鐵路通信漏纜實時監測系統的應用及實現研究

宋　揚

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

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鐵路通信漏纜實時監測系統的應用及實現研究

宋揚

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055)

摘要：漏泄電纜的性能對鐵路GSM-R移動通信網絡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，對漏泄電纜的維護非常困難。通過深入分析、研究漏纜實時監測系統，明確系統的架構及監測原理，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的設計方案，且通過工程實踐加以驗證，為鐵路通信工程的漏纜監測系統提供設計參考。

關鍵詞：鐵路通信；GSM-R；漏泄同軸電纜；實時監測；精確定位

1概述

近年來鐵路項目建設如火如荼，很多線路陸續開通進入運營、維護階段。在鐵路GSM-R網絡日常運營維護中，漏泄同軸電纜及天饋線系統的性能對鐵路GSM-R移動通信網絡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移動通信系統的運行開通，由于設備質量問題或工程安裝問題，部分漏纜所連接的接頭、跳線、天線開始進入故障多發期。但由于維護的實際困難，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現，且發現后也難以快速準確的進行處理。

目前，中國鐵路總公司工程設計鑒定中心、工程管理中心，各鐵路設計院，各鐵路局，各生產廠商均非常重視上述問題，在產品研發、鐵路通信系統設計、工程建設、運行維護等各個階段都充分考慮了漏纜的實時在線監測問題。而前期的漏纜實時在線監測系統只是解決了漏纜故障點的模糊定位問題，如：若漏纜發生故障，監測系統只顯示在哪兩臺光纖直放站遠端機間(或遠端機與基站間或兩臺基站間)的漏纜存在問題。現在，漏纜實時在線監測系統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，以前很多論文側重于對漏纜監測系統本身進行技術分析，偶爾涉及到具體工程也介紹的不甚充分，而且缺少對漏纜監測系統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，對漏纜實時在線監測系統的精確定位在長大隧道、隧道群、短段隧道的應用及實現進行研究(天饋線系統的實時在線監測系統不在本文中體現)，為今后的鐵路通信系統設計、工程建設、產品研發提供依據。

2漏纜實時監測系統基本架構及原理

2.1系統構成

漏纜實時監測系統僅需在漏纜或饋線一端安裝設備，由設備輸出端發射800 MHz頻段的電磁波，電磁波沿電纜傳播，在電纜的介質特性(表現為特性阻抗)有變化的點或區域產生反射[10]。當漏纜及接頭出現故障時，漏纜監測設備主動上報告警信息，根據設計方案的不同，可以通過直放站設備提供的傳輸信道，也可通過專用傳輸通道上報至網管中心，為鐵路通信信號覆蓋提供更加安全的保障。

目前，漏纜監測系統在原有主從式監測系統基礎上進行了軟件和硬件全面升級，開發出了新一代漏纜實時、在線、精確監測系統，該系統具有漏纜故障點定位功能，即系統能夠對漏纜故障點進行精確定位，主要用于漏纜末端，提高了漏纜故障處理的速度。

漏纜實時監測系統由現場管理單元(FSU)、漏纜監測主機、信號接入器、遠程網管構成，如圖1所示。

圖1　漏纜實時監測系統構成

2.2系統原理

漏纜實時監測系統采用對駐波比(回波損耗)進行測量的技術，當出現失配情況時，駐波比(回波損耗)會相對正常(≤1.5)有較大的區別，根據失配情況(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、重要告警和嚴重告警)。

漏纜實時監測系統具有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信號的大小，從而為判斷傳輸路徑上的阻抗變化提供依據。漏纜實時監測系統定位的精確度與距離長度中能設定的采樣點數密切相關。系統設定的最大采樣點數為1 033個，在500 m范圍內的故障定位精度能達到0.5 m，在1 000 m范圍內故障定位精度能達到1 m，在2 000 m范圍內故障點定位精度能達到2 m，考慮到實際測量中的誤差，定位精度達到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源于矢量網絡測量技術中的頻域反射(FDR)測量技術，將漏纜看作是被測的二端口電路網絡，由漏纜故障定位模塊產生一系列連續的掃頻信號，如產生780～820 MHz的正弦掃頻信號，對漏纜進行激勵，那么漏纜就會針對這一系列的信號產生相應的響應，漏纜故障定位模塊的接收機就會跟蹤并且接收漏纜產生的響應信號，進行處理。首先，接收機接收到頻域范圍的回波損耗數據，然后通過傅里葉反變換，計算出時域的回波損耗數據，再乘以信號在漏纜中的傳播速度，進而得出距離域的回波損耗數據。應用此原理可以比較準確地定位發生故障的位置。

3漏纜實時監測系統的工程應用

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，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，山東省濟寧市、泰安市、萊蕪市、淄博市、臨沂市、日照市，止于設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工程應用

根據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備類型，漏纜實時監測系統采用有線方式組網，隧道漏纜監控中心(網管中心)設在各鐵路局，并與直放站網管共用網管終端。漏纜監測主機設置在直放站遠端機或基站處，通過信號接入器接入漏纜的跳線端，漏纜監測主機將監測到的數據通過光纖傳至現場管理單元(FSU)，FSU設置在基站機房處，FSU利用FE端口與區間基站處的SDH 622 Mb/s傳輸設備相連，通過傳輸網絡將漏纜監測數據傳至監控中心。系統結構如圖2所示。

圖2　漏纜實時監測系統

3.2.1短隧道漏纜實時監測解決方案

漏纜監測主機分為：漏纜監測主機Ⅰ型(單端口)和漏纜監測主機Ⅱ型(雙端口)。

漏纜監測主機I 型(單端口)：僅能監測一段漏纜(漏纜長度≤2 km)；

漏纜監測主機II型(雙端口)：能監測兩段漏纜(每段漏纜長度≤2 km)。

漏纜監測主機通過信號接入器對漏纜狀態進行實時監測，通過光纖與現場管理單元FSU連接；現場管理單元FSU采用FE端口接入區間基站的傳輸設備，將漏纜監測數據傳送至網管中心。

(1)隧道內設置直放站遠端機

列車時速小于250 km的鐵路，在其隧道內設置光纖直放站遠端機的間距一般為1.5 km(切換區為1 km)[11-15]。所以，若隧道長度較長(大于2 km)，需要在隧道內設置光纖直放站遠端機，遠端機通過饋線連接上下行漏纜完成對隧道內的無線信號覆蓋。

漏纜實時監測系統利用隧道內的直放站遠端機設備洞室以及近端機與遠端機間敷設的短段光纜，在設備洞室內設置漏纜監測主機，在附近基站機房設置FSU，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監測主機。采用漏纜監測主機Ⅱ型設備通過信號接入器將監測信號接入漏纜中進行實時監測，采用輪詢方式分別檢測左右兩邊漏纜的DFT回波損耗。現場管理單元FSU通過獨立光纖監控漏纜監測主機，并通過FE接口與網管中心交互數據。具體工程應用示意見圖3。

圖3　短隧道兩段漏纜監測系統示意

(2)短隧道內無直放站遠端機

在實際工程中，有的隧道較短(<1.5 km)，只需在隧道口設置基站或直放站遠端機，并通過饋線連接漏纜完成隧道內的無線覆蓋。

漏纜實時監測系統利用隧道口的直放站機房或基站機房，在機房內設置漏纜監測主機。若隧道口為直放站機房，則在附近基站機房設置FSU，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監測主機；若隧道口為基站機房，則在此及機房設置FSU，利用機房內光纖接FSU與漏纜監測主機。采用漏纜監測主機Ⅰ型設備通過信號接入器將監測信號接入漏纜中進行實時監測。具體工程應用示意見圖4。

圖4　短隧道一段漏纜監測系統示意

3.2.2長大隧道漏纜實時監測解決方案

瓦日線存在很多長大隧道，一般情況下在隧道口設置基站機房，在隧道內設置多個直放站洞室。漏纜實時監測系統在隧道口基站機房設置FSU，在若干直放站洞室設置漏纜監測主機(有的洞室可不設主機)，利用短段光纜中的一根光纖連接FSU與漏纜監測主機。采用漏纜監測主機Ⅰ型和漏纜監測主機Ⅱ型混合使用，現場管理單元FSU通過獨立光纖監控多臺漏纜監測主機。具體工程應用示意見圖5。

由圖5可見，有的直放站洞室處可不用設置漏纜監測主機，如第三臺遠端機，其所連接的兩段漏纜由相鄰的兩臺遠端機處的漏纜監測主機進行監測。

3.2.3其他情況的解決方案

如果隧道內只有兩處直放站遠端機，可以通過信號接入器的互聯進行延長漏纜的監測距離，這樣就把兩條漏纜合并成一條漏纜來進行監測。

遠端機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測頻段(780～820 MHz)貫通，通過相鄰直放站處的漏纜監測主機來監測其兩段漏纜狀態。這樣減少了維護成本，降低了工程造價。具體工程應用示意見圖6。

圖6　非貫通漏纜監測系統示意

4結語

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，漏纜實時監測系統在工程中得到了充分應用，并且經過1年多的正常運行，漏纜實時監測系統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。系統的精確定位功能為鐵路運營維護人員快速確定維修方案、節約故障處理時間提供了有力支持，大大減少了維護人員在煤塵密布的隧道內的工作時間，得到了鐵路局維護人員的廣泛好評。另外，本次研究填補了漏纜監測基于具體工程實踐以及針對精確定位功能進行分析的研究空白，為鐵路項目通信工程的漏纜監測系統設計提供了參考。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-02-06

基金項目：中鐵工程設計咨詢集團有限公司科研開發課題(研2015-20)

作者簡介：宋揚(1983—)，男，工程師，2006年畢業于北京工業大學電子信息工程專業，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

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.034

Research on the Application and Realization of Real-time Monitoring System for Railway Communication of Leaky Coaxial Cable

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