漏纜監測技術在軌道交通中的研究與應用

閆濤

（中鐵十四局集團電氣化工程有限公司）

1 引言

受設備壽命、安裝質量、環境影響，漏泄同軸電纜在運行中會出現一些故障情況，且受限于天窗作業時間等因素限制，故障位置很難查找，故障排除困難，因而造成部分區段無線信號中斷時間過長，影響地鐵運營和行車安全。本文對上海軌道交通15 號線工程漏纜監測技術在全線施工中的應用進行總結，希望為國內軌道交通領域無線通信的施工設計提供一些思路和看法。

2 工程概況

上海市軌道交通15 號線工程為上海市西部的南北向經向線路，途經寶山區、普陀區、長寧區、徐匯區、閔行區等5 個行政區，全長約42.3km，均為地下線，共設車站30 座（其中有道岔站14 座），設1 段1場，分別為元江路車輛段和陳太路停車場，全線設控制中心1座，位于蒲匯塘，主要施工內容包括通信系統所有子系統的設備安裝、調試，信號系統室內外設備安裝調試，以及與各系統的聯合調試等工作。

3 摘要漏纜監測技術的研究背景

本次上海軌道交通15 號線是上海地鐵修建的第一條全自動無人駕駛路線，全線區間隧道42.3 余公里的線路無線信號覆蓋全部采用漏泄同軸電纜為載體進行設計施工，其中LTE 綜合承載分A/B 網兩根漏纜，上下行區間實際需要建設169 余公里的漏泄電纜，在施工過程中需要制作420多處漏纜接頭，110余處設備點位成端等工作，這都是后期列車運營期間容易發生故障的關鍵點，如果不能快速準確地定位故障點所在位置，在第一時間進行搶修就會造成無線通信中斷，影響列車運營安全；因此，有必要利用漏纜監測技術對漏纜進行實時在線監測，及時發現并排查故障；漏纜在線監測技術可以實時在線監測漏纜狀態，通過數據比對和分析，及時預警漏纜性能劣化以及精確定位故障點，第一時間排除故障，為無線網絡優化、運行維護提供數據支撐，使無線通信系統能滿足列車調度指揮通信、列車控制系統等特殊要求，保障地鐵無線通信系統的安全通暢。

4 系統設備組成及原理

4.1 系統設備組成

上海軌道交通15 號線漏纜狀態實時在線監測系統組成主要有：漏纜監測單元（FTU）、現場管理單元（FSU）、漏纜監測主機信號合路器、遠程網管等構成，其結構阻抗失配點的未知和大小，如圖1。

圖1 網絡結構示意圖

漏纜監測單元（FTU）主要是發射監測信號，可同時監測上下行漏纜，接收并分析反射信號，單個漏纜監測單元有效監測距離約1.3km，可實現多段漏纜性能監測；FMU監測信號合路器負責將監測信號與LTE業務信號混合后通過1/2饋線一并送入漏纜，能夠實現低插損、無干擾（插入損耗小于0.5dB，隔離度大于85dB)[3]。

現場管理單元（FAU）主要作用是監測漏纜鏈路回波損耗和駐波值，匯總現場監測數據，通過區間光纜傳至鄰近集中站機房內的現場管理單元，然后再經傳輸通道上傳該系統網管平臺，由監控中心進行分析和判斷，每臺現場管理單元（FAU）可管理8處漏纜監測單元（FTU），最多可擴展至16處；網管系統可視化、定制化的交互式網管，可隨時查看漏纜實時狀態[2]。

4.2 系統工作原理

漏纜狀態實時監測系統采用了對駐波比（回波損耗）進行測量技術，當出現失配情況時，駐波比（回波損耗）會相對正常（小于等于1.5dB）[5]有較大的區別，根據失配情況（即通過駐波比大小）來判斷告警并上報三個等級告警（一般告警、重要告警和嚴重告警）。

漏纜狀態實時監測系統具有精確定位功能，測量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，在通常的測量中，被測件隨頻率變化的響應，稱為頻域測量。測試儀進行掃頻測量，利用時域測量的原理可以通過將頻域數據進行反傅里葉變換到時域數據，測量結果以時間作為X 軸顯示，響應值在分立的時間點出現，可以對被測件的阻抗變化點進行分析[1]，于是時域響應顯示了每個阻抗失配點的位置和大小，DTF測量的橫坐標軸為距離，二者之間的關系為：

距離=時間X光速X速率因子

用此原理可以比較準確地定位發生故障點的位置。如圖2所示。

圖2 系統結構原理

4.3 系統組網方案

上海軌道交通15號線正線共設30座地下車站，每側區間需監測LTE綜合承載A/B網的2根漏纜，為了達到最高效的監測目的，本次施工采用4 通道漏纜監測單元，并各站進行布設，漏纜監測單元通過專門的信號合路器與LTE 系統RRU 設備發射的業務信號進行合路后再傳遞的漏泄電纜中，對所有漏纜進行實時在線監測（見圖3、圖4）[4]。

圖3 監測通道監測原理圖

圖4 信號合路原理圖

5 主要科研創新與關鍵技術

5.1 收發共用單機四通道數據傳輸技術

僅在漏纜一端安裝信號源，發射電磁波遇漏纜及接頭故障時，產生反射波回到主機，由主機測量并作出故障判定，主機通過四通道和輪詢方式可同時監控四條漏纜，相比主從式發射接收系統，構造簡單、實施方便。

5.2 測試工效和精度高，故障點精確定位技術

FTU 單端發射并接收監測信號，同時監測上下行漏纜，有效監測距離1.3km（1.8G 頻段，漏纜損耗不大于4.5dB/100m），對LTE-M信號無干擾（1.8G工作頻段雜散小于-100dBm）

對漏纜、天饋線及所有連接元器件的運行參數進行在線監測并精確定位故障，故障定位精度高達±3米，通過接頭、漏纜、跳線等反射回來信號的電平和時延，根據時域和頻域專利技術計算出傳輸線路各故障點駐波比和傳輸損耗等指標，相比傳統的TDR 時域反射測量技術，測量精度高，有更好、更大的動態范圍。

5.3 發射功率小，對業務信號“零”干擾

監測信號與業務信號頻段分離，不影響正常業務信號，發射功率小，監測信號發射功率僅為-10dbm，遠優于鐵路暫行標準的要求，監測信號合路單元，插入損耗小于0.5dB，確保業務信號穩定，漏纜監測設備泄漏到漏纜工作頻段的功率小于-100dBm。

6 常見問題原因分析及解決方法

6.1 漏纜監測主機電源輸入端口和射頻輸出端口防水的問題

隧道區間內環境條件差，空氣濕度大，相對地面來說比較潮濕，漏纜監測主機電源輸入端口和射頻輸出端口內層用標準防水膠泥對每個端口進行保護，同時外層用電氣絕緣膠帶纏繞保護，設備防水問題進而有效的得到了解決。

6.2 調試過程中光路不通

從設備輸出光功率、尾纖跳線、傳輸光纜、熔纖盤上的法蘭頭幾方面綜合考慮，逐個排查原因，光路不通問題能夠得到解決。

6.3 漏纜主機監測端口與漏纜對應一致性的問題

在漏纜主機安裝之前，詳細和現場施工人員講解漏纜主機端口和A/B 網大里程，小里程漏纜的對應規則并進行系統的技術交底工作，同時在施工完成之后，對漏纜監測主機端口和漏纜對應關系進行逐一排查，確保連接的準確性。

7 結語

通信系統、信號系統工程是地鐵建設站后的主要工程，為地鐵的安全運行和運營人員提供著必要的通訊服務和保障，漏纜實時監測技術更是其中的重要組成部分，該系統在上海軌道交通15號線中得到了充分的應用，并且經過列車4 個多月的正常試運行，漏纜實時監測技術得到了很好的驗證，效果良好。系統的精確定位功能為地鐵維護保障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隧道內的工作時間，提高了故障搶修的時間，得到了申通地鐵維護人員的廣泛好評。另外，本次研究填補了漏纜實時監測技術在地鐵建設領域的空白篇章，為地鐵建設領域的漏纜監測系統設計和施工提供一些參考。