西部山区铁路GSM-R系统组网及配套工程设计方案优化

陈水庆，沈建辉

（东南沿海铁路福建有限责任公司 工程管理部，福建 福州 350013）

1 西部地区自然环境及对铁路的影响

加快西部铁路建设是国家“十四五”规划和西部大开发重大战略的先导和基础，在我国中长期铁路规划中，西部进藏铁路就有5条，分别为青藏（已开通）、川藏、滇藏、新藏及西宁经玉树至西藏昌都铁路［1］。我国西部地区地理特征为高原、盆地、山川、河谷，在西部山区修建铁路面临高寒高冻、高海拔、自然灾害频发的不良地质条件和恶劣气候环境的挑战。20世纪以来，我国西部地区共发生7级以上地震68次（其中7.5级以上24次，8级以上9次），小等级以下地震更是频繁发生［2］。同时我国西部地区也是面积最大、范围最广的冻土区，占全国冻土面积的70%以上，部分地区还分布有季节性冻土，土质随季节变化而变化。

上述情况对铁路的主要影响如下：一是西部地区频发的地质灾害特别是地震对铁路建设和运输安全的危害最大，近年来发生的几次地震对西部铁路破坏性较大，造成多条铁路长时间中断运营；二是西部地区冻土，特别是季节性冻土会造成铁路工程建设难度和建设投资增大，必须对工程设计标准、施工工法、安全防护等提出更高要求，才能确保铁路线路和沿线设施安全可靠；三是西部地区高寒高冻气候环境且多数地区属于无人区，对铁路沿线的通信设备安全运行和维护管理带来影响。

2 GSM-R系统设计方案概述

2.1 系统介绍

我国铁路于2000年底正式确定将GSM-R系统作为铁路专用无线通信系统，系统引进和运用经历了研究与探索、技术决策、技术试验、标准制定、网络建设与运营5个阶段，目前我国铁路GSM-R系统已开通运用里程达4万km［3］。GSM-R系统包括核心网、基站子系统、业务与运营支撑子系统等，系统为铁路运输指挥提供语音通信、调度通信、列车控制数据传输、调度命令和无线车次号校核信息传送等业务［4］。

各新建铁路设置的基站子系统〔基站控制器（BSC）+无线基站收发台（BTS）〕接入所在铁路局集团公司移动交换局（MSC），新建GSM-R基站子系统的组网设计按铁路运营速度和列控等级划分为2种方案：（1）线路列控系统为CTCS-2级及以下等级的GSM-R基站子系统采用单网无线覆盖方案；（2）线路列控系统为CTCS-3级及以上等级的GSM-R基站子系统采用单网交织覆盖方案或双网重叠覆盖方案［5］。

2.2 系统沿线基站、直放站设计方案

在新建铁路GSM-R系统无线覆盖规划设计中，设计单位要根据线路所经过地形特征和列控等级设计布局基站、直放站站址。在地形较平坦的平原或丘陵线路，沿线每隔3~5 km要设置区间基站。对于山区铁路，由于线路多数是由桥隧组成，区间基站、直放站的站址布点密度较平原丘陵区域会更大。为确保隧道内无线信号可靠覆盖和切换，在隧道口均需设置基站或直放站站址。其中隧道内的GSM-R无线信号覆盖，通过就近基站采用近端机加远端机加漏缆方式将无线信号延伸至隧道内进行覆盖。各基站通过通信传输网提供2M通道，按3~5个基站组成2M保护环接入BSC，各直放站远端机按照无线小区切换规定数量通过光纤接入至近端机后接入就近基站。列控系统为CTCS-2级及以下等级线路的GSM-R基站子系统按单网2M保护环组网；列控系统为CTCS-3级及以上等级线路的GSM-R基站子系统按单数环和双数环2个独立基站保护环组网［5］。单网覆盖和单网交织覆盖组网架构见图1和图2。

图1 单网覆盖组网构架

图2 单网交织覆盖组网构架

2.3 山区铁路GSM-R常规设计方案

山区铁路GSM-R系统常规设计方案在全线各隧道口必然有基站或直放站站址设置，并配套铁塔、房屋、电源接入相应配套系统布局设计。布局在隧道口的基站或直放站作用是：一是利用天线对隧道口外线路进行无线信号覆盖，二是利用设置在隧道口的直放站接隧道内的无线漏缆，通过漏缆对隧道内进行无线信号延伸覆盖。

3 优化设计方案

按照常规山区铁路GSM-R系统设计方案，线路沿线基站、直放站站址多数设计在隧道口附近区域。由于西部山区存在频发地质灾害（主要是地震）和季节性冻土的影响，对隧道口基站与直放站站址房屋、铁塔等设施会构成不可预测的安全危害。通过以下优化设计方案可进一步减少区间基站、直放站站址设置数量并保障通信设备设施更加安全可靠，同时还可减少建设投资和铁路运维部门的维护工程量和维护成本。

（1）优化方案1：在全线两隧道口空间距离较短的区域（不大于1 500 m），常规设计方案采用基站或直放站加铁塔附挂天线的无线覆盖方案，在此优化为采用隧道漏缆延伸覆盖方案，取消设置在隧道口的基站或直放站站址房屋、铁塔等配套建筑设施。根据1个直放站输出无线信号功率所能承载漏缆长度衰耗要满足无线信号发射指标要求，从而确定两隧道口距离不大于1 500 m。该优化方案不仅可大量减少站址场坪、道路的征地（房屋场坪用地约2 000~3 500 m2，不含通站道路）及对自然环境和地貌的破坏，同时还大大减少了房建、铁塔、电力、场坪接地网等配套工程建造费、维护工作量及成本。

（2）优化方案2：在全线两隧道口空间距离较长的区域（大于1 500 m），常规设计在隧道口附近区域修建基站或直放站站址房屋方案，在此优化为取消隧道口站址设备房屋建设，将基站或直放站设备设置在隧道内（距隧道口30 m左右），开设独立设备洞室安装基站或直放站设备，并对该设备洞室进行优化设计，只将天线杆塔设置在隧道口明洞侧与线路标高一致位置，由于与线路标高一致，可有效降低GSM-R通信杆塔高度。该优化方案可减少房屋建筑、场坪征地和施工、大型铁塔和基础、场坪接地网等工程的建造费用，更重要的是，设备安装在隧道内独立设备洞室不仅可以保持恒温，还可有效避开因地质灾害、高寒高冻气候环境对房屋及通信设备设施带来的危害。

（3）优化方案3：对于在平原区域需独立设置的基站站址房屋，取消常规设计在房屋两侧的2个电缆井（长120 cm×宽100 cm×深80 cm）［6］，改为在基站房屋一侧增加1间电缆间（长150 cm×宽350 cm，高度与基站设备间一致），即在常规设计的基站房屋设计中加长再隔出1间电缆间，电缆间在基站房屋施工设计中同步设计、同步施工。采用电缆间可有效解决电缆井积水冰冻对井内光电缆绝缘节接头冻害，可提高光电缆运用安全，还可缩小场坪用地面积。

在此重点论述优化方案1和方案2的具体优化设计。

3.1 优化方案1

西部山区铁路基本由桥隧、隧路相连组成，两隧道口之间距离空间有长有短，当2个隧道口之间距离不大于1 500 m时，建议采用隧道内漏缆延伸覆盖至对面隧道口方案，而不采用铁塔加天线的方式覆盖（见图3）。采用漏缆延伸覆盖，需在桥梁或路基段设置漏缆辅助杆才能满足漏缆吊挂要求，根据铁路电气化接触网杆运用类型和铁路技术管理规程要求，在桥梁和路基上设置漏缆辅助杆的方式也有所不同。

图3 西部山区铁路GSM-R系统无线覆盖优化方案1

3.1.1 桥梁上吊挂通信漏缆辅助杆设置方案

在桥梁上吊挂通信漏缆，需结合桥梁、电力、通信3个专业设计规范要求综合考虑，设计阶段各专业之间要相互对接，避免实施后出现相互干扰和基础位置错误等问题。同时通信漏缆辅助杆的设置和利用接触网支柱附挂漏缆应满足铁路相关安全技术规范要求，根据桥梁上电气化专业接触网支柱设置和运用方式不同，主要有2种吊挂方式：

（1）方式1：桥梁上接触网支柱未安装隔离开关或下锚的吊挂区段（见图4）。根据《关于明确接触网支柱附挂非供电线路设施有关问题的通知》（铁总运〔2015〕152号）和《铁路技术管理规程》规定，没有安装隔离开关的接触网支柱同意附挂通信缆线设施，但需要报批［7］。因此通信专业可利用接触网支柱附挂通信漏缆，但由于接触网支柱的间距是50 m，而漏缆支撑杆间距规范要求是小于30 m，因此要在两接触网支柱之间增加1根辅助支撑杆才可确保漏缆吊挂安全，为避免漏缆与接触网回流安全保护线相碰，接触网支柱和漏缆辅助杆上需设置1个外侧横向固定支撑卡箍（大于0.6 m）支撑吊挂漏缆。为便于基础设计和实施统一标准，漏缆辅助杆应采用与接触网支柱同型号的支柱（高度为5 m）。

图4 桥梁上漏缆吊挂方案1

（2）方式2：桥梁上接触网支柱安装隔离开关或下锚的吊挂区段（见图5）。根据铁总运〔2015〕152号文规定，安装隔离开关和下锚的接触网支柱禁止附挂通信、有线电视等非供电线路［7］。通信漏缆无法利用接触网支柱附挂，必须在桥梁上单独设立支撑杆。按照通信漏缆吊挂安全距离规范不大于30 m的标准，需在2个隧道口之间的桥梁上按30 m间距连续设置漏缆支撑杆（需注意不得与接触网支柱位置冲突）。根据GSM-R系统设计规范，每根漏缆支撑杆在距轨面4.5~4.8 m高度设横向外侧支撑卡箍（大于0.6 m），确保吊挂的通信漏缆与接触网支柱及保护线距离满足电力规范要求。

图5 桥梁上漏缆吊挂方案2

3.1.2 路基上吊挂通信漏缆辅助杆设置方案

路基段由于无线漏缆支撑杆基础设置在地面上，杆基础设置的地形位置较充足且基础施工制作也较容易，为减少对供电专业设施影响，无需利用接触网杆附挂漏缆，支撑杆按间隔30 m设置，支撑杆基础设置可在接触网杆基础的水平线位置全部统一向外侧移位大于0.6 m，确保支撑杆与接触网回流线的安全距离（见图6）。

图6 路基段漏缆吊挂方案

3.2 优化方案2

全线两隧道口空间距离较长的区域（大于1 500 m），优化方案将原设置在隧道口的基站或直放站设备安装至隧道内的独立设备洞室，不仅可减少房屋、接地网、场坪征地和施工、通站道路等配套工程建造费，还可确保通信设备更加安全。

（1）设备洞室设计优化。在距离隧道口30 m左右的隧道内新开1个通信设备洞室，与常规设备洞室在设计布局上有所改变（常规设计的隧道内设备洞室是面向线路敞开式设备洞室，洞室门防护门必须具备防爆、抗压、防火性能［8］）。优化后的通信设备洞室“藏”在隧道二衬壁内，设备洞室门不是面对铁路线路侧，而是采用引入横洞（横洞较小，满足设备搬运即可），从外侧引入横洞进入后直角拐弯再进入设备洞室，在引入洞室内口设置阻隔门槛，防止异物侵入线路。由于设备洞室的防护门不是面向线路侧，无需配置昂贵的高等级防护门，也避免了防护门脱落侵入线路的安全问题。由于设备洞室是“藏”在隧道内壁的横洞室，安装空调是安全可靠的（采用室内外机一体机空调）。隧道设备洞室布局优化方案见图7。

图7 隧道设备洞室布局优化方案

（2）隧道口天线杆塔配置设计优化。采用优化方案后，基站或直放站设备已移到隧道内设备洞室，隧道口外只需在明洞侧设置单杆塔附挂GSM-R天线，天线通过射频电缆引入洞室内的基站或直放站连接即可。由于高速铁路线路弯曲半径较大，线路基本是平直的，两隧道口之间空间基本是开阔区域，只要在隧道口明洞边设置9~12 m单杆塔附挂天线就可以满足无线信号覆盖（隧道口标高与线路标高基本一致）。由于单杆塔基础不大，隧道明洞边位置足够满足天线杆塔基础设置条件。采用该布局方案不仅减少了高大铁塔及基础的建造费用，还减少了使用高大铁塔的安全风险。

3.3 优化方案的创新性

以上针对西部山区铁路GSM-R系统组网及配套工程优化设计，是在确保铁路无线通信运用标准和安全不降低，并可减少铁路建设投资和维护工作量，同时也能减少对地质地貌破坏的一种创新优化。其中取消隧道口基站、直放站站址房屋设置，在隧道内开辟独立设备洞室（优化的设备洞室）安装设备是目前在建和已开通运营铁路没有先例的；当两隧道口距离较短，采用漏缆直接延伸吊挂覆盖无线信号方案虽然目前有部分线路采用，但都是在2个隧道口距离不超过200 m的区域采用漏缆吊挂延伸覆盖，并未在1 500 m距离范围内多隧道群普遍采用。同时隧道内优化的通信设备洞室较常规设备洞室防护门设置更简单更安全。

4 优化方案与常规方案对比

4.1 建造费用

（1）优化方案1。该方案不仅可减少大量的通信站址场坪征地与施工、房屋建筑、高铁塔及电力引入与接地网的建造费用，而且还可减少对自然环境和地质地貌的破坏。特别是西部山区铁路隧道口的地形陡峭不平，加上不良的地质条件，房屋场坪、铁塔基础的施工难度和建造费用较大。根据高铁设计概算分析，1个基站站址房屋（含围墙、场坪硬化、电缆井等配套）建造费用约30万元，铁塔及基础的建造费约25万元（中等塔），电力引入及场坪接地网约15万元。场坪征地面积2 000~3 500 m2，场坪征地及施工费约30万元（地形复杂的费用更高），在隧道口建造1个基站总费用约100万元（不含设备费），如果是直放站（设备和用地面积适当减少）建造费用会有所减少。采用漏缆延伸覆盖优化方案，工程建造只有漏缆、漏缆支撑杆及基础建造费，漏缆（含吊具）约10万元/km，支撑杆（含基础）约1.2万元/座，两隧道口间距按1 000 m测算（有的只有几百米），需增加漏缆辅助支撑杆10座，漏缆延伸按1 000 m计算，建造费用合计约22万元，比独立建造1个基站减少费用约78万元［9］。以上费用是多条新建铁路线路设计概算的平均值。

（2）优化方案2。该方案比原来在隧道口设置独立场坪和房屋的建造费用也会减少。根据隧道专业概算，常规的隧道内通信设备洞室建造费用约15万元（含防护门），优化设计后在隧道内开设独立设备洞室，通信基站设备洞室建造费用不会超过15万元（防护门费用将减少）。根据方案1测算，如果在隧道口设置站址场坪和房屋需建造费（不含通信设备及铁塔）约75万元。在隧道内设置设备通信设备洞室，建造费用将减少约60万元［9］。

（3）优化方案3。该方案可有效避免电缆井积水冰冻对光电缆绝缘节接头盒形成危害。同时可缩小站址场坪用地面积，减少场坪征地及施工建设费用。

4.2 设备运用安全可靠性

（1）优化方案1：采用漏缆延伸无线信号覆盖比采用天线覆盖更稳定，漏缆与铁路线路平行且与动车组距离较近，动车组接收无线信号更为均衡稳定。同时漏缆属于无源设备，构造简单、故障率不高，可减少维管单位的维护工作量。

（2）优化方案2：将常规设计安装在隧道口房屋内通信设备调整到隧道内设备洞室，可以保持通信电子设备恒温，同时还可避免因隧道口区域不良地质灾害对房屋及设备设施安全造成危害。另外，设备洞室“藏”在隧道内，整个隧道二衬和无砟轨道板就是天然的防雷屏蔽网和接地网，可有效减少通信系统遭受雷击破坏。

（3）优化方案3：取消平原区域基站常规设置2个电缆井改为电缆间，可有效避免电缆井积水冰冻对光电缆绝缘节及接头形成危害，确保通信系统运用更加安全。

5 结束语

随着无线通信技术的不断发展，我国铁路系统已在研究、规划和试验5G-R无线通信系统，但5G-R与GSM-R在铁路线上的物理布局架构和功能运用方面不会有大的改变，仅在技术标准和无线带宽容量及站址分布数量上有所变化（5G-R需加密基站）［10］。针对我国西部地区特殊地质和气候环境，各专业结合我国已建成高速铁路的实践经验，通过不断总结、优化与创新，不仅能保证铁路各专业功能运用标准不降低，并可减少建设投资和维护成本，实现铁路建设更节能、更环保。