淺談榆橫鐵路專用線平面調(diào)車信號盲區(qū)治理措施的研究與應(yīng)用

寧小麗 孫林峰 劉榆欣 謝迎春

摘要：本文介紹了鐵路平面調(diào)車作業(yè)中存在通信弱場區(qū)的問題，針對榆橫鐵路的具體問題提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：平面調(diào)車;弱場;中繼器

一、概述

鐵路調(diào)車作業(yè)中，隨著鐵路的發(fā)展，當(dāng)站場內(nèi)存在高建筑物、隧道、電力接觸網(wǎng)、遠距離傳輸?shù)拳h(huán)境時，會造成無線通信中斷或者信號強度減弱，影響正常的調(diào)車作業(yè)。榆橫鐵路專用線內(nèi)孟家壕車站、化工南車站、哈達汗車站由于受到調(diào)車點與車站距離或周邊環(huán)境等因素的影響，致使車站調(diào)車作業(yè)徑路存在信號盲區(qū)，造成機車控制器、區(qū)長臺與調(diào)車長、連接員間斷性通信不暢，導(dǎo)致鐵路調(diào)車作業(yè)在信號較弱區(qū)域內(nèi)存在安全隱患，且容易導(dǎo)致故障停車，影響正常的調(diào)車作業(yè)，甚至導(dǎo)致人身和調(diào)車安全事故的發(fā)生。

目前，由于沒有專門針對鐵路領(lǐng)域在隧道/平原信號較弱區(qū)段的調(diào)車作業(yè)的數(shù)字中繼設(shè)備。解決的途徑只有在現(xiàn)有數(shù)字中繼技術(shù)基礎(chǔ)上加以改進，并加入調(diào)車信令模塊使之更加適合鐵路調(diào)車作業(yè)。

二、榆橫鐵路平面調(diào)車信號盲區(qū)現(xiàn)狀及原因分析

榆橫鐵路是陜北能源化工基地榆橫煤化工業(yè)園區(qū)和榆橫礦區(qū)經(jīng)濟、環(huán)保、便捷的運輸大動脈，線路位于榆林市榆陽區(qū)、橫山區(qū)境內(nèi)，東自包西鐵路閆莊則站引出，向西貫通榆橫煤化工業(yè)園區(qū)，跨越榆靖高速公路至榆陽區(qū)轉(zhuǎn)水廟，規(guī)劃正線全長51.103公里，設(shè)孟家壕、化工南、液化廠、轉(zhuǎn)水廟、哈達汗、小紀(jì)汗等站場，其中孟家壕、化工南、哈達汗車站是主要裝卸作業(yè)車站，調(diào)車作業(yè)頻繁。目前，榆橫鐵路專用線采用的是ZTD-D數(shù)字平面無線調(diào)車燈顯設(shè)備，在使用中發(fā)現(xiàn)孟家壕、化工南和哈達汗車站常出現(xiàn)信號中斷、通信不暢及噪聲干擾，影響正常的調(diào)車作業(yè)，嚴(yán)重時出現(xiàn)調(diào)車沖突事件。為徹底解決該問題，我們在組織專業(yè)人員深入現(xiàn)場，了解設(shè)備狀況、使用、維護及車站作業(yè)環(huán)境，測試各作業(yè)區(qū)域信號強度，并經(jīng)多次測試分析后發(fā)現(xiàn)，孟家壕車站是因周邊建筑物遮擋信號覆蓋不全，化工南車站是因周邊建有電廠受熱噪聲影響信號，哈達汗車站是因調(diào)車作業(yè)地點距離車站過遠造成信號覆蓋不全。

三、解決方案

（一）方案

為解決榆橫鐵路孟家壕站、化工南站、哈達汗站因其他干擾，導(dǎo)致車站在調(diào)車作業(yè)行進中，出現(xiàn)調(diào)車人員和機車、車站間通信不暢，調(diào)車手持臺呼叫機車呼不上，出現(xiàn)信號盲區(qū)，影響調(diào)車作業(yè)，存在安全隱患的問題，經(jīng)過測試分析，我們擬采用增加ZTF-DZJT-Ⅰ型數(shù)字固定式中繼器的辦法來解決，方案實施（圖1）如下。在車站通信鐵塔或信號樓頂安裝一根全向天線，覆蓋整個站場;對于信號覆蓋不到敷設(shè)射頻漏纜或定向天線。

在信號較弱區(qū)域架設(shè)全向天線，采用定向天線或射頻漏纜，通過同頻中繼擴展無線覆蓋范圍;解決機車進入信號較弱區(qū)域調(diào)車人員和司機間語音呼叫不上、調(diào)車指令無法正常傳輸?shù)膯栴}，同時確保區(qū)長臺能呼叫到遠端作業(yè)機車。

（二）方案原理

ZTF-DZJT-Ⅰ型數(shù)字固定式中繼器是根據(jù)TBT 2834-2016、TBT 3441-2016規(guī)定及根據(jù)鐵路現(xiàn)場作業(yè)要求，基于數(shù)字車載臺而研制的一種覆蓋全站式中繼器，無人值守可以自動實現(xiàn)通話與調(diào)車指令的中轉(zhuǎn)功能。

設(shè)立數(shù)字固定式中繼設(shè)備同頻中繼收發(fā)同頻，收發(fā)不同時隙，這樣就能保證原來平面調(diào)車直通情況下的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，利用中繼發(fā)射功率高、外設(shè)天線性能好的特點過大直通的覆蓋范圍。

（三）方案實施

購置設(shè)備，施工安裝并綜合考慮設(shè)備使用的效果，安全性、可靠性進行改造試驗，根據(jù)改造結(jié)果在現(xiàn)場使用的效果再次進行升級改進，對中繼器CPU主板和調(diào)車信令板之間的接口板進行技術(shù)升級，它們之間的數(shù)字語音進行無縫對接，避免在調(diào)車過程中出現(xiàn)信令傳輸?shù)腻e誤，影響調(diào)車作業(yè)的正常進行。

對同頻中繼器的功率通過數(shù)字綜合測試儀R8000B進行現(xiàn)場調(diào)試，已達到收信、發(fā)信之間不會產(chǎn)生自激、干擾，優(yōu)選功率5～8W;對同頻中繼器接收靈敏度優(yōu)選：0.3 uV（誤碼率5% BER）。

工程實施階段是在信號有盲區(qū)的車站信號樓安裝一臺同頻中繼器，在車站信號樓的最高層架設(shè)兩個全向高增益（10dB）天線完成車站調(diào)車信號盲區(qū)的完全覆蓋，達到收發(fā)指令或通話無死角。

架設(shè)完成后無論是機車控制器、區(qū)長臺、還是終端調(diào)車手持臺在隧道兩端以及隧道內(nèi)都能相互通話和指令操作。

安裝選址前必須進行前期的信號功率、信號場強的測試（如中繼器安裝前的測試）;主臺位置選好后，進行饋線（FB-50-9）的鋪設(shè)：行車運轉(zhuǎn)室（信號樓）電纜通過通信室鋪設(shè)電纜至室外樓頂，樓頂安裝天線支架、天線及避雷器。兩根天線錯開位置，不能安放在一起，以防相互干擾。（見下圖2）。

盲區(qū)站場采用全向高增益天線進行無線覆蓋。同頻中繼器安裝完成后機車控制器、區(qū)長臺、還是平調(diào)手持臺在站場兩端以及信號盲區(qū)內(nèi)都能相互通話和進行指令操作。

設(shè)備安裝完成后，對孟家壕站、化工南站及哈達汗站的調(diào)車過程中，信號功率、信號強度的測試。測試?yán)硐?，信號能完全覆蓋站場調(diào)車的需求，達到現(xiàn)場調(diào)車作業(yè)信號場強的要求。

該設(shè)備具有較強抗干擾性，電路設(shè)計及PCB板充分考慮系統(tǒng)的電磁兼容（EMC）;采用電池組供電;調(diào)車指令控制裝置選擇了SSI（Synchronous? Serial? Interface）1MB/S通信速率，對調(diào)車作業(yè)的高實時通信要求很合適;預(yù)留與調(diào)車系統(tǒng)連接接口以便將來調(diào)單傳輸使用。

同頻中繼原理備注說明：

同頻中繼（Single Frequency Repeater， 以下簡稱SFR）是基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）頒布的DMR（Digital Mobile Radio）標(biāo)準(zhǔn)的一個擴展。因此，在介紹SFR工作原理之前，有必要先說明DMR的工作機制。

DMR標(biāo)準(zhǔn)采用的基于12.5Khz信道帶寬的時分復(fù)用的工作機制（TDMA），提供工作兩個時隙。

DMR電臺工作在直通模式時，它只使用兩個時隙之一，另外一個時隙空閑。

DMR電臺工作在標(biāo)準(zhǔn)中繼模式時（區(qū)別于SFR模式），它需要和中繼臺配合，只使用兩個時隙之一;另外一個時隙可以被其他的電臺使用。這樣一個12.5Khz的信道可以同時支持兩路通話。需要注意的是標(biāo)準(zhǔn)中繼模式下，中繼臺處于全雙工工作狀態(tài)，兩個時隙各自獨立工作，互不影響。為了保證時隙正確使用，電臺需要和中繼臺做時隙同步，電臺根據(jù)中繼臺下行信號進行時隙對齊。由于中繼臺需同時收發(fā)信號，收發(fā)頻率必須不同;而且為了共用天饋，保證收發(fā)隔離度，受雙工器限制收發(fā)頻率還必須滿足一定的頻率間隔要求 （推薦VHF波段為5Mhz以上，UHF波段為10Mhz以上）。

與標(biāo)準(zhǔn)中繼模式不同，SFR模式利用了DMR時分復(fù)用的特點。在SFR模式下，中繼臺將一個時隙接收到的電臺信號在另外一個時隙進行轉(zhuǎn)發(fā)。此時電臺實際上是工作在直通模式。中繼臺根據(jù)電臺發(fā)射的信號進行時隙同步，然后在另外時隙轉(zhuǎn)發(fā)信號。這樣不會產(chǎn)生時隙使用沖突。由于中繼臺接收和發(fā)射分別使用不同的時隙，不存在同時收發(fā)的情況，可以僅使用一個頻點完成信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這也是同頻中繼名字的由來。因此，同頻中繼可以直接使用直通頻點工作。

另外，電臺工作在直通模式下，它既可以接收其他電臺的直通信號，也可以接收同頻中繼轉(zhuǎn)發(fā)的信號。電臺根據(jù)接收到的信號強度自動判斷使用最好的信號。當(dāng)中繼臺設(shè)備出現(xiàn)故障無法工作時，電臺自動工作在直通模式下，不需要用戶做任何特殊操作。

同頻中繼臺硬件原理框圖如下：

頻綜單元為同頻中繼提供統(tǒng)一的時鐘，為發(fā)射和接收鏈路本振;改單元參考本振為高溫恒溫晶振，也可以采用外置參考頻率源;時鐘單元也可以根據(jù)外部衛(wèi)星1pps信號調(diào)整頻率源，從機制上保證了本系統(tǒng)時鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

基帶單元完成信號的DMR協(xié)議編解碼及同頻中繼的控制邏輯，是本機核心部分之一。

發(fā)射鏈路包含中頻模塊、變頻模塊、小信號鏈路、功放模塊;基帶信號經(jīng)調(diào)制使載波攜帶信息，然后經(jīng)變頻單元上變頻到需要的頻率、經(jīng)多級放大到需要的功率發(fā)射出去;射頻鏈路必須具備ALC功能，在大動態(tài)范圍內(nèi)功率可設(shè)置，經(jīng)溫度補償單元及算法在極端溫度電壓情況下功率都滿足規(guī)定要求;另外對于發(fā)射口的異常駐波情況，自動保護，提高系統(tǒng)的可靠性。

接收鏈路將來自天線的射頻微弱型號經(jīng)濾波、低噪聲放大及選頻網(wǎng)絡(luò)、下變頻電路變成中頻信號，然后在中頻上調(diào)理后再二次變頻，調(diào)理后由ADC采用數(shù)字化;經(jīng)數(shù)字濾波等邏輯運算后進行解調(diào)，然后送給基帶單元完成DMR協(xié)議解碼。

邏輯控制模塊負責(zé)整機各功能單元的協(xié)同控制及應(yīng)用層業(yè)務(wù)，是中繼臺的控制中心。

電源模塊將輸入的電源轉(zhuǎn)換為本機需要的各種電源，分別供給各功能模塊。

接口單元為本機對外的輸入輸出接口，主要包含配置口、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)口、時鐘同步口、GPIO控制口等等。

天饋系統(tǒng)上由于同頻中繼臺收發(fā)同步，時間上是錯開的，并且收發(fā)同頻，所以需要一個時分雙工器來代替通常使用的頻分雙工器。

四、結(jié)束語

增設(shè)中繼器施工安裝完畢后，經(jīng)過3個月的測試調(diào)試，我們對信號強度進行了重新測試對比，孟家壕車站中繼器未安裝前的數(shù)據(jù)為：100米測試效果75%、800米測試效果45%;中繼器安裝后100米測試效果90%、800米測試效果75%?；つ险局欣^器未安裝前的數(shù)據(jù)為：100米測試效果70%、800米測試效果35%;中繼器安裝后100米測試效果98%、800米測試效果80%。哈達汗站中繼器未安裝前的數(shù)據(jù)為：100米測試效果65%、800米測試效果55%;中繼器安裝后100米測試效果95%、800米測試效果80%。通過以上數(shù)據(jù)分析安裝中繼器后，信號強度增加35%左右，改善了信號不良的問題。經(jīng)過5個月的使用，榆橫鐵路專用線孟家壕、化工南、哈達汗車站目前在調(diào)車作業(yè)過程中，信號不良、中斷等問題明顯得到解決，為調(diào)車作業(yè)提供了安全保障。

作者單位：寧小麗? ? 孫林峰? ? 劉榆欣? ? 謝迎春? ? 陜西榆橫鐵路有限責(zé)任公司

參? 考? 文? 獻

[1]許期英，付小敏.鐵路機務(wù)調(diào)車安全的思考和建議[J]. 鐵道機車車輛， 2011（02）.

[2]奚國森.開發(fā)調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)的幾個問題[J].機車電傳動， 2008（03）.

[3]王令朝.鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)[J].鐵道運輸與經(jīng)濟， 2003（08）.

[4]趙哲.基于嵌入式的平面無線調(diào)車設(shè)備的檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].北京交通大學(xué)， 2013.

[5]朱園園.GSM-R實現(xiàn)平面調(diào)車無線通信的方案探析[J].硅谷， 2010（09）.

[6]葛鵬飛.GSM—R平面調(diào)車無線通信方案的研究[J]. 甘肅科技縱橫， 2012（06）.

[7]雷玉輝，韓玉，王志坤，等.榆橫鐵路調(diào)度中心升級改造技術(shù)方案研究[J].鐵道貨運， 2018，36（04）.