宋 揚
(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)
摘 要：漏泄電纜的性能對鐵路GSM-R移動通信網(wǎng)絡(luò)的安全運行有很重要的影響。目前在鐵路運營期間，受多種因素的限制，對漏泄電纜的維護(hù)非常困難。通過深入分析、研究漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)，明確系統(tǒng)的架構(gòu)及監(jiān)測原理，引申出精確定位的概念。并以山西中南部鐵路通道工程為依托，針對不同隧道類型提出相應(yīng)的設(shè)計方案，且通過工程實踐加以驗證，為鐵路通信工程的漏纜監(jiān)測系統(tǒng)提供設(shè)計參考。
關(guān)鍵詞：鐵路通信；GSM-R；漏泄同軸電纜；實時監(jiān)測；精確定位
近年來鐵路項目建設(shè)如火如荼，很多線路陸續(xù)開通進(jìn)入運營、維護(hù)階段。在鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)日常運營維護(hù)中，漏泄同軸電纜及天饋線系統(tǒng)的性能對鐵路GSM-R移動通信網(wǎng)絡(luò)的安全運行有很重要的影響[1]。漏纜、天饋線等無源部件的故障占整個射頻無線系統(tǒng)問題的50%以上，接頭、跳線、天線等問題占無源部件問題的80%以上[2]。隨著GSM-R移動通信系統(tǒng)的運行開通，由于設(shè)備質(zhì)量問題或工程安裝問題，部分漏纜所連接的接頭、跳線、天線開始進(jìn)入故障多發(fā)期。但由于維護(hù)的實際困難，例如長大隧道、窗口時間、被動式巡檢方式等因素的限制，有些故障很難被及時發(fā)現(xiàn)，且發(fā)現(xiàn)后也難以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行處理。
目前，中國鐵路總公司工程設(shè)計鑒定中心、工程管理中心，各鐵路設(shè)計院，各鐵路局，各生產(chǎn)廠商均非常重視上述問題，在產(chǎn)品研發(fā)、鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計、工程建設(shè)、運行維護(hù)等各個階段都充分考慮了漏纜的實時在線監(jiān)測問題。而前期的漏纜實時在線監(jiān)測系統(tǒng)只是解決了漏纜故障點的模糊定位問題，如：若漏纜發(fā)生故障，監(jiān)測系統(tǒng)只顯示在哪兩臺光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)間(或遠(yuǎn)端機(jī)與基站間或兩臺基站間)的漏纜存在問題?，F(xiàn)在，漏纜實時在線監(jiān)測系統(tǒng)可將漏纜故障點定位在10 m至1 m精度上，稱為精確定位。
再者，以前很多論文側(cè)重于對漏纜監(jiān)測系統(tǒng)本身進(jìn)行技術(shù)分析，偶爾涉及到具體工程也介紹的不甚充分，而且缺少對漏纜監(jiān)測系統(tǒng)的精確定位問題的分析研究[3-9]。針對以上的研究空缺，依托山西中南部鐵路通道(瓦日線)工程，對漏纜實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的精確定位在長大隧道、隧道群、短段隧道的應(yīng)用及實現(xiàn)進(jìn)行研究(天饋線系統(tǒng)的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)不在本文中體現(xiàn))，為今后的鐵路通信系統(tǒng)設(shè)計、工程建設(shè)、產(chǎn)品研發(fā)提供依據(jù)。
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)僅需在漏纜或饋線一端安裝設(shè)備，由設(shè)備輸出端發(fā)射800 MHz頻段的電磁波，電磁波沿電纜傳播，在電纜的介質(zhì)特性(表現(xiàn)為特性阻抗)有變化的點或區(qū)域產(chǎn)生反射[10]。當(dāng)漏纜及接頭出現(xiàn)故障時，漏纜監(jiān)測設(shè)備主動上報告警信息，根據(jù)設(shè)計方案的不同，可以通過直放站設(shè)備提供的傳輸信道，也可通過專用傳輸通道上報至網(wǎng)管中心，為鐵路通信信號覆蓋提供更加安全的保障。
目前，漏纜監(jiān)測系統(tǒng)在原有主從式監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件和硬件全面升級，開發(fā)出了新一代漏纜實時、在線、精確監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有漏纜故障點定位功能，即系統(tǒng)能夠?qū)β├|故障點進(jìn)行精確定位，主要用于漏纜末端，提高了漏纜故障處理的速度。
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場管理單元(FSU)、漏纜監(jiān)測主機(jī)、信號接入器、遠(yuǎn)程網(wǎng)管構(gòu)成，如圖1所示。
圖1 漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成
2.2 系統(tǒng)原理
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)采用對駐波比(回波損耗)進(jìn)行測量的技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)失配情況時，駐波比(回波損耗)會相對正常(≤1.5)有較大的區(qū)別，根據(jù)失配情況(即通過駐波比大小)來判斷告警并上報3個等級告警(一般告警、重要告警和嚴(yán)重告警)。
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)具有DTF(Distance-To-Fault)功能，DTF測量也稱為故障點定位功能，顯示被測信號通路不同位置上響應(yīng)信號的大小，從而為判斷傳輸路徑上的阻抗變化提供依據(jù)。漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)定位的精確度與距離長度中能設(shè)定的采樣點數(shù)密切相關(guān)。系統(tǒng)設(shè)定的最大采樣點數(shù)為1 033個，在500 m范圍內(nèi)的故障定位精度能達(dá)到0.5 m，在1 000 m范圍內(nèi)故障定位精度能達(dá)到1 m，在2 000 m范圍內(nèi)故障點定位精度能達(dá)到2 m，考慮到實際測量中的誤差，定位精度達(dá)到10～1 m就能夠滿足鐵路漏纜故障定位的要求。
漏纜故障定位測試技術(shù)源于矢量網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)中的頻域反射(FDR)測量技術(shù)，將漏纜看作是被測的二端口電路網(wǎng)絡(luò)，由漏纜故障定位模塊產(chǎn)生一系列連續(xù)的掃頻信號，如產(chǎn)生780～820 MHz的正弦掃頻信號，對漏纜進(jìn)行激勵，那么漏纜就會針對這一系列的信號產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，漏纜故障定位模塊的接收機(jī)就會跟蹤并且接收漏纜產(chǎn)生的響應(yīng)信號，進(jìn)行處理。首先，接收機(jī)接收到頻域范圍的回波損耗數(shù)據(jù)，然后通過傅里葉反變換，計算出時域的回波損耗數(shù)據(jù)，再乘以信號在漏纜中的傳播速度，進(jìn)而得出距離域的回波損耗數(shù)據(jù)。應(yīng)用此原理可以比較準(zhǔn)確地定位發(fā)生故障的位置。
3.1 工程概況
山西中南部鐵路通道(瓦日線)工程線路位于晉中南、豫北和魯中南地區(qū)，為橫穿晉豫魯三省的一條東西向干線鐵路。本段線路起自臨汾市洪洞北站出站端，途經(jīng)山西省臨汾市、長治市，河南省安陽市、鶴壁市、濮陽市，山東省濟(jì)寧市、泰安市、萊蕪市、淄博市、臨沂市、日照市，止于設(shè)計終點日照南出站端DK1279+700，線路先后翻越太岳山、太行山、沂蒙山等山脈，跨越沁河、衛(wèi)河、黃河、沂河等河流，正線線路長度923.995 km(全長1 267.904 km)。正線共有隧道90座，隧道總長度218.3 km，隧道比為23.6%。
3.2 工程應(yīng)用
根據(jù)山西中南部鐵路通道(瓦日線)隧道(群)特點、漏纜覆蓋方式以及傳輸設(shè)備類型，漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)采用有線方式組網(wǎng)，隧道漏纜監(jiān)控中心(網(wǎng)管中心)設(shè)在各鐵路局，并與直放站網(wǎng)管共用網(wǎng)管終端。漏纜監(jiān)測主機(jī)設(shè)置在直放站遠(yuǎn)端機(jī)或基站處，通過信號接入器接入漏纜的跳線端，漏纜監(jiān)測主機(jī)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過光纖傳至現(xiàn)場管理單元(FSU)，F(xiàn)SU設(shè)置在基站機(jī)房處，F(xiàn)SU利用FE端口與區(qū)間基站處的SDH 622 Mb/s傳輸設(shè)備相連，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將漏纜監(jiān)測數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)
3.2.1 短隧道漏纜實時監(jiān)測解決方案
漏纜監(jiān)測主機(jī)分為：漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅰ型(單端口)和漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅱ型(雙端口)。
漏纜監(jiān)測主機(jī)I 型(單端口)：僅能監(jiān)測一段漏纜(漏纜長度≤2 km)；
漏纜監(jiān)測主機(jī)II型(雙端口)：能監(jiān)測兩段漏纜(每段漏纜長度≤2 km)。
漏纜監(jiān)測主機(jī)通過信號接入器對漏纜狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過光纖與現(xiàn)場管理單元FSU連接；現(xiàn)場管理單元FSU采用FE端口接入?yún)^(qū)間基站的傳輸設(shè)備，將漏纜監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)管中心。
(1)隧道內(nèi)設(shè)置直放站遠(yuǎn)端機(jī)
列車時速小于250 km的鐵路，在其隧道內(nèi)設(shè)置光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)的間距一般為1.5 km(切換區(qū)為1 km)[11-15]。所以，若隧道長度較長(大于2 km)，需要在隧道內(nèi)設(shè)置光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)通過饋線連接上下行漏纜完成對隧道內(nèi)的無線信號覆蓋。
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)利用隧道內(nèi)的直放站遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)備洞室以及近端機(jī)與遠(yuǎn)端機(jī)間敷設(shè)的短段光纜，在設(shè)備洞室內(nèi)設(shè)置漏纜監(jiān)測主機(jī)，在附近基站機(jī)房設(shè)置FSU，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監(jiān)測主機(jī)。采用漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅱ型設(shè)備通過信號接入器將監(jiān)測信號接入漏纜中進(jìn)行實時監(jiān)測，采用輪詢方式分別檢測左右兩邊漏纜的DFT回波損耗?，F(xiàn)場管理單元FSU通過獨立光纖監(jiān)控漏纜監(jiān)測主機(jī)，并通過FE接口與網(wǎng)管中心交互數(shù)據(jù)。具體工程應(yīng)用示意見圖3。
圖3 短隧道兩段漏纜監(jiān)測系統(tǒng)示意
(2)短隧道內(nèi)無直放站遠(yuǎn)端機(jī)
在實際工程中，有的隧道較短(<1.5>
漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)利用隧道口的直放站機(jī)房或基站機(jī)房，在機(jī)房內(nèi)設(shè)置漏纜監(jiān)測主機(jī)。若隧道口為直放站機(jī)房，則在附近基站機(jī)房設(shè)置FSU，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監(jiān)測主機(jī)；若隧道口為基站機(jī)房，則在此及機(jī)房設(shè)置FSU，利用機(jī)房內(nèi)光纖接FSU與漏纜監(jiān)測主機(jī)。采用漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅰ型設(shè)備通過信號接入器將監(jiān)測信號接入漏纜中進(jìn)行實時監(jiān)測。具體工程應(yīng)用示意見圖4。
圖4 短隧道一段漏纜監(jiān)測系統(tǒng)示意
3.2.2 長大隧道漏纜實時監(jiān)測解決方案
瓦日線存在很多長大隧道，一般情況下在隧道口設(shè)置基站機(jī)房，在隧道內(nèi)設(shè)置多個直放站洞室。漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)在隧道口基站機(jī)房設(shè)置FSU，在若干直放站洞室設(shè)置漏纜監(jiān)測主機(jī)(有的洞室可不設(shè)主機(jī))，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監(jiān)測主機(jī)。采用漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅰ型和漏纜監(jiān)測主機(jī)Ⅱ型混合使用，現(xiàn)場管理單元FSU通過獨立光纖監(jiān)控多臺漏纜監(jiān)測主機(jī)。具體工程應(yīng)用示意見圖5。
圖5 長隧道多段漏纜監(jiān)測系統(tǒng)示意
由圖5可見，有的直放站洞室處可不用設(shè)置漏纜監(jiān)測主機(jī)，如第三臺遠(yuǎn)端機(jī)，其所連接的兩段漏纜由相鄰的兩臺遠(yuǎn)端機(jī)處的漏纜監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。
3.2.3 其他情況的解決方案
如果隧道內(nèi)只有兩處直放站遠(yuǎn)端機(jī)，可以通過信號接入器的互聯(lián)進(jìn)行延長漏纜的監(jiān)測距離，這樣就把兩條漏纜合并成一條漏纜來進(jìn)行監(jiān)測。
遠(yuǎn)端機(jī)處左右兩段漏纜總長度<2 km，采用兩只信號接入器使兩段漏纜的漏纜監(jiān)測頻段(780～820="">
圖6 非貫通漏纜監(jiān)測系統(tǒng)示意
山西中南部鐵路通道工程(瓦日線)已于2014年底順利開通運營，漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)在工程中得到了充分應(yīng)用，并且經(jīng)過1年多的正常運行，漏纜實時監(jiān)測系統(tǒng)針對不同隧道類型的解決方案得到了很好的驗證，效果良好。系統(tǒng)的精確定位功能為鐵路運營維護(hù)人員快速確定維修方案、節(jié)約故障處理時間提供了有力支持，大大減少了維護(hù)人員在煤塵密布的隧道內(nèi)的工作時間，得到了鐵路局維護(hù)人員的廣泛好評。另外，本次研究填補(bǔ)了漏纜監(jiān)測基于具體工程實踐以及針對精確定位功能進(jìn)行分析的研究空白，為鐵路項目通信工程的漏纜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。
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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-02-06
基金項目：中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司科研開發(fā)課題(研2015-20)
作者簡介：宋 揚(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)，工程碩士，E-mail:soulsoul2050@126.com。
文章編號：1004-2954(2016)07-0150-04
中圖分類號：U285
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.034
SONG Yang
(China Railway Engineering Consulting Group Co.， Ltd.， Beijing 10005, China)
Abstract： The performance of leaky coaxial cable plays an important role in the safe operation of railway GSM-R mobile communication network. During the railway operation， the maintenance of leaky coaxial cable is currently very difficult due to a variety of factors. The system architecture and monitoring principle are identified and the concept of precise positioning is derived based on careful analysis and research on the real-time monitoring system of leakage cable. With reference to Shanxi centra-south railway project， the corresponding design schemes are proposed in accordance with different tunnel types and verified by engineering practices， which may provide references to the design of leakage cable monitoring system in railway communication engineering.
Key words： Railway communication; GSM-R; Leaky coaxial cable; Real-time monitoring; Precise positioning
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