郑州黄河公铁两用桥GSM-R系统场强覆盖方案研究

罗 杰

(铁道第三勘察设计院电化电信处,天津 300251)

1 概述

郑州黄河公铁两用大桥为石武铁路客运专线及中原黄河公路大桥跨越黄河的共用桥梁,铁路桥长约14 km,其中公铁合建段长约12km。黄河大堤范围内(约10km)无法建设GSM-R基站房屋,因而如何满足350km/h高速铁路的场强覆盖要求成为通信网规划必须解决的问题。

2 GSM-R移动通信系统的场强覆盖方案

石武铁路客运专线时速为350km,要求预留无线列控的条件。基于较高的安全性要求,GSM-R系统考虑以下几种覆盖方式:交织单网覆盖;交织双网覆盖;同站址双网覆盖。方案比较如下。

方案一:交织单网覆盖。该方式是指铁路沿线由一层无线网络进行覆盖,但在系统设计时加密基站,使得两相邻基站的场强相互覆盖到对方站址。这样可保证在非连续基站故障的情况下,GSM-R网络仍能正常工作,可靠性较高,而且电平较高,抗干扰能力较强。但是频率规划难度较大,切换次数增加。

方案二:交织双网覆盖。该方式类似于交织单网,但是两层无线设备受控于不同的基站控制器。交织双网成本较高且安装复杂,但是受自然灾害影响小。

方案三:同站址双网覆盖。该方式类似于普通单网,同一站址设置2套独立基站,分别接入不同的基站控制器,可靠性较高,但覆盖电平较小,抗干扰能力较差。

目前国内已经开通及正在实施的京津城际铁路等高速铁路均采用方案一场强覆盖方案,运行情况良好,基于技术经济综合分析,石武客运专线(含黄河大桥段)采用此方案进行场强覆盖。

3 GSM-R移动通信系统弱场补强方案分析

DK644+800至DK655+200铁路为黄河大桥大堤内范围,此范围内无线场强覆盖主要有以下几个方案。

方案一:基站+光纤直放站+漏缆

该方案基站间距为2.5km左右。通过光纤直放站延长基站的覆盖半径。无线电波通过漏缆辐射出去,覆盖区域信号均匀。此方案需在桥上布设室外型基站及配套传输电源等设备。如图1所示。

方案二:光纤直放站+漏缆

该方案在大桥两端分别设置基站,通过光纤直放站实现桥上交织覆盖,光纤直放远端站约800m设1处。无线电波通过漏缆辐射出去。此方案需在大桥两端设置多个基站及光纤直放近端站,组网较复杂,与方案一投资相当。如图2所示。

图1 基站+漏缆+直放站方案示意(单位:km)

图2 漏缆+直放站方案示意(单位:km)

方案三:基站+天线

该方案基站间距2.5km左右。无线电波通过天线辐射出去。此方案投资较低,但是覆盖区域信号不均匀。此方案也需在桥上布设室外型基站及配套传输电源等设备。桥上不挂设漏缆,但需挂设天线。此方案投资较低,比方案一、二投资约低500万元左右。如图3所示。

图3 基站+天线方案示意(单位:km)

以上几种方案均能够满足GSM-R场强交织覆盖的需求,进行技术经济比较,简述如下。

方案三经济性较强,但是此铁路桥上层建设公路桥,影响到天线的悬挂及场强覆盖效果。

方案一的场强计算效果较好,但是室外型基站(包括传输设备、电源设备等配套设备)须放置于桥上,增加了施工及维修难度。

综合考虑工程的可行性、稳定性,可采用方案二即光纤直放站加漏缆的方式解决桥上场强覆盖。

4 工程中需考虑的桥梁工程配合条件

由于桥梁工程工期先于GSM-R设备实施,所以预埋件及光电缆过轨的条件必须在桥梁工程实施时充分考虑。若采用光纤直放站加漏缆方案,需要跟随桥梁主体工程解决直放站的摆放位置及漏缆的悬挂等问题。

4.1 大桥上直放站等设备的位置

光纤直放站加漏缆的方式,不再需要考虑室外型基站的布设,但是仍需考虑直放站及配套供电设备的摆放位置,由于大桥上每40m一处桥墩,经过承重力及设备占地面积核算,在桥墩处摆放直放站设备不增加额外工程且能够满足相对独立的设备摆放位置要求。

4.2 大桥上漏泄电缆的悬挂方法

为满足桥上无线电波的方向性需求,大堤范围内需要在桥上架设漏泄同轴电缆,漏缆的悬挂位置有以下几种方案。

方案一:漏缆悬挂在公铁合建铁路桥的上方

因公铁合建段接触网杆采取倒立柱方式,每个桥墩处均有接触网导线,若漏缆固定在铁路桥的上方,会造成互相干扰。

方案二:漏缆悬挂在公铁合建铁路桥的两侧

在桥上设置电杆用于悬挂漏缆,能够保证桥上悬挂位置及4.5m左右的悬挂高度。需要桥梁预留电杆的基础,考虑到桥墩间距为40m,基础预留应尽可能与其一致。以下对40m电杆间隔是否满足漏缆垂度进行核算。

漏缆单位质量:1.5kg/m;

电杆间距:40m;

钢线最大张力:20kN;

图4 通信电杆基础示意

垂度=1.5×402/(8×2000)=0.15m;

故间距40m电杆符合漏缆垂度低于0.2m的要求。

综合考虑工程需求及专业配合难易程度,可采取在桥墩处预留电杆基础方案,用以悬挂漏泄同轴电缆。预留电杆基础如图4所示。

5 工程实施中有待进一步解决的问题

武汉天兴洲大桥也为公铁两用桥工程,GSM-R系统采用的弱场补强方案为光纤直放站方式,目前尚未开通,待其开通后可作为参考。但天兴洲大桥桥长为4.6km,而石武客运专线黄河公铁两用特大桥大堤范围长达10km以上,如此长距离范围内无基站方案的场强覆盖国内外尚无工程经验,目前桥梁主体工程已基本完工,通信工程将与石武客运专线统筹实施,预计2011年全线开通,在此期间,应跟踪国内外类似工程的开通经验,对拟采用的具体实施方案、高速运行列车对桥两侧悬挂漏缆的稳定性影响以及光纤直放站的设置间距等问题进一步优化研究。

[1] 韩斌杰,杜新颜,张建斌.GSM原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] TB10621—2009,高速铁路设计规范(试行)[S].

[3] 铁道部工程设计鉴定中心,北京全路通信信号研究设计院.中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[S].

[4] YD/T5115—2005,移动通信直放站工程设计规范[S].

[5] 中铁大桥院勘察设计院有限公司,铁道第三勘察设计院集团有限公司.通信漏缆支柱基础构造及钢筋图[Z].武汉:2008.