重載鐵路雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋方案研究

趙 旭

趙 旭:鐵道第三勘察設計院集團有限公司 工程師 300251天津

我國客運專線路網基本形成后，全國貨運專線建設將進入攻堅階段，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網絡為機車同步操控系統提供數據通道;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級列控系統線路中，GSM-R提供的列控數據如果失敗，列車則會轉向CTCS-2級列控系統降速行駛;但在機車同步操控系統中，如果GSM-R提供的數據通道中斷或失敗，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中，要求GSM-R鐵路專用移動通信網絡必須具備高可靠性。

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1 km左右間隔布設光纖直放站遠端機，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，還應在隧道內布置基站設備。這種覆蓋方案解決了雙洞單線隧道內GSM-R信號覆蓋的問題，但無線信號無法區分上、下行列車;對于基站或光纖直放站設備來講，任何一個機車臺都是一個移動設備，會接入信號場強高的小區中。如圖2所示，假設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系，則列車進入隧道后就會產生掉話，機車同步數據就要中斷。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個洞內都有移動設備，維修人員需要通過最近的橫通道進入對側隧道，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、下行列車產生掉話的原因是接入錯誤基站小區，且雙洞單線隧道彼此洞內基站小區間無切換關系。解決此問題最直接的方法是在雙洞單線隧道內基站小區間建立切換關系，即在相鄰基站內建立切換關系數據庫。假設基站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第1個基站，C基站為下行隧道洞內第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基站信號轉而切入B基站小區，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，C基站與B基站有切換關系，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，而且這種接入關系還會隨當時洞口3個基站場強關系改變，非常容易引發乒乓切換。這樣建立的基站切換關系無法解決雙洞單線隧道誤切換問題。

圖3 建立切換關系方案示意圖

其實，誤切換問題產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，就不會產生機車臺誤切換。假設仍然是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，B基站再與該洞內下一個基站作切換;如果X列車由A進入C基站下行隧道內時，需要將B基站與C基站間建立切換關系，X列車就會在下行隧道內由B向C做切換。

工程上，隧道洞內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光纖直放站設備，下行隧道洞內C基站連接光纖直放站需要與B基站所帶下行隧道內光纖直放站具有切換區。B基站短段光纜可以通過隧道間聯通洞與對側直放站設備連接，連通洞內短段光纜需要進行鋼管防護并沿洞室側壁上沿掛設。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 洞內基站維護設置

隧道內由于使用光纖直放站設備作為弱場覆蓋的主要設備，基站只作為信源設備存在，其信號通過短段光纜發送給光纖直放站，故基站可以邏輯上設置在隧道內，實際上可以放置于隧道外。由于隧道內屬于GSM-R交織覆蓋，單一基站故障不能影響隧道內覆蓋及移動臺切換。隧道內基站，在最遠直放站連接短段光纜不超過23 km情況下，將奇數與偶數基站分別在隧道外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，隧道內仍然保持有效的GSM-R信號覆蓋，不危及行車安全。

3 總結

雙洞單線長大隧道GSM-R覆蓋的核心是不使移動臺產生乒乓切換或誤切換，設計上可以將洞口信號交由1個基站管理，由該基站對洞內、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。雙洞單線隧道內基站一定按照奇偶數基站分開放置的原則，選擇隧道外或隧道洞內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］ 鐵道部工程設計鑒定中心，北京全路通信信號研究設計院．中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南［S］ ．北京:中國鐵道出版社，2008.

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

［3］ 北京全路通信信號研究設計院．鐵道部．鐵建設【2007】92號．鐵路GSM-R數字移動通信系統工程設計暫行規定［S］ ．北京:中國鐵道出版社，2007.