山區鐵路GSM-R覆蓋研究與應用

鮮先華，王志剛

（1.中鐵二局集團電務工程有限公司 京原鐵路電化工程指揮部，北京 102402；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京工程項目管理部，北京 100038）

0 引言

近年來，我國鐵路建設項目有不少是建設成本高、維護成本高的山區鐵路，如陸續開通的渝利鐵路、貴廣鐵路、焦柳鐵路、京原鐵路等。另外，有部分20世紀建成通車的鐵路仍在使用無線列調系統。無線列調系統存在覆蓋距離短、通信交互慢的缺點，無法滿足我國鐵路不斷提速的要求，因此在對這些山區既有鐵路進行電氣化改造的同時，也需要將無線通信系統由無線列調系統改造為GSM-R系統［1-3］。如何降低建設施工成本、方便后期維護，并滿足山區鐵路GSM-R系統覆蓋要求是需要重點研究的課題。

1 山區鐵路無線覆蓋的難點

在平原地區，由于地勢空曠無遮擋，GSM-R系統每處基站（或直放站）的覆蓋范圍都相對較遠。通常每2個車站間距離為15～30 km時，區間僅需要設置1處基站（或直放站）就能達到覆蓋要求，低于15 km時利用車站的基站就可以完成覆蓋。

對于山區鐵路GSM-R系統，由于山體遮擋導致覆蓋范圍極其有限，只能依靠增加直放站的數量來完成區間無線覆蓋。通常，每2個直放站之間的距離不超過1 km，甚至在特別困難地區直放站距離不超過500 m。而且由于山高溝深導致區間直放站的修建位置有限，可選擇性小。且地理地質條件艱難，導致施工難度和選址難度都非常大。

2 山區鐵路GSM-R系統覆蓋方案

2.1 系統構成

GSM-R系統主要由網絡子系統（NSS）、基站子系統（BSS）、運行和業務支撐子系統（OSS/BSS）和終端設備4個部分構成［4-8］。其中NSS可利用鐵路局集團公司既有網絡子系統設備。在通信站設置GSM-R網絡子系統的核心網設備、基站子系統的基站控制器、運行維護與支撐系統的無線系統網管（OMC-R）1套和光纖直放站網管（OMC-T）1套。

2.2 正線覆蓋方案

2.2.1 無線覆蓋

全線采用單層網絡無線覆蓋方案，基站沿鐵路線路設置。鐵路沿線隧道等弱場區，采用光纖直放站連接漏泄同軸電纜的方式解決無線覆蓋問題。隧道之間的短距離開闊區間采用定向天線完成隧道外區段的覆蓋。在場地條件不具備時，采用H形鋼柱架設漏泄同軸電纜完成隧道外區段的覆蓋［9］。

2.2.2 天線和饋線

天線全部采用定向天線，其中基站采用雙極化天線，直放站采用單極化天線。連接長度100 m之內采用7/8同軸射頻電纜饋線，超過100 m采用13/8同軸射頻電纜饋線。為維護方便，功分器等無源射頻器件按放置在機房內考慮。

2.2.3 漏泄同軸電纜

全線采用阻燃型1-5/8漏泄同軸電纜，在鐵路一側單條敷設，敷設高度4.5～4.8 m，最大垂度為0.15 m。漏泄電纜卡具按照“一米一處”進行設置，隧道內每間隔10處普通夾具設置1處防火卡具。并且漏泄同軸電纜首、尾兩端吊夾應采用防火吊夾［10］。

全線長度超過500 m的漏纜中間接頭處設置直流阻斷器，每段漏纜最大長度為500 m。漏泄同軸電纜的掛設不得侵入鐵路規定的建筑限界，在隧道內須避讓其他專業的設備。在接觸網區段，LCX與回流線的直線距離應大于0.6 m，在回流線或接地線加絕緣保護的區段，應大于0.25 m，與接觸網帶電部分的距離應不小于2 m。

2.2.4 桿（塔）

車站采用獨管柱鐵塔，以保證美觀，且由于山區既有車站地勢特殊，采用獨管柱鐵塔也可以減少用地需求，且對于車站來說，一般情況下交通相對便利，獨管柱鐵塔的吊裝也不會有問題。

光纖直放站主要采用H形鋼柱，因直放站僅為單個天線或最多2個天線，在選擇相應H形鋼柱的型號和厚度情況下，可滿足相應設備的荷載要求，且直放站增加設備設施的可能性相對較小，需要考慮預留荷載較小。從施工方面來看，H形鋼柱的風載荷較小，所以基礎較小，在山區材料運輸困難、基坑開挖困難的情況下，能最大程度減小施工難度。

桿（塔）架設位置不得侵入鐵路建筑限界，桿（塔）內緣至鐵路線路中心的水平距離應大于5 m。

2.2.5 漏纜監測系統

新設漏纜監測系統，在通信站設置漏纜故障定位監測中心服務器和管理終端設備。對全線2 km以上隧道進行監測，且酌情考慮增加有現場管理單元的前后隧道納入隧道監測范圍內，納入上層網管統一管理。直放站區段3 km以下隧道利用直放站監測模塊進行監測。

2.2.6 終端設備

現場作業人員配置作業手持臺和通用手持臺，其中通用手持臺每2 km配置1臺；作業手持臺每1 km配置1臺。每套通用手持臺多配備2塊備用電池、每套作業手持臺多配備1塊備用電池，SIM卡按手持臺數量配置并考慮部分預留［6］。

3 方案應用

3.1 線路概況

以京原鐵路為應用背景，選取其中隧道較多、橋梁較多的三合莊站—野三坡站3站2區間（三十區間、十平區間）進行闡述。隧道臺賬見表1。

表1 隧道臺賬

3.2 設備和直放站布置概況

GSM-R系統主要節點包含車站3處、直放站10處（含1處隧道內直放站）。無線通信設備布置見表2。

表2 無線通信設備布置

4 方案優勢分析

4.1 預算成本

相較于原設計全部采用四管柱鐵塔，改為車站獨管柱鐵塔和區間H形鋼柱，一是減小了鐵塔自重，采購價格也低得多。二是鐵塔本身的風載荷較小，也可相應減小在同等地質條件下的鐵塔基礎，降低了相當一部分基坑土方開挖方量和混凝土澆筑方量。三是由此減少了材料運輸費。

4.2 施工便利性

改為車站獨管柱鐵塔和區間H形鋼柱代替方案，一方面，獨管柱鐵塔和H形鋼柱基本為整體，不需要在現場進行二次組裝，可以保證施工過程安全可控，且減少了登高作業的危險性。

另一方面，減小了鐵塔基礎，所需要搬運的材料大大減少。由于山區施工大多無便道，如果修施工便道，會造成一定程度破壞，尤其是京原鐵路位于十渡、野三坡等風景區和地質公園內，只能采取人工搬運，減少材料的同時也減少了搬運所需要的人工。

4.3 維護便利性

相較于原設計僅針對大于3 km的隧道設置隧道漏纜監測，增加了在三十區間和十平區間各設置1套漏纜監測系統。主要是由于三十區間和十平區間的連續隧道，相較于河邊的主要公路高差為50 m以上，導致很多隧道的中間基本都是橋梁，也說明這些部分是沒有道路能到達隧道口，基本需要通過鐵路隧道到達。假設在穆家口隧道內中部漏纜發生故障，維護人員需要對整個三十區間的隧道漏纜進行排查，才能基本確認漏纜故障點，需要花費大量時間和人力資源。設置漏纜監測系統后，通過后臺就能發現故障點的位置，能最大程度地保證搶修時間并節約確認故障點所需的人力資源。

總之，與京原鐵路原批復方案相比，應用該方案后基本可降低施工成本30%～40%，降低后期維護成本5%～10%，且能更好地匹配現場的地理地質條件。

5 結束語

從減少山區鐵路施工成本和維護成本的角度出發，針對山區鐵路隧連橋、橋連隧的情況，開展山區鐵路GSM-R系統覆蓋方案研究。以京原鐵路為背景，優化施工方案和系統組網，創新應用12 m高H形鋼柱，并優化了車站、區間基站、區間直放站的層級關系，為山區鐵路無線覆蓋方案提供參考。