)實(shí)際設(shè)施情況設(shè)計(jì)場(chǎng)坪尺寸,避免簡(jiǎn)單地采用一種固定的圖塊,導(dǎo)致用地過(guò)大和投資浪費(fèi)。
對(duì)于短隧道和隧道群較多GSM-R無(wú)線網(wǎng)需采用冗余覆蓋方案的高速鐵路[8],隧道口多為地形陡峭或滑坡地段,區(qū)間及隧道口設(shè)備選址困難,若在隧道口設(shè)直放站等設(shè)備,安全風(fēng)險(xiǎn)和施工難度都很大,通站道路也無(wú)法保證??蓪⑺淼揽谶B接天線的直放站遠(yuǎn)端機(jī)放置于距隧道口50~100 m處的洞室內(nèi),解決隧道口選址和通站道路困難的問(wèn)題,將遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)置于隧道洞室內(nèi)也更加安全,減少山體滑坡等地質(zhì)因素對(duì)GSM-R系統(tǒng)的影響。
直放站遠(yuǎn)端機(jī)放置于距隧道口50~100 m處的洞室時(shí),連接隧道口天線有以下三個(gè)方案[9]。
方案一:在距隧道口50~100 m處的洞室設(shè)1套直放站,通過(guò)7/8饋線拉至隧道口,接隧道口的天線和漏纜,如圖4所示。
圖4 直放站經(jīng)饋線接天線方案
方案二:在距隧道口50~100 m處的洞室設(shè)1套直放站,利用電橋?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)、外冗余覆蓋,如圖5所示。
圖5 單套直放站經(jīng)電橋和漏纜接天線方案
方案三:在距隧道口50~100 m處的洞室設(shè)2套直放站,利用雙套設(shè)備實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)、外冗余覆蓋,如圖6所示。
圖6 雙套直放站經(jīng)電橋和漏纜接天線方案
方案三對(duì)隧道外的覆蓋距離更遠(yuǎn),但為了冗余覆蓋,使用了較多的設(shè)備,不經(jīng)濟(jì)。方案一、二均能實(shí)現(xiàn)隧道口和隧道內(nèi)冗余覆蓋。
但方案二在每個(gè)隧道口增加了電橋和負(fù)載等無(wú)源器件,且跳線較多,導(dǎo)致故障點(diǎn)較多,故推薦采用方案一。
對(duì)于方案一,考慮到隧道口情況復(fù)雜,可能無(wú)法立塔,可按天線掛設(shè)在12 m鋼桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用 Hata模型對(duì)鐵路沿線的GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行建模,并分析計(jì)算覆蓋情況[10],如圖7所示。
圖7 Hata模型鏈路預(yù)算示意
Hata模型以市區(qū)路徑傳播損耗為基準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上對(duì)其他地區(qū)進(jìn)行修正,市區(qū)傳播路徑損耗基準(zhǔn)公式為:
移動(dòng)天線修正因子為:
郊區(qū)的路徑損耗修正模型為:
根據(jù)已開(kāi)通項(xiàng)目聯(lián)調(diào)聯(lián)試和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn),單網(wǎng)覆蓋時(shí),GSM-R最低電平一般不小于-75 dBm,鏈路預(yù)算時(shí)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋最低電平可按-75 dBm。由于機(jī)車(chē)電臺(tái)功率較高,GSM-R為下行(基站發(fā)射,移動(dòng)臺(tái)接收)受限系統(tǒng),下行鏈路預(yù)算值就是基站覆蓋的最小距離,具體鏈路預(yù)算如表1所示。
表1 隧道口直放站覆蓋距離預(yù)算(直放站設(shè)在隧道內(nèi)100 m的位置)
根據(jù)以上鏈路預(yù)算,直放站設(shè)置在隧道內(nèi)100 m位置,隧道口天線掛高12 m時(shí),單側(cè)隧道口的直放站能覆蓋約1.7 km。
為保證切換時(shí)不受其他網(wǎng)絡(luò)影響,隧道區(qū)域的切換區(qū)建議設(shè)置在隧道內(nèi)。在兩個(gè)直放站主從信源均不相同的切換區(qū)(漏纜內(nèi)有4個(gè)基站的信號(hào)),若其中一處直放站故障,前一個(gè)直放站的信號(hào)無(wú)法進(jìn)入到下一段漏纜中,會(huì)導(dǎo)致切換失敗。由于小區(qū)重選流程的時(shí)間較長(zhǎng),移動(dòng)臺(tái)發(fā)起小區(qū)重選后,可能會(huì)移動(dòng)到下一段漏纜的覆蓋區(qū)域,無(wú)法與前一個(gè)直放站建立連接,從而導(dǎo)致小區(qū)重選失敗,這種問(wèn)題在以往的聯(lián)調(diào)聯(lián)試測(cè)試時(shí)曾多次遇到[11]。
為保證單處直放站故障時(shí)小區(qū)切換和重選不受影響,切換區(qū)的兩個(gè)直放站要加電橋連接漏纜,如圖8所示。
圖8 兩個(gè)直放站主從信源均不相同的切換區(qū)設(shè)備連接方案
隧道內(nèi)切換區(qū)鏈路預(yù)算[12]如表2所示。
表2 隧道內(nèi)切換區(qū)直放站覆蓋距離預(yù)算(帶電橋)
鏈路預(yù)算結(jié)果表明,單處遠(yuǎn)端機(jī)故障時(shí),不影響隧道內(nèi)切換區(qū)的無(wú)線覆蓋。
(1)施工圖設(shè)計(jì)階段,在進(jìn)行區(qū)間用地圖設(shè)計(jì)時(shí)要多做幾種基站和直放站的場(chǎng)坪布置圖,并根據(jù)實(shí)際地形和場(chǎng)坪內(nèi)的實(shí)際設(shè)施情況,選擇合適的布置圖。由于設(shè)計(jì)和實(shí)際施工基本都存在一年以上的時(shí)間間隔,現(xiàn)場(chǎng)選址和施工期間應(yīng)根據(jù)地形變化情況進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和調(diào)整。
(2)高速鐵路的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)都是多專業(yè)合作的成果。GSM-R無(wú)線網(wǎng)涉及電力、建筑、線路和站場(chǎng)等多個(gè)工程配合,通信專業(yè)按精細(xì)化要求進(jìn)行GSM-R無(wú)線網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí),也需要相關(guān)專業(yè)合理控制設(shè)計(jì)余量,做到集約化、精細(xì)化設(shè)計(jì)。
(3)雖然GSM-R無(wú)線網(wǎng)及配套設(shè)施的投資占鐵路整體投資的比例很小,但精細(xì)化設(shè)計(jì)GSM-R無(wú)線網(wǎng)可以在一定程度上減少耕地占用、減少工程投資,增加施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的便利性,為鐵路建設(shè)向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變貢獻(xiàn)力量。