铁路隧道应急通信系统

宋建人

铁路隧道应急通信系统

宋建人

摘 要：为预防和避免隧道内的突发事件，或在突发事件爆发后能够以最快、最有效的手段进行指挥和抢险救援，尽可能把损失降到最低，通信畅通必不可少。为此，提出基于电缆和光缆2种通信方式的铁路隧道应急通信系统的整体技术方案，不仅适于新建高速铁路和客运专线，而且能满足既有铁路应急通信技术改造的需求，具有良好的市场前景。

关键词：隧道应急通信;长大隧道;基于以太网的无源光网络

随着中国铁路的快速发展，铁路隧道总长度在不断增加，要预防和避免隧道内的突发事件，或在突发事件爆发后能够以最快最有效的手段进行指挥和抢险救援，尽可能把损失降到最低，通信畅通必不可少。在现有隧道中，除无线列调系统和GSMR系统外，没有专用的有线应急电话系统为隧道应急通信提供保障。根据铁道部《铁路工程设计防火规范》、《关于印发〈铁路处置长大隧道突发事件应急预案〉的通知》 (铁办2010［11］号)及其他相关规范的规定，有线应急电话系统成为了隧道应急通信必备的通信设施，因此对其方案进行研究很有必要。

目前，铁路长大隧道内有区间电缆和区间光缆2种，应急隧道通信系统传输接入可以基于这2种方式。区间电缆方案需要在隧道内新增电缆为传输通道，采用共线电话的接入方式;区间光缆方案利用隧道内既有光缆，采用基于EPON技术的接入方式，下面介绍这2种铁路隧道应急通信技术方案。

1 基于电缆通信的隧道应急技术方案

基于电缆方案设置隧道应急电话分机，集“总线制、集中供电、一键呼叫”于一体，系统采用数模混合信号与电源复合加载传输技术，实现隧道终端与值班室或调度用户的呼叫。一键呼叫，实现了隧道人员与控制中心的通话，隧道人员可向控制中心报告事故或申请救援，弥补了隧道内无法实现应急通话的缺陷。

系统采用数模混合信号与电源复合加载传输技术，使模拟音频信号和数字信号在同一对电缆中传输的同时，电源端也通过这一对电缆向负载设备供电，节省了电缆资源，简化了系统组建的步骤，节省了二次布线施工的费用，也可实现模拟系统到数字网络系统的无缝升级。

主要特点：组网结构简单;操作维护方便，对使用人员要求不高;安装施工简单，开通周期短;但受限于传输介质等因素的影响，通信带宽窄，无法传送高质量动态图像和视频;通话质量易受潮湿及电磁干扰等外界环境的影响;投资大，维护成本较高。

基于电缆通信的铁路隧道应急通信系统，适合已有电缆敷设的隧道或仅需通话功能，无数据通信需求，其他业务扩展可能性较小的隧道。

1.1 系统设计

基于电缆通信的隧道应急通信系统，主要由控制中心的值班机、主机及局端管理模块、网管设备、轨侧紧急电话及传输电缆等部分组成。在距离较长时增加中继放大设备或添加远端模块将信号远距离传输，使得远方的值班人员能够处理紧急呼叫，如图1所示。

控制中心设备安装在监控中心值班室，配置专用软件;紧急电话分机主要由机壳、面板、门盖、话机电路等组成;具有一键紧急呼叫、顺序呼叫、排队呼叫、人员定位、通话录音等功能。

1.2 组网方案

基于电缆通信的隧道应急通信系统方案，传输距离受限于电缆环阻，电缆方案采用远程馈电，电缆环阻超过1500 Ω，应急终端电压降至60 V以下时终端可用性能变差。铁路沿线敷设电缆多采用HEYFLT23 3×4×0.9或HEYFLT23 4×4×0.9阻燃型低频长途对称通信电缆，0.9 mm线径电缆每公里环阻一般小于 60 Ω，理论传输距离可达25 km，考虑到接头等因素，实际传输距离在20 km左右。超过20 km的隧道可通过隧道内设置设备或增加中继方式解决。根据隧道长度、通信点与车站的距离，基于电缆的铁路隧道应急通信系统的组网方式可分为以下2种。

1．隧道长度在20 km内，远端隧道口与车站距离在20 km以内。电缆环阻一般小于1500 Ω，压降能够满足应急终端要求，主机或远端模块通过隧道两侧共2个通道电缆延伸至整个隧道，每隔500 m接一个紧急电话分机。

2．隧道长度在20～40 km间，主机或远端模块设置于隧道内。远端的环阻大于1500 Ω，压降导致20 km以后的应急终端不可用，在此情形下，可采用远端模块置于隧道中或增加中继放大设备方式解决。主机或远端模块置于隧道中间，通过隧道2个方向的两侧，共4个通道电缆延伸至整个隧道，每隔500 m接一个紧急电话分机，也可使用中继放大设备解决超长隧道问题。

2 基于光缆通信的隧道应急技术方案

图1 基于电缆通信的铁路隧道应急电话系统组成图

基于光缆通信的铁路隧道应急通信系统，是集救援通信、救援指挥、信息处理和现场定位等功能于一体的综合系统。在高速铁路和客运专线的长大隧道内，利用无源光网络 (PON)组网，将光通信引入隧道，解决隧道应急现场到车站传输设备之间的接入和传输问题。此方案不仅可实现隧道单呼、组呼等通话功能，还可为现场应急通信设备提供隧道至接入站点的宽带传输通道。PON是构建光缆隧道应急通信的核心技术，以点到多点为特征的单纤双向无源光网络，采用不同的上下行传输技术，上行采用时分复用 (TDM)方式，下行采用广播方式。PON包括光线路终端(OLT)、光网络单元 (ONU)和光分配网络(ODN)3个组件。ODN中的无源光分路器可以是一个或多个光分路器的级联。铁路走向呈线状，因此铁路组网中采用多个分光路器级联。

目前PON技术主要分为EPON、APON、BPON和GPON 4种，其中EPON成熟度高，使用最为广泛。EPON的标准是IEEE802.3ah，标准中定义了EPON的物理层、MPCP(多点控制协议)、OAM(运行管理维护)等相关内容。IEEE制定EPON标准的基本原则，是尽量在802.3体系结构内进行EPON的标准化工作，最小程度地扩充标准以太网的MAC协议。

EPON网络采用点到多点网络拓扑结构，提高了车站设备的利用率，减少了光接口，大大节省了主干光纤使用量。EPON网络拓扑结构有树形、总线型和环形结构。隧道实际应用中采用非均分分光器，网络拓扑为总线型结构。

基于光缆的隧道应急通信系统，采用了先进、成熟的EPON技术，带宽高，上下行速率均为1 Gb/s，并且未来可升级到10 Gb/s;EPON采用以太传输协议，可以与数据网无障碍互通;成本低，维护简单，易于和其他系统对接。

结合隧道的实际情况，光缆通信存在一些不足，但主要是供电方面，隧道内光终端设备必须供电才能工作，这就需要在隧道内布放电力电缆;安装施工操作较复杂，需要专业的工具，以及要考虑安全性等问题。

基于光缆通信的铁路隧道应急通信系统，适合隧道内没有敷设电缆只有光缆的情况，或单个通信点对通话路数要求较多、有数据通信需求、对业务扩展功能 (应急动图传输、视频监控传输)和兼容性有较高要求的隧道。

2.1 系统设计

基于光通信的铁路隧道应急通信系统设备，由应急现场设备、隧道应急光通信设备、应急指挥中心设备3部分组成，系统组成如图2所示。

应急指挥中心设备，主要包括应急语音调度机、应急语音网关、视频服务器、应急指挥台、视频终端和网管等。

隧道应急通信光通信设备，主要包括光通信车站设备和光通信终端设备。

图2 铁路隧道应急通信系统组成示意图

现场应急设备，主要包括应急通信包、综合无线接入台、天线及升降杆、无线手机和便携式发电机等。

系统具有一键拨号、组呼、群呼、会议、录音、强拆、强插及以太网数据传输等功能。

2.2 组网方案

基于光通信的隧道应急通信系统，传输距离受限于车站设备光功率和光链路衰耗，隧道应急终端数量多，相应的光链接衰减也大。EPON光端口物理传输距离为20 km，车站光接口发光功率一般为+3～+7 dBm，隧道终端收光灵敏度为－27 dBm。光分配网 (ODN)链路总损耗包括以下几个方面。

1)分光器损耗，根据需要可采用偏分10：90或5：95，也可混合使用。

2)熔接损耗，光纤熔接点衰耗为0.08 dB/点，每个分光器一入一出有2个光纤熔接点。

3)连接器、适配器 (法兰盘)损耗，连接器按0.5dB/个计算;3个连接部位分别是OLT尾纤端口、ODF架上和ONU尾纤端口。

4)光纤传输损耗，G.652光纤，下行波长1490 nm，损耗约0.22 dB/km。

5)线路额外损耗，一般取3 dB左右。

根据隧道长度、通信点与车站或基站的距离，基于光通信的铁路隧道应急通信系统的组网方案可分为以下3种。

1．隧道长度在10 km内，远端隧道口与车站或基站距离在20 km以内。光通信车站设备安装在车站或基站内，通过单芯光纤延伸至整个隧道，每隔500 m外接一个光通信终端设备。

2．隧道长度在10～20 km，车站或基站离远端隧道口距离在20km以内。单光口功率无法满足10 km以后应急终端使用，采用2个光接口，增加覆盖距离。光通信车站设备安装在车站或基站内，光通信车站设备采用2芯光纤 (依据实际的终端设备情况，配置光纤的芯数)延伸，其中一芯连接前10 km的终端设备，另外一芯连接10 km后的终端设备，每隔500m接一个光通信终端设备。

3．隧道长度在20 km以外，车站或基站离远端隧道口在20 km以外。超过了PON传输距离20 km，需要将车站设备放置在隧道内，通过传输设备延伸至安装在隧道内的光通信车站设备。光通信车站设备采用光纤向两侧延伸，每侧各延伸10 km，每隔500 m接一个光通信终端设备。

3 结论

根据传输介质不同隧道应急通信系统技术方案，分为电缆传输方案和光缆传输方案。在既有铁路长大隧道内，现阶段多采用电缆方式解决。电缆通信已发展使用几十年，技术成熟，操作方便，能满足隧道内应急通话的基本需求。

在高速铁路和客运专线中的长大隧道内，一般很少有GSM-R基站、车站和区间电缆，实现隧道内语音通信困难。可利用隧道内既有光缆承载应急业务，实现应急电话通信。采用光通信方式，具有成本低、带宽高、抗干扰能力强、传输距离远等特点，能有效克服隧道内电磁干扰。光缆方案不仅可以实现隧道内人员与控制中心的呼叫及定位功能，还可为现场动图上传、视频监控等业务提供传输通道。

这2种方案均能够提升隧道应急通信的保障能力，满足铁路应急抢险的需求，具有良好的市场前景。在建高速铁路和客运专线的具体方案选型中，用户可根据实际需求再结合以上特点选用。

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Abstract:In order to prevent and avoid accidents in tunnels or take the quickest and most effective means of command and emergency rescue after a sudden accident to minimize the losses as much as possible，a smooth communication is essential．To this end，the general technical schemes of two communication modes based on electrical and optical are proposed for the emergency communication system of railway tunnels，which is applicable not only to the new high speed railway and passenger dedicated line and also to meet the needs of existing railway emergency communication technology，and has good market prospects．

Key words:Tunnel emergency communications;Long and large tunnels;EPON

宋建人：广州铁路 (集团)公司电务处 工程师 510088 广州

2012-12-26

(责任编辑：诸 红)