山区铁路GSM-R覆盖研究与应用

鲜先华，王志刚

（1.中铁二局集团电务工程有限公司 京原铁路电化工程指挥部，北京 102402；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京工程项目管理部，北京 100038）

0 引言

近年来，我国铁路建设项目有不少是建设成本高、维护成本高的山区铁路，如陆续开通的渝利铁路、贵广铁路、焦柳铁路、京原铁路等。另外，有部分20世纪建成通车的铁路仍在使用无线列调系统。无线列调系统存在覆盖距离短、通信交互慢的缺点，无法满足我国铁路不断提速的要求，因此在对这些山区既有铁路进行电气化改造的同时，也需要将无线通信系统由无线列调系统改造为GSM-R系统［1-3］。如何降低建设施工成本、方便后期维护，并满足山区铁路GSM-R系统覆盖要求是需要重点研究的课题。

1 山区铁路无线覆盖的难点

在平原地区，由于地势空旷无遮挡，GSM-R系统每处基站（或直放站）的覆盖范围都相对较远。通常每2个车站间距离为15～30 km时，区间仅需要设置1处基站（或直放站）就能达到覆盖要求，低于15 km时利用车站的基站就可以完成覆盖。

对于山区铁路GSM-R系统，由于山体遮挡导致覆盖范围极其有限，只能依靠增加直放站的数量来完成区间无线覆盖。通常，每2个直放站之间的距离不超过1 km，甚至在特别困难地区直放站距离不超过500 m。而且由于山高沟深导致区间直放站的修建位置有限，可选择性小。且地理地质条件艰难，导致施工难度和选址难度都非常大。

2 山区铁路GSM-R系统覆盖方案

2.1 系统构成

GSM-R系统主要由网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、运行和业务支撑子系统（OSS/BSS）和终端设备4个部分构成［4-8］。其中NSS可利用铁路局集团公司既有网络子系统设备。在通信站设置GSM-R网络子系统的核心网设备、基站子系统的基站控制器、运行维护与支撑系统的无线系统网管（OMC-R）1套和光纤直放站网管（OMC-T）1套。

2.2 正线覆盖方案

2.2.1 无线覆盖

全线采用单层网络无线覆盖方案，基站沿铁路线路设置。铁路沿线隧道等弱场区，采用光纤直放站连接漏泄同轴电缆的方式解决无线覆盖问题。隧道之间的短距离开阔区间采用定向天线完成隧道外区段的覆盖。在场地条件不具备时，采用H形钢柱架设漏泄同轴电缆完成隧道外区段的覆盖［9］。

2.2.2 天线和馈线

天线全部采用定向天线，其中基站采用双极化天线，直放站采用单极化天线。连接长度100 m之内采用7/8同轴射频电缆馈线，超过100 m采用13/8同轴射频电缆馈线。为维护方便，功分器等无源射频器件按放置在机房内考虑。

2.2.3 漏泄同轴电缆

全线采用阻燃型1-5/8漏泄同轴电缆，在铁路一侧单条敷设，敷设高度4.5～4.8 m，最大垂度为0.15 m。漏泄电缆卡具按照“一米一处”进行设置，隧道内每间隔10处普通夹具设置1处防火卡具。并且漏泄同轴电缆首、尾两端吊夹应采用防火吊夹［10］。

全线长度超过500 m的漏缆中间接头处设置直流阻断器，每段漏缆最大长度为500 m。漏泄同轴电缆的挂设不得侵入铁路规定的建筑限界，在隧道内须避让其他专业的设备。在接触网区段，LCX与回流线的直线距离应大于0.6 m，在回流线或接地线加绝缘保护的区段，应大于0.25 m，与接触网带电部分的距离应不小于2 m。

2.2.4 杆（塔）

车站采用独管柱铁塔，以保证美观，且由于山区既有车站地势特殊，采用独管柱铁塔也可以减少用地需求，且对于车站来说，一般情况下交通相对便利，独管柱铁塔的吊装也不会有问题。

光纤直放站主要采用H形钢柱，因直放站仅为单个天线或最多2个天线，在选择相应H形钢柱的型号和厚度情况下，可满足相应设备的荷载要求，且直放站增加设备设施的可能性相对较小，需要考虑预留荷载较小。从施工方面来看，H形钢柱的风载荷较小，所以基础较小，在山区材料运输困难、基坑开挖困难的情况下，能最大程度减小施工难度。

杆（塔）架设位置不得侵入铁路建筑限界，杆（塔）内缘至铁路线路中心的水平距离应大于5 m。

2.2.5 漏缆监测系统

新设漏缆监测系统，在通信站设置漏缆故障定位监测中心服务器和管理终端设备。对全线2 km以上隧道进行监测，且酌情考虑增加有现场管理单元的前后隧道纳入隧道监测范围内，纳入上层网管统一管理。直放站区段3 km以下隧道利用直放站监测模块进行监测。

2.2.6 终端设备

现场作业人员配置作业手持台和通用手持台，其中通用手持台每2 km配置1台；作业手持台每1 km配置1台。每套通用手持台多配备2块备用电池、每套作业手持台多配备1块备用电池，SIM卡按手持台数量配置并考虑部分预留［6］。

3 方案应用

3.1 线路概况

以京原铁路为应用背景，选取其中隧道较多、桥梁较多的三合庄站—野三坡站3站2区间（三十区间、十平区间）进行阐述。隧道台账见表1。

表1 隧道台账

3.2 设备和直放站布置概况

GSM-R系统主要节点包含车站3处、直放站10处（含1处隧道内直放站）。无线通信设备布置见表2。

表2 无线通信设备布置

4 方案优势分析

4.1 预算成本

相较于原设计全部采用四管柱铁塔，改为车站独管柱铁塔和区间H形钢柱，一是减小了铁塔自重，采购价格也低得多。二是铁塔本身的风载荷较小，也可相应减小在同等地质条件下的铁塔基础，降低了相当一部分基坑土方开挖方量和混凝土浇筑方量。三是由此减少了材料运输费。

4.2 施工便利性

改为车站独管柱铁塔和区间H形钢柱代替方案，一方面，独管柱铁塔和H形钢柱基本为整体，不需要在现场进行二次组装，可以保证施工过程安全可控，且减少了登高作业的危险性。

另一方面，减小了铁塔基础，所需要搬运的材料大大减少。由于山区施工大多无便道，如果修施工便道，会造成一定程度破坏，尤其是京原铁路位于十渡、野三坡等风景区和地质公园内，只能采取人工搬运，减少材料的同时也减少了搬运所需要的人工。

4.3 维护便利性

相较于原设计仅针对大于3 km的隧道设置隧道漏缆监测，增加了在三十区间和十平区间各设置1套漏缆监测系统。主要是由于三十区间和十平区间的连续隧道，相较于河边的主要公路高差为50 m以上，导致很多隧道的中间基本都是桥梁，也说明这些部分是没有道路能到达隧道口，基本需要通过铁路隧道到达。假设在穆家口隧道内中部漏缆发生故障，维护人员需要对整个三十区间的隧道漏缆进行排查，才能基本确认漏缆故障点，需要花费大量时间和人力资源。设置漏缆监测系统后，通过后台就能发现故障点的位置，能最大程度地保证抢修时间并节约确认故障点所需的人力资源。

总之，与京原铁路原批复方案相比，应用该方案后基本可降低施工成本30%～40%，降低后期维护成本5%～10%，且能更好地匹配现场的地理地质条件。

5 结束语

从减少山区铁路施工成本和维护成本的角度出发，针对山区铁路隧连桥、桥连隧的情况，开展山区铁路GSM-R系统覆盖方案研究。以京原铁路为背景，优化施工方案和系统组网，创新应用12 m高H形钢柱，并优化了车站、区间基站、区间直放站的层级关系，为山区铁路无线覆盖方案提供参考。