重载铁路双洞单线长大隧道GSM-R覆盖方案研究

赵 旭

赵 旭:铁道第三勘察设计院集团有限公司 工程师 300251天津

我国客运专线路网基本形成后，全国货运专线建设将进入攻坚阶段，万吨级、两万吨级重载铁路将是货运专线的重点。在重载线路中，GSM-R网络为机车同步操控系统提供数据通道;重载列车通常为3台机车牵引，机车位于全列车的前、中、后3个位置，前部主控机车向中、后部2台从控机车发送控制信号，使3台机车成为1个动力单元牵引列车前进。在客运专线CTCS-3级列控系统线路中，GSM-R提供的列控数据如果失败，列车则会转向CTCS-2级列控系统降速行驶;但在机车同步操控系统中，如果GSM-R提供的数据通道中断或失败，机车牵引无法同步，列车将停止或溜坡，危及行车安全。因此在重载铁路列控系统中，要求GSM-R铁路专用移动通信网络必须具备高可靠性。

1 双洞单线长大隧道GSM-R覆盖难点

双洞单线隧道通常为铁路上、下行线路分别开挖的隧道工程，每条隧道中只有1条铁路线，上、下行隧道内由可供维修人员行走的连通洞连接，有的隧道中还有供车辆行驶的连通洞或斜井。双洞单线隧道的2个隧道出入洞口可能不在一个里程上，洞口平行间距30 m或更大，如图1所示。

图1 双洞单线隧道洞口

在双洞单线隧道中，2条上、下行隧道间有一定间隔，其间虽然有连通洞，但对GSM-R信号屏蔽效果较大，通常在单个隧道内1 km左右间隔布设光纤直放站远端机，光纤直放站远端机连接漏泄同轴电缆，对隧道内进行GSM-R覆盖;如果是长大隧道，为不使通信接入容量不够造成掉话，还应在隧道内布置基站设备。这种覆盖方案解决了双洞单线隧道内GSM-R信号覆盖的问题，但无线信号无法区分上、下行列车;对于基站或光纤直放站设备来讲，任何一个机车台都是一个移动设备，会接入信号场强高的小区中。如图2所示，假设一列上行列车在进入隧道前，接入了下行隧道的基站信号，由于下行隧道基站信号与上行隧道基站信号无切换关系，则列车进入隧道后就会产生掉话，机车同步数据就要中断。另外，在双洞单线长大隧道中安置基站，维修人员要行走很远的距离才能到达故障点;如果2个洞内都有移动设备，维修人员需要通过最近的横通道进入对侧隧道，再行走到故障位置，显然增加了维修难度及维修时间。

图2 列车产生误切换示意图

2 双洞单线长大隧道GSM-R覆盖方案

2.1 上、下行列车误切换的解决

如前所述，上、下行列车产生掉话的原因是接入错误基站小区，且双洞单线隧道彼此洞内基站小区间无切换关系。解决此问题最直接的方法是在双洞单线隧道内基站小区间建立切换关系，即在相邻基站内建立切换关系数据库。假设基站A、B、C是某重载铁路的3个基站，如图3所示，其中A基站位于隧道外，B基站是双洞单线上行隧道洞内第1个基站，C基站为下行隧道洞内第1个基站;当列车X沿上行线路从A驶向B、C时，X列车由A基站信号转而切入B基站小区，然而，在洞口附近C基站信号强于B基站时，X列车会接入C基站信号;在进入上行隧道内，C基站与B基站有切换关系，X列车信号又切回B基站，切换成功无掉话。反之，当X列车沿下行隧道由C基站驶向A基站，因为C与B具有切换关系，则X列车驶出洞口后，会接入B基站信号，然后再向A基站信号切换。这会导致前部主控机车接入A基站，中部从控机车接入B基站，尾部从控机车接入C基站，而且这种接入关系还会随当时洞口3个基站场强关系改变，非常容易引发乒乓切换。这样建立的基站切换关系无法解决双洞单线隧道误切换问题。

图3 建立切换关系方案示意图

其实，误切换问题产生于双洞单线隧道洞口引入了3个基站信号 (A、B、C)，如果将其中一路信号去掉，就不会产生机车台误切换。假设仍然是A、B、C基站，如图4所示，这次将B作为双洞单线隧道口基站及上行隧道第1个基站信号，而C作为下行隧道洞内第1个基站信号。X列车由洞外A基站驶向B、C基站，因为洞口只有A、B 2个基站信号，而越靠近B基站其场强越强，X列车由A基站切换入B基站，而进入上行隧道内，B基站再与该洞内下一个基站作切换;如果X列车由A进入C基站下行隧道内时，需要将B基站与C基站间建立切换关系，X列车就会在下行隧道内由B向C做切换。

工程上，隧道洞内的覆盖均由光纤直放站完成，B基站连接上行隧道及下行隧道洞口部分洞内光纤直放站设备，下行隧道洞内C基站连接光纤直放站需要与B基站所带下行隧道内光纤直放站具有切换区。B基站短段光缆可以通过隧道间联通洞与对侧直放站设备连接，连通洞内短段光缆需要进行钢管防护并沿洞室侧壁上沿挂设。通过连通洞，短段光缆可以大幅减少从基站到光纤直放站的长度，避免出现相邻直放站短段光缆差超过1.8 km引起的同频干扰。

图4 减少洞口信号方案示意图

2.2 洞内基站维护设置

隧道内由于使用光纤直放站设备作为弱场覆盖的主要设备，基站只作为信源设备存在，其信号通过短段光缆发送给光纤直放站，故基站可以逻辑上设置在隧道内，实际上可以放置于隧道外。由于隧道内属于GSM-R交织覆盖，单一基站故障不能影响隧道内覆盖及移动台切换。隧道内基站，在最远直放站连接短段光缆不超过23 km情况下，将奇数与偶数基站分别在隧道外2个不同地点放置，同时，负责隧道两端信号的基站不能与其具有逻辑相邻关系的基站同址放置。短段光缆长度超过23 km的基站，可以在隧道洞内靠近洞口处选择洞室放置，以避免隧道外基站站点垮塌，多个基站同时损毁时，隧道内仍然保持有效的GSM-R信号覆盖，不危及行车安全。

3 总结

双洞单线长大隧道GSM-R覆盖的核心是不使移动台产生乒乓切换或误切换，设计上可以将洞口信号交由1个基站管理，由该基站对洞内、洞外其他基站切换。工程上，短段光缆可以通过隧道间连通洞到达对侧隧道，这样有助于缩短短段光缆长度，提高光纤直放站覆盖效果。双洞单线隧道内基站一定按照奇偶数基站分开放置的原则，选择隧道外或隧道洞内靠近洞口处隧道洞室放置。由此可以完整解决重载铁路双洞单线长大隧道GSM-R覆盖难题。

［1］ 铁道部工程设计鉴定中心，北京全路通信信号研究设计院．中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南［S］ ．北京:中国铁道出版社，2008.

［2］ 钟章队．铁路GSM-R数字移动通信系统［M］ ．北京:中国铁道出版社，2007.

［3］ 北京全路通信信号研究设计院．铁道部．铁建设【2007】92号．铁路GSM-R数字移动通信系统工程设计暂行规定［S］ ．北京:中国铁道出版社，2007.