高速铁路超长跨海大桥无线方案研究

2022-03-03刘宁

铁路通信信号工程技术 2022年2期

刘宁

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

近20年中国海洋桥梁工程的技术进步和成就，使建设跨海铁路大桥逐渐成为可能。国家高速铁路工程较多采用的设计速度为350 km/h，信号采用CTCS-3级列控系统，无线系统采用冗余覆盖[1]。陆地段的常规冗余覆盖方式一般分别两种：单网交织和双网覆盖[2]。非弱场区域，一般单独征地，并通过高铁塔的方式实现大范围的无线覆盖。单网交织下基站间距一般在3～3.5 km，双网覆盖下基站间距一般在5～7 km。

超长跨海大桥天然就不利于设置区间基站房屋及铁塔。同时，长大水面对电磁波有反射作用，采用高天线的覆盖方式会引起大量反射电磁波，增加多径干扰[3]。在移动终端处产生多径干扰，导致通信质量恶化，影响无线覆盖的指标，严重时甚至影响行车[4]。

因此，研究超长跨海大桥场景下350 km/h高速铁路的无线覆盖方案迫在眉睫。

1 超长跨海大桥无线方案研究

由于水面对电磁波的反射作用，在超长跨海环境下应避免使用高天线，应研究低天线的覆盖方式，从而有效降低电磁波反射造成的多径干扰。可采用单独立杆（或利用接触网杆）挂设漏缆或者小天线的方案。

对比分布式基站及数字直放站的组网形式及设备特点，数字直放站更经济[5-6]。以数字直放站为例，比选立杆挂设小天线及立杆挂设漏缆的方案。

1.1 立杆挂设小天线方案

为便于桥梁预留杆体基础条件，桥侧天线推荐采用与接触网杆同类型的基础与杆体。经与接触网专业对接，为避免天线与接触网带电体距离小于2 m，天线杆高度最高为7.5 m。

本次研究以某条铁路的电子地图为基础，分别对数字直放站间距为1 km、1.5 km、2 km和2.5 km进行长大水面场景下的场强模拟仿真。

仿真的输入条件为：时间地点统计概率为95%、数字直放站的射频功率为43 dBm、天馈及耦合损耗为5 dB、天线高度为7 m、天线增益为11 dBi、天线俯仰角为4°。仿真结果如图1所示。

图1 不同直放站间距的仿真效果Fig.1 Simulation effect of different repeater distances

从场强覆盖仿真图上可以看出：直放站前后两侧共900 m线路范围内均在不小于-50 dBm的高场强覆盖状态，对于公网的发射干扰有较好的抑制作用。

数字光纤直放站在间距1 km时，全桥面大部分区域的电平均不小于-50 dBm的强度，极少部分区域的电平均处于-60～-50 dBm间的水平；在间距1.5 km时，处在不小于-50 dBm强度范围的区域比1 km间距时略少，处在-60～-50 dBm强度范围的区域比1 km间距时略多。

数字光纤直放站间距在2 km和2.5 km时，不小于-50 dBm电平的范围占比进一步减小，最低电平值甚至达到-85 dBm，场强减弱明显且不均匀。承载CTCS-3列控数据安全风险增大，易受大桥区域的公网信号干扰。

综上所述，根据软件仿真结果，350 km/h的CTCS-3等级线路，按照1～1.5 km间距布置数字光纤直放站覆盖效果最佳，同时保证10 s重叠区要求（即972.2 m）。

不同于直放站带漏缆的覆盖方案，直放站带天线的方案下，直放站故障后天线间距变为2～3 km，这将导致中间区域电平降低明显，无法抑制公网的干扰，容易导致数据丢包、CTCS-3降级。为避免单点直放站故障造成的影响，每处站址建议设置双套直放站。

1.2 立杆挂设漏缆方案

根据《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》（TB 10088-2015）第4.2.23条规定：漏缆挂设高度应距离钢轨顶面4.5～4.8 m[7]，且与牵引供电设备带电部分（最低位置为斜腕臂底座）的距离不应小于2 m。考虑2 m的保护距离，有以下两种方式。

1）提高斜腕臂底座高度

将斜腕臂底座高度调整至距离轨面高度为7.5～7.8 m的位置（原高度约为5.2 m），这将会引起超长跨海大桥区域的接触网方案的特殊设计。考虑海域强风的影响，接触网专业可能采用全桥设置门型框架取代接触网杆的方案，造成接触网专业投资的大幅增加，相应地将增加对桥梁专业的荷载要求，增加桥梁的设计难度及投资。

2）漏缆支撑杆挂设肩架向海洋侧延伸

接触网支柱杆路间距一般约为40 m，而根据G网设计规范规定，漏缆支持杆杆路间距不宜超过30 m，因此需要额外增加漏缆支撑杆。另外，漏缆需要钢丝承力索加吊具的方式架设，两端采用拉线固定，并应在桥梁预留拉线基础。

经研究，考虑2 m的保护距离，在漏缆挂设于距离轨面4.6 m的位置时，漏缆支撑杆需要挂设肩架向海洋侧延伸875 mm，如图2所示（图2中肩架形式仅供参考）。在接触网下锚的位置，漏缆挂高会局部降低至距轨面约4 m的位置。

图2 漏缆支持杆挂设漏缆示意Fig.2 Schematic diagram of leakage cable hanging on the supporting pole

虽然875 mm远大于钢丝承力索悬挂漏泄同轴电缆后的最大允许垂度（0.15～0.2 m）（20℃），但从安全的角度考虑，对肩架的力学要求以及安装要求还需进一步研究。

1.3 无线方案比选结论

漏缆在开阔区域的覆盖效果不如在隧道场景好，也很容易受到外界信号的干扰；挂设漏缆需要采用支柱和钢丝承力索加吊具方式架设，在利用接触网杆的同时需要额外增加漏缆支撑杆；吊具需要间隔1 m设置，挂设范围属于轨旁区域，每个吊具即为1处隐藏的轨旁故障点，容易影响行车安全，使超长跨海大桥区域的运营维护工作难上加难。

综上所述，在超长跨海大桥区域推荐采用立柱挂设小天线的方案。

2 超长跨海大桥无线设备布置研究

超长跨海大桥中间从信号、牵引变电和电力的角度考虑，均需要较大的空间新设设备房屋，需要额外设置四电集中平台。通信专业将结合信号中继站和牵引变所亭的设置方案，配套设置通信机房。机房内可根据需要设置无线基站。

下文重点研究数字直放站的布置方案。结合桥梁特点，综合考虑可用性、可维护性、可靠性等因素，分析桥面平台、箱梁内部及墩顶平台3种场景下设备布置方案的优缺点。

2.1 桥面外接平台布置方案

将通信设备均放置于桥梁外侧外接平台，平台位置俯视如图3所示。平台尺寸为1 m×3 m，通信天线杆与接触网杆间距为5 m。

图3 通信平台位置俯视Fig.3 Top view of communication platform position

外接平台除放置通信设备（含公网设备）外，还需预留由通信信号电缆槽、电力电缆槽至外接平台的预埋钢管，用于敷设线缆。

该方案的优点是通信设备距离天线挂杆近，馈线距离短，覆盖效果最好；通信设备置于桥面最便于安装与维护；通信线缆及电力电缆最容易敷设，保护性最好。缺点是桥梁专业需要做特殊设计，提高了桥面系设计难度和桥梁的安全风险；桥面设备距离列车较近，属于轨旁设备，有行车安全风险；振动大，会造成通信设备的电气化性能劣化[8]，降低设备的性能；设备置于室外，需要考虑防风防水防腐等措施。

2.2 箱梁内布置方案

通信设备（含公网设备）体积小、重量轻，但数量多、点位多，放置于箱梁内部比梁面保护性更好。但由于桥梁侧壁无法预留线缆敷设条件，馈线及电力电缆需要从桥面经过检查孔进入箱梁内的直放站设备，线缆频繁打弯且固定不牢。人员只能从梁端的检查孔进出箱梁内部，该方案受制于检查孔的数量及尺寸。梁端检查孔的示意如图4所示。

图4 梁端检查孔现场照片及示意Fig.4 On-site photo and schematic diagram of inspection hole at beam end

通信设备放置于箱梁内部，挂设箱梁内部侧壁，数字直放站体积约为60 cm×30 cm×20 cm，挂设于箱梁内部侧壁。为设备散热考虑，数字直放站周围距离结构物或其他设备20 cm以上，距离地面40 cm以上。挂设示意如图5所示。

图5 通信设备挂设示意Fig.5 Schematic diagram of communication equipment hanging installation

该方案的优点是通信设备没有单独占用桥面及墩顶的空间，桥梁不需要做特殊设计；远离线路，无行车安全风险；设备的安装及使用环境最好，防风防腐条件最好。缺点是受制于检查孔的数量及尺寸；会受到振动的影响；馈线最长，覆盖效果最差；检查孔空间狭小，通信线路及电力电缆的敷设条件最差，设备的安装及维修通道最不便捷；线缆多处有弯曲、固定不牢靠，且与工务及电务的维护人员共通道，线缆的保护性最差。