铁路通信漏缆实时监测系统的应用及实现研究

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铁路通信漏缆实时监测系统的应用及实现研究

宋　扬

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

摘　要：漏泄电缆的性能对铁路GSM-R移动通信网络的安全运行有很重要的影响。目前在铁路运营期间，受多种因素的限制，对漏泄电缆的维护非常困难。通过深入分析、研究漏缆实时监测系统，明确系统的架构及监测原理，引申出精确定位的概念。并以山西中南部铁路通道工程为依托，针对不同隧道类型提出相应的设计方案，且通过工程实践加以验证，为铁路通信工程的漏缆监测系统提供设计参考。

关键词：铁路通信；GSM-R；漏泄同轴电缆；实时监测；精确定位

1　概述

近年来铁路项目建设如火如荼，很多线路陆续开通进入运营、维护阶段。在铁路GSM-R网络日常运营维护中，漏泄同轴电缆及天馈线系统的性能对铁路GSM-R移动通信网络的安全运行有很重要的影响[1]。漏缆、天馈线等无源部件的故障占整个射频无线系统问题的50%以上，接头、跳线、天线等问题占无源部件问题的80%以上[2]。随着GSM-R移动通信系统的运行开通，由于设备质量问题或工程安装问题，部分漏缆所连接的接头、跳线、天线开始进入故障多发期。但由于维护的实际困难，例如长大隧道、窗口时间、被动式巡检方式等因素的限制，有些故障很难被及时发现，且发现后也难以快速准确的进行处理。

目前，中国铁路总公司工程设计鉴定中心、工程管理中心，各铁路设计院，各铁路局，各生产厂商均非常重视上述问题，在产品研发、铁路通信系统设计、工程建设、运行维护等各个阶段都充分考虑了漏缆的实时在线监测问题。而前期的漏缆实时在线监测系统只是解决了漏缆故障点的模糊定位问题，如：若漏缆发生故障，监测系统只显示在哪两台光纤直放站远端机间(或远端机与基站间或两台基站间)的漏缆存在问题。现在，漏缆实时在线监测系统可将漏缆故障点定位在10 m至1 m精度上，称为精确定位。

再者，以前很多论文侧重于对漏缆监测系统本身进行技术分析，偶尔涉及到具体工程也介绍的不甚充分，而且缺少对漏缆监测系统的精确定位问题的分析研究[3-9]。针对以上的研究空缺，依托山西中南部铁路通道(瓦日线)工程，对漏缆实时在线监测系统的精确定位在长大隧道、隧道群、短段隧道的应用及实现进行研究(天馈线系统的实时在线监测系统不在本文中体现)，为今后的铁路通信系统设计、工程建设、产品研发提供依据。

2　漏缆实时监测系统基本架构及原理

2.1　系统构成

漏缆实时监测系统仅需在漏缆或馈线一端安装设备，由设备输出端发射800 MHz频段的电磁波，电磁波沿电缆传播，在电缆的介质特性(表现为特性阻抗)有变化的点或区域产生反射[10]。当漏缆及接头出现故障时，漏缆监测设备主动上报告警信息，根据设计方案的不同，可以通过直放站设备提供的传输信道，也可通过专用传输通道上报至网管中心，为铁路通信信号覆盖提供更加安全的保障。

目前，漏缆监测系统在原有主从式监测系统基础上进行了软件和硬件全面升级，开发出了新一代漏缆实时、在线、精确监测系统，该系统具有漏缆故障点定位功能，即系统能够对漏缆故障点进行精确定位，主要用于漏缆末端，提高了漏缆故障处理的速度。

漏缆实时监测系统由现场管理单元(FSU)、漏缆监测主机、信号接入器、远程网管构成，如图1所示。

图1　漏缆实时监测系统构成

2.2　系统原理

漏缆实时监测系统采用对驻波比(回波损耗)进行测量的技术，当出现失配情况时，驻波比(回波损耗)会相对正常(≤1.5)有较大的区别，根据失配情况(即通过驻波比大小)来判断告警并上报3个等级告警(一般告警、重要告警和严重告警)。

漏缆实时监测系统具有DTF(Distance-To-Fault)功能，DTF测量也称为故障点定位功能，显示被测信号通路不同位置上响应信号的大小，从而为判断传输路径上的阻抗变化提供依据。漏缆实时监测系统定位的精确度与距离长度中能设定的采样点数密切相关。系统设定的最大采样点数为1 033个，在500 m范围内的故障定位精度能达到0.5 m，在1 000 m范围内故障定位精度能达到1 m，在2 000 m范围内故障点定位精度能达到2 m，考虑到实际测量中的误差，定位精度达到10～1 m就能够满足铁路漏缆故障定位的要求。

漏缆故障定位测试技术源于矢量网络测量技术中的频域反射(FDR)测量技术，将漏缆看作是被测的二端口电路网络，由漏缆故障定位模块产生一系列连续的扫频信号，如产生780～820 MHz的正弦扫频信号，对漏缆进行激励，那么漏缆就会针对这一系列的信号产生相应的响应，漏缆故障定位模块的接收机就会跟踪并且接收漏缆产生的响应信号，进行处理。首先，接收机接收到频域范围的回波损耗数据，然后通过傅里叶反变换，计算出时域的回波损耗数据，再乘以信号在漏缆中的传播速度，进而得出距离域的回波损耗数据。应用此原理可以比较准确地定位发生故障的位置。

3　漏缆实时监测系统的工程应用

3.1　工程概况

山西中南部铁路通道(瓦日线)工程线路位于晋中南、豫北和鲁中南地区，为横穿晋豫鲁三省的一条东西向干线铁路。本段线路起自临汾市洪洞北站出站端，途经山西省临汾市、长治市，河南省安阳市、鹤壁市、濮阳市，山东省济宁市、泰安市、莱芜市、淄博市、临沂市、日照市，止于设计终点日照南出站端DK1279+700，线路先后翻越太岳山、太行山、沂蒙山等山脉，跨越沁河、卫河、黄河、沂河等河流，正线线路长度923.995 km(全长1 267.904 km)。正线共有隧道90座，隧道总长度218.3 km，隧道比为23.6%。

3.2　工程应用

根据山西中南部铁路通道(瓦日线)隧道(群)特点、漏缆覆盖方式以及传输设备类型，漏缆实时监测系统采用有线方式组网，隧道漏缆监控中心(网管中心)设在各铁路局，并与直放站网管共用网管终端。漏缆监测主机设置在直放站远端机或基站处，通过信号接入器接入漏缆的跳线端，漏缆监测主机将监测到的数据通过光纤传至现场管理单元(FSU)，FSU设置在基站机房处，FSU利用FE端口与区间基站处的SDH 622 Mb/s传输设备相连，通过传输网络将漏缆监测数据传至监控中心。系统结构如图2所示。

图2　漏缆实时监测系统

3.2.1　短隧道漏缆实时监测解决方案

漏缆监测主机分为：漏缆监测主机Ⅰ型(单端口)和漏缆监测主机Ⅱ型(双端口)。

漏缆监测主机I 型(单端口)：仅能监测一段漏缆(漏缆长度≤2 km)；

漏缆监测主机II型(双端口)：能监测两段漏缆(每段漏缆长度≤2 km)。

漏缆监测主机通过信号接入器对漏缆状态进行实时监测，通过光纤与现场管理单元FSU连接；现场管理单元FSU采用FE端口接入区间基站的传输设备，将漏缆监测数据传送至网管中心。

(1)隧道内设置直放站远端机

列车时速小于250 km的铁路，在其隧道内设置光纤直放站远端机的间距一般为1.5 km(切换区为1 km)[11-15]。所以，若隧道长度较长(大于2 km)，需要在隧道内设置光纤直放站远端机，远端机通过馈线连接上下行漏缆完成对隧道内的无线信号覆盖。

漏缆实时监测系统利用隧道内的直放站远端机设备洞室以及近端机与远端机间敷设的短段光缆，在设备洞室内设置漏缆监测主机，在附近基站机房设置FSU，利用短段光缆中的一根光纤连接FSU与漏缆监测主机。采用漏缆监测主机Ⅱ型设备通过信号接入器将监测信号接入漏缆中进行实时监测，采用轮询方式分别检测左右两边漏缆的DFT回波损耗。现场管理单元FSU通过独立光纤监控漏缆监测主机，并通过FE接口与网管中心交互数据。具体工程应用示意见图3。

图3　短隧道两段漏缆监测系统示意

(2)短隧道内无直放站远端机

在实际工程中，有的隧道较短(<1.5>

漏缆实时监测系统利用隧道口的直放站机房或基站机房，在机房内设置漏缆监测主机。若隧道口为直放站机房，则在附近基站机房设置FSU，利用短段光缆中的一根光纤连接FSU与漏缆监测主机；若隧道口为基站机房，则在此及机房设置FSU，利用机房内光纤接FSU与漏缆监测主机。采用漏缆监测主机Ⅰ型设备通过信号接入器将监测信号接入漏缆中进行实时监测。具体工程应用示意见图4。

图4　短隧道一段漏缆监测系统示意

3.2.2　长大隧道漏缆实时监测解决方案

瓦日线存在很多长大隧道，一般情况下在隧道口设置基站机房，在隧道内设置多个直放站洞室。漏缆实时监测系统在隧道口基站机房设置FSU，在若干直放站洞室设置漏缆监测主机(有的洞室可不设主机)，利用短段光缆中的一根光纤连接FSU与漏缆监测主机。采用漏缆监测主机Ⅰ型和漏缆监测主机Ⅱ型混合使用，现场管理单元FSU通过独立光纤监控多台漏缆监测主机。具体工程应用示意见图5。

图5　长隧道多段漏缆监测系统示意

由图5可见，有的直放站洞室处可不用设置漏缆监测主机，如第三台远端机，其所连接的两段漏缆由相邻的两台远端机处的漏缆监测主机进行监测。

3.2.3　其他情况的解决方案

如果隧道内只有两处直放站远端机，可以通过信号接入器的互联进行延长漏缆的监测距离，这样就把两条漏缆合并成一条漏缆来进行监测。

远端机处左右两段漏缆总长度<2 km，采用两只信号接入器使两段漏缆的漏缆监测频段(780～820="">

图6　非贯通漏缆监测系统示意

4　结语

山西中南部铁路通道工程(瓦日线)已于2014年底顺利开通运营，漏缆实时监测系统在工程中得到了充分应用，并且经过1年多的正常运行，漏缆实时监测系统针对不同隧道类型的解决方案得到了很好的验证，效果良好。系统的精确定位功能为铁路运营维护人员快速确定维修方案、节约故障处理时间提供了有力支持，大大减少了维护人员在煤尘密布的隧道内的工作时间，得到了铁路局维护人员的广泛好评。另外，本次研究填补了漏缆监测基于具体工程实践以及针对精确定位功能进行分析的研究空白，为铁路项目通信工程的漏缆监测系统设计提供了参考。

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收稿日期：2016-01-07； 修回日期：2016-02-06

基金项目：中铁工程设计咨询集团有限公司科研开发课题(研2015-20)

作者简介：宋　扬(1983—)，男，工程师，2006年毕业于北京工业大学电子信息工程专业，工程硕士，E-mail:[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)07-0150-04

中图分类号：U285

文献标识码：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