高速鐵路超長跨海大橋無線方案研究

劉 寧

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

近20年中國海洋橋梁工程的技術進步和成就，使建設跨海鐵路大橋逐漸成為可能。國家高速鐵路工程較多采用的設計速度為350 km/h，信號采用CTCS-3級列控系統，無線系統采用冗余覆蓋[1]。陸地段的常規冗余覆蓋方式一般分別兩種：單網交織和雙網覆蓋[2]。非弱場區域，一般單獨征地，并通過高鐵塔的方式實現大范圍的無線覆蓋。單網交織下基站間距一般在3～3.5 km，雙網覆蓋下基站間距一般在5～7 km。

超長跨海大橋天然就不利于設置區間基站房屋及鐵塔。同時，長大水面對電磁波有反射作用，采用高天線的覆蓋方式會引起大量反射電磁波，增加多徑干擾[3]。在移動終端處產生多徑干擾，導致通信質量惡化，影響無線覆蓋的指標，嚴重時甚至影響行車[4]。

因此，研究超長跨海大橋場景下350 km/h高速鐵路的無線覆蓋方案迫在眉睫。

1 超長跨海大橋無線方案研究

由于水面對電磁波的反射作用，在超長跨海環境下應避免使用高天線，應研究低天線的覆蓋方式，從而有效降低電磁波反射造成的多徑干擾。可采用單獨立桿（或利用接觸網桿）掛設漏纜或者小天線的方案。

對比分布式基站及數字直放站的組網形式及設備特點，數字直放站更經濟[5-6]。以數字直放站為例，比選立桿掛設小天線及立桿掛設漏纜的方案。

1.1 立桿掛設小天線方案

為便于橋梁預留桿體基礎條件，橋側天線推薦采用與接觸網桿同類型的基礎與桿體。經與接觸網專業對接，為避免天線與接觸網帶電體距離小于2 m，天線桿高度最高為7.5 m。

本次研究以某條鐵路的電子地圖為基礎，分別對數字直放站間距為1 km、1.5 km、2 km和2.5 km進行長大水面場景下的場強模擬仿真。

仿真的輸入條件為：時間地點統計概率為95%、數字直放站的射頻功率為43 dBm、天饋及耦合損耗為5 dB、天線高度為7 m、天線增益為11 dBi、天線俯仰角為4°。仿真結果如圖1所示。

圖1 不同直放站間距的仿真效果Fig.1 Simulation effect of different repeater distances

從場強覆蓋仿真圖上可以看出：直放站前后兩側共900 m線路范圍內均在不小于-50 dBm的高場強覆蓋狀態，對于公網的發射干擾有較好的抑制作用。

數字光纖直放站在間距1 km時，全橋面大部分區域的電平均不小于-50 dBm的強度，極少部分區域的電平均處于-60～-50 dBm間的水平；在間距1.5 km時，處在不小于-50 dBm強度范圍的區域比1 km間距時略少，處在-60～-50 dBm強度范圍的區域比1 km間距時略多。

數字光纖直放站間距在2 km和2.5 km時，不小于-50 dBm電平的范圍占比進一步減小，最低電平值甚至達到-85 dBm，場強減弱明顯且不均勻。承載CTCS-3列控數據安全風險增大，易受大橋區域的公網信號干擾。

綜上所述，根據軟件仿真結果，350 km/h的CTCS-3等級線路，按照1～1.5 km間距布置數字光纖直放站覆蓋效果最佳，同時保證10 s重疊區要求（即972.2 m）。

不同于直放站帶漏纜的覆蓋方案，直放站帶天線的方案下，直放站故障后天線間距變為2～3 km，這將導致中間區域電平降低明顯，無法抑制公網的干擾，容易導致數據丟包、CTCS-3降級。為避免單點直放站故障造成的影響，每處站址建議設置雙套直放站。

1.2 立桿掛設漏纜方案

根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》（TB 10088-2015）第4.2.23條規定：漏纜掛設高度應距離鋼軌頂面4.5～4.8 m[7]，且與牽引供電設備帶電部分（最低位置為斜腕臂底座）的距離不應小于2 m。考慮2 m的保護距離，有以下兩種方式。

1）提高斜腕臂底座高度

將斜腕臂底座高度調整至距離軌面高度為7.5～7.8 m的位置（原高度約為5.2 m），這將會引起超長跨海大橋區域的接觸網方案的特殊設計。考慮海域強風的影響，接觸網專業可能采用全橋設置門型框架取代接觸網桿的方案，造成接觸網專業投資的大幅增加，相應地將增加對橋梁專業的荷載要求，增加橋梁的設計難度及投資。

2）漏纜支撐桿掛設肩架向海洋側延伸

接觸網支柱桿路間距一般約為40 m，而根據G網設計規范規定，漏纜支持桿桿路間距不宜超過30 m，因此需要額外增加漏纜支撐桿。另外，漏纜需要鋼絲承力索加吊具的方式架設，兩端采用拉線固定，并應在橋梁預留拉線基礎。

經研究，考慮2 m的保護距離，在漏纜掛設于距離軌面4.6 m的位置時，漏纜支撐桿需要掛設肩架向海洋側延伸875 mm，如圖2所示（圖2中肩架形式僅供參考）。在接觸網下錨的位置，漏纜掛高會局部降低至距軌面約4 m的位置。

圖2 漏纜支持桿掛設漏纜示意Fig.2 Schematic diagram of leakage cable hanging on the supporting pole

雖然875 mm遠大于鋼絲承力索懸掛漏泄同軸電纜后的最大允許垂度（0.15～0.2 m）（20℃），但從安全的角度考慮，對肩架的力學要求以及安裝要求還需進一步研究。

1.3 無線方案比選結論

漏纜在開闊區域的覆蓋效果不如在隧道場景好，也很容易受到外界信號的干擾；掛設漏纜需要采用支柱和鋼絲承力索加吊具方式架設，在利用接觸網桿的同時需要額外增加漏纜支撐桿；吊具需要間隔1 m設置，掛設范圍屬于軌旁區域，每個吊具即為1處隱藏的軌旁故障點，容易影響行車安全，使超長跨海大橋區域的運營維護工作難上加難。

綜上所述，在超長跨海大橋區域推薦采用立柱掛設小天線的方案。

2 超長跨海大橋無線設備布置研究

超長跨海大橋中間從信號、牽引變電和電力的角度考慮，均需要較大的空間新設設備房屋，需要額外設置四電集中平臺。通信專業將結合信號中繼站和牽引變所亭的設置方案，配套設置通信機房。機房內可根據需要設置無線基站。

下文重點研究數字直放站的布置方案。結合橋梁特點，綜合考慮可用性、可維護性、可靠性等因素，分析橋面平臺、箱梁內部及墩頂平臺3種場景下設備布置方案的優缺點。

2.1 橋面外接平臺布置方案

將通信設備均放置于橋梁外側外接平臺，平臺位置俯視如圖3所示。平臺尺寸為1 m×3 m，通信天線桿與接觸網桿間距為5 m。

圖3 通信平臺位置俯視Fig.3 Top view of communication platform position

外接平臺除放置通信設備（含公網設備）外，還需預留由通信信號電纜槽、電力電纜槽至外接平臺的預埋鋼管，用于敷設線纜。

該方案的優點是通信設備距離天線掛桿近，饋線距離短，覆蓋效果最好；通信設備置于橋面最便于安裝與維護；通信線纜及電力電纜最容易敷設，保護性最好。缺點是橋梁專業需要做特殊設計，提高了橋面系設計難度和橋梁的安全風險；橋面設備距離列車較近，屬于軌旁設備，有行車安全風險；振動大，會造成通信設備的電氣化性能劣化[8]，降低設備的性能；設備置于室外，需要考慮防風防水防腐等措施。

2.2 箱梁內布置方案

通信設備（含公網設備）體積小、重量輕，但數量多、點位多，放置于箱梁內部比梁面保護性更好。但由于橋梁側壁無法預留線纜敷設條件，饋線及電力電纜需要從橋面經過檢查孔進入箱梁內的直放站設備，線纜頻繁打彎且固定不牢。人員只能從梁端的檢查孔進出箱梁內部，該方案受制于檢查孔的數量及尺寸。梁端檢查孔的示意如圖4所示。

圖4 梁端檢查孔現場照片及示意Fig.4 On-site photo and schematic diagram of inspection hole at beam end

通信設備放置于箱梁內部，掛設箱梁內部側壁，數字直放站體積約為60 cm×30 cm×20 cm，掛設于箱梁內部側壁。為設備散熱考慮，數字直放站周圍距離結構物或其他設備20 cm以上，距離地面40 cm以上。掛設示意如圖5所示。

圖5 通信設備掛設示意Fig.5 Schematic diagram of communication equipment hanging installation

該方案的優點是通信設備沒有單獨占用橋面及墩頂的空間，橋梁不需要做特殊設計；遠離線路，無行車安全風險；設備的安裝及使用環境最好，防風防腐條件最好。缺點是受制于檢查孔的數量及尺寸；會受到振動的影響；饋線最長，覆蓋效果最差；檢查孔空間狹小，通信線路及電力電纜的敷設條件最差，設備的安裝及維修通道最不便捷；線纜多處有彎曲、固定不牢靠，且與工務及電務的維護人員共通道，線纜的保護性最差。

2.3 墩頂平臺布置方案

在線路單側的墩頂設橫橋向×縱橋向×高度=2 m×3.6 m×2.2 m通信設備平臺，通信直放站設備柜的箱體預留尺寸為縱橋向×橫橋向×高度=1.6 m×0.8 m×1.5 m。橋面與墩頂平臺間設置檢修爬梯，供檢修人員步行通過。通信線纜及電力電纜沿鋸齒孔及防護鋼槽至設備機柜處。

通信直放站設備柜按照2套機柜預留，尺寸為：1.6 m（長）×0.8 m（寬）×1.5 m（高）。平臺布置如圖6、7所示。

圖6 墩頂平臺布置示意（橫斷面）Fig.6 Layout diagram of pier top platform (cross section)

該方案的優點是饋線距離能控制在20 m范圍內，覆蓋效果適中；位于墩臺，振動對設備的影響最小；減少了軌旁設備，設備無行車安全風險；設備的安裝及維護條件適中，通信線纜及電力電纜便于敷設和維護，保護性較好。缺點是橋梁專業需要設置通信專用墩頂平臺；設備置于室外，需要考慮防風、防水、防腐、防鹽等措施。

3個方案的優缺點對比如表1所示。

表1 設備布置方案優缺點對比Tab.1 Comparison of the advantages and disadvantages of equipment layout schemes

綜上，推薦采用墩頂平臺布置方案。

3 結束語

本文通過對比矮桿天線和漏纜方案，給出適用于超長跨海大橋場景下的低天線方案。通過軟件仿真，得出不同設備間距下的仿真效果，并對設備間距提出了建議。本文給出了3種通信設備的布置方案，并分析了各自的優缺點，推薦采用墩頂平臺的布置方案。

另外，還需要對公網及5G-R的方案及對橋梁的預留條件、海洋環境下通信設備及材料的環境適應性做進一步的研究。

圖7 墩頂平臺布置示意（平面）Fig.7 Layout diagram of pier top platform (plane)