漏纜監(jiān)測技術(shù)在軌道交通中的研究與應(yīng)用

閆濤

（中鐵十四局集團(tuán)電氣化工程有限公司）

1 引言

受設(shè)備壽命、安裝質(zhì)量、環(huán)境影響，漏泄同軸電纜在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)一些故障情況，且受限于天窗作業(yè)時(shí)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(qū)段無線信號(hào)中斷時(shí)間過長，影響地鐵運(yùn)營和行車安全。本文對(duì)上海軌道交通15 號(hào)線工程漏纜監(jiān)測技術(shù)在全線施工中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，希望為國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域無線通信的施工設(shè)計(jì)提供一些思路和看法。

2 工程概況

上海市軌道交通15 號(hào)線工程為上海市西部的南北向經(jīng)向線路，途經(jīng)寶山區(qū)、普陀區(qū)、長寧區(qū)、徐匯區(qū)、閔行區(qū)等5 個(gè)行政區(qū)，全長約42.3km，均為地下線，共設(shè)車站30 座（其中有道岔站14 座），設(shè)1 段1場，分別為元江路車輛段和陳太路停車場，全線設(shè)控制中心1座，位于蒲匯塘，主要施工內(nèi)容包括通信系統(tǒng)所有子系統(tǒng)的設(shè)備安裝、調(diào)試，信號(hào)系統(tǒng)室內(nèi)外設(shè)備安裝調(diào)試，以及與各系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試等工作。

3 摘要漏纜監(jiān)測技術(shù)的研究背景

本次上海軌道交通15 號(hào)線是上海地鐵修建的第一條全自動(dòng)無人駕駛路線，全線區(qū)間隧道42.3 余公里的線路無線信號(hào)覆蓋全部采用漏泄同軸電纜為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，其中LTE 綜合承載分A/B 網(wǎng)兩根漏纜，上下行區(qū)間實(shí)際需要建設(shè)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(shè)備點(diǎn)位成端等工作，這都是后期列車運(yùn)營期間容易發(fā)生故障的關(guān)鍵點(diǎn)，如果不能快速準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)所在位置，在第一時(shí)間進(jìn)行搶修就會(huì)造成無線通信中斷，影響列車運(yùn)營安全；因此，有必要利用漏纜監(jiān)測技術(shù)對(duì)漏纜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排查故障；漏纜在線監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測漏纜狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)比對(duì)和分析，及時(shí)預(yù)警漏纜性能劣化以及精確定位故障點(diǎn)，第一時(shí)間排除故障，為無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，使無線通信系統(tǒng)能滿足列車調(diào)度指揮通信、列車控制系統(tǒng)等特殊要求，保障地鐵無線通信系統(tǒng)的安全通暢。

4 系統(tǒng)設(shè)備組成及原理

4.1 系統(tǒng)設(shè)備組成

上海軌道交通15 號(hào)線漏纜狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)組成主要有：漏纜監(jiān)測單元（FTU）、現(xiàn)場管理單元（FSU）、漏纜監(jiān)測主機(jī)信號(hào)合路器、遠(yuǎn)程網(wǎng)管等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)阻抗失配點(diǎn)的未知和大小，如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

漏纜監(jiān)測單元（FTU）主要是發(fā)射監(jiān)測信號(hào)，可同時(shí)監(jiān)測上下行漏纜，接收并分析反射信號(hào)，單個(gè)漏纜監(jiān)測單元有效監(jiān)測距離約1.3km，可實(shí)現(xiàn)多段漏纜性能監(jiān)測；FMU監(jiān)測信號(hào)合路器負(fù)責(zé)將監(jiān)測信號(hào)與LTE業(yè)務(wù)信號(hào)混合后通過1/2饋線一并送入漏纜，能夠?qū)崿F(xiàn)低插損、無干擾（插入損耗小于0.5dB，隔離度大于85dB)[3]。

現(xiàn)場管理單元（FAU）主要作用是監(jiān)測漏纜鏈路回波損耗和駐波值，匯總現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過區(qū)間光纜傳至鄰近集中站機(jī)房內(nèi)的現(xiàn)場管理單元，然后再經(jīng)傳輸通道上傳該系統(tǒng)網(wǎng)管平臺(tái)，由監(jiān)控中心進(jìn)行分析和判斷，每臺(tái)現(xiàn)場管理單元（FAU）可管理8處漏纜監(jiān)測單元（FTU），最多可擴(kuò)展至16處；網(wǎng)管系統(tǒng)可視化、定制化的交互式網(wǎng)管，可隨時(shí)查看漏纜實(shí)時(shí)狀態(tài)[2]。

4.2 系統(tǒng)工作原理

漏纜狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)采用了對(duì)駐波比（回波損耗）進(jìn)行測量技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)失配情況時(shí)，駐波比（回波損耗）會(huì)相對(duì)正常（小于等于1.5dB）[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(bào)三個(gè)等級(jí)告警（一般告警、重要告警和嚴(yán)重告警）。

漏纜狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)具有精確定位功能，測量被測信號(hào)通路不同位置上響應(yīng)信號(hào)的大小，從而為判斷傳輸路徑上的阻抗變化提供依據(jù)，在通常的測量中，被測件隨頻率變化的響應(yīng)，稱為頻域測量。測試儀進(jìn)行掃頻測量，利用時(shí)域測量的原理可以通過將頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行反傅里葉變換到時(shí)域數(shù)據(jù)，測量結(jié)果以時(shí)間作為X 軸顯示，響應(yīng)值在分立的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)，可以對(duì)被測件的阻抗變化點(diǎn)進(jìn)行分析[1]，于是時(shí)域響應(yīng)顯示了每個(gè)阻抗失配點(diǎn)的位置和大小，DTF測量的橫坐標(biāo)軸為距離，二者之間的關(guān)系為：

距離=時(shí)間X光速X速率因子

用此原理可以比較準(zhǔn)確地定位發(fā)生故障點(diǎn)的位置。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

4.3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

上海軌道交通15號(hào)線正線共設(shè)30座地下車站，每側(cè)區(qū)間需監(jiān)測LTE綜合承載A/B網(wǎng)的2根漏纜，為了達(dá)到最高效的監(jiān)測目的，本次施工采用4 通道漏纜監(jiān)測單元，并各站進(jìn)行布設(shè)，漏纜監(jiān)測單元通過專門的信號(hào)合路器與LTE 系統(tǒng)RRU 設(shè)備發(fā)射的業(yè)務(wù)信號(hào)進(jìn)行合路后再傳遞的漏泄電纜中，對(duì)所有漏纜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測（見圖3、圖4）[4]。

圖3 監(jiān)測通道監(jiān)測原理圖

圖4 信號(hào)合路原理圖

5 主要科研創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)

5.1 收發(fā)共用單機(jī)四通道數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

僅在漏纜一端安裝信號(hào)源，發(fā)射電磁波遇漏纜及接頭故障時(shí)，產(chǎn)生反射波回到主機(jī)，由主機(jī)測量并作出故障判定，主機(jī)通過四通道和輪詢方式可同時(shí)監(jiān)控四條漏纜，相比主從式發(fā)射接收系統(tǒng)，構(gòu)造簡單、實(shí)施方便。

5.2 測試工效和精度高，故障點(diǎn)精確定位技術(shù)

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

對(duì)漏纜、天饋線及所有連接元器件的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測并精確定位故障，故障定位精度高達(dá)±3米，通過接頭、漏纜、跳線等反射回來信號(hào)的電平和時(shí)延，根據(jù)時(shí)域和頻域?qū)＠夹g(shù)計(jì)算出傳輸線路各故障點(diǎn)駐波比和傳輸損耗等指標(biāo)，相比傳統(tǒng)的TDR 時(shí)域反射測量技術(shù)，測量精度高，有更好、更大的動(dòng)態(tài)范圍。

5.3 發(fā)射功率小，對(duì)業(yè)務(wù)信號(hào)“零”干擾

監(jiān)測信號(hào)與業(yè)務(wù)信號(hào)頻段分離，不影響正常業(yè)務(wù)信號(hào)，發(fā)射功率小，監(jiān)測信號(hào)發(fā)射功率僅為-10dbm，遠(yuǎn)優(yōu)于鐵路暫行標(biāo)準(zhǔn)的要求，監(jiān)測信號(hào)合路單元，插入損耗小于0.5dB，確保業(yè)務(wù)信號(hào)穩(wěn)定，漏纜監(jiān)測設(shè)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(jiān)測主機(jī)電源輸入端口和射頻輸出端口防水的問題

隧道區(qū)間內(nèi)環(huán)境條件差，空氣濕度大，相對(duì)地面來說比較潮濕，漏纜監(jiān)測主機(jī)電源輸入端口和射頻輸出端口內(nèi)層用標(biāo)準(zhǔn)防水膠泥對(duì)每個(gè)端口進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)外層用電氣絕緣膠帶纏繞保護(hù)，設(shè)備防水問題進(jìn)而有效的得到了解決。

6.2 調(diào)試過程中光路不通

從設(shè)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(gè)排查原因，光路不通問題能夠得到解決。

6.3 漏纜主機(jī)監(jiān)測端口與漏纜對(duì)應(yīng)一致性的問題

在漏纜主機(jī)安裝之前，詳細(xì)和現(xiàn)場施工人員講解漏纜主機(jī)端口和A/B 網(wǎng)大里程，小里程漏纜的對(duì)應(yīng)規(guī)則并進(jìn)行系統(tǒng)的技術(shù)交底工作，同時(shí)在施工完成之后，對(duì)漏纜監(jiān)測主機(jī)端口和漏纜對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行逐一排查，確保連接的準(zhǔn)確性。

7 結(jié)語

通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)工程是地鐵建設(shè)站后的主要工程，為地鐵的安全運(yùn)行和運(yùn)營人員提供著必要的通訊服務(wù)和保障，漏纜實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)更是其中的重要組成部分，該系統(tǒng)在上海軌道交通15號(hào)線中得到了充分的應(yīng)用，并且經(jīng)過列車4 個(gè)多月的正常試運(yùn)行，漏纜實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)得到了很好的驗(yàn)證，效果良好。系統(tǒng)的精確定位功能為地鐵維護(hù)保障人員快速確定維修方案、節(jié)約故障處理時(shí)間提供了有力支持，大大減少了維護(hù)人員在隧道內(nèi)的工作時(shí)間，提高了故障搶修的時(shí)間，得到了申通地鐵維護(hù)人員的廣泛好評(píng)。另外，本次研究填補(bǔ)了漏纜實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)在地鐵建設(shè)領(lǐng)域的空白篇章，為地鐵建設(shè)領(lǐng)域的漏纜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工提供一些參考。