淺談榆橫鐵路專用線平面調車信號盲區治理措施的研究與應用

寧小麗 孫林峰 劉榆欣 謝迎春

摘要：本文介紹了鐵路平面調車作業中存在通信弱場區的問題，針對榆橫鐵路的具體問題提出了解決方案。

關鍵詞：平面調車;弱場;中繼器

一、概述

鐵路調車作業中，隨著鐵路的發展，當站場內存在高建筑物、隧道、電力接觸網、遠距離傳輸等環境時，會造成無線通信中斷或者信號強度減弱，影響正常的調車作業。榆橫鐵路專用線內孟家壕車站、化工南車站、哈達汗車站由于受到調車點與車站距離或周邊環境等因素的影響，致使車站調車作業徑路存在信號盲區，造成機車控制器、區長臺與調車長、連接員間斷性通信不暢，導致鐵路調車作業在信號較弱區域內存在安全隱患，且容易導致故障停車，影響正常的調車作業，甚至導致人身和調車安全事故的發生。

目前，由于沒有專門針對鐵路領域在隧道/平原信號較弱區段的調車作業的數字中繼設備。解決的途徑只有在現有數字中繼技術基礎上加以改進，并加入調車信令模塊使之更加適合鐵路調車作業。

二、榆橫鐵路平面調車信號盲區現狀及原因分析

榆橫鐵路是陜北能源化工基地榆橫煤化工業園區和榆橫礦區經濟、環保、便捷的運輸大動脈，線路位于榆林市榆陽區、橫山區境內，東自包西鐵路閆莊則站引出，向西貫通榆橫煤化工業園區，跨越榆靖高速公路至榆陽區轉水廟，規劃正線全長51.103公里，設孟家壕、化工南、液化廠、轉水廟、哈達汗、小紀汗等站場，其中孟家壕、化工南、哈達汗車站是主要裝卸作業車站，調車作業頻繁。目前，榆橫鐵路專用線采用的是ZTD-D數字平面無線調車燈顯設備，在使用中發現孟家壕、化工南和哈達汗車站常出現信號中斷、通信不暢及噪聲干擾，影響正常的調車作業，嚴重時出現調車沖突事件。為徹底解決該問題，我們在組織專業人員深入現場，了解設備狀況、使用、維護及車站作業環境，測試各作業區域信號強度，并經多次測試分析后發現，孟家壕車站是因周邊建筑物遮擋信號覆蓋不全，化工南車站是因周邊建有電廠受熱噪聲影響信號，哈達汗車站是因調車作業地點距離車站過遠造成信號覆蓋不全。

三、解決方案

（一）方案

為解決榆橫鐵路孟家壕站、化工南站、哈達汗站因其他干擾，導致車站在調車作業行進中，出現調車人員和機車、車站間通信不暢，調車手持臺呼叫機車呼不上，出現信號盲區，影響調車作業，存在安全隱患的問題，經過測試分析，我們擬采用增加ZTF-DZJT-Ⅰ型數字固定式中繼器的辦法來解決，方案實施（圖1）如下。在車站通信鐵塔或信號樓頂安裝一根全向天線，覆蓋整個站場;對于信號覆蓋不到敷設射頻漏纜或定向天線。

在信號較弱區域架設全向天線，采用定向天線或射頻漏纜，通過同頻中繼擴展無線覆蓋范圍;解決機車進入信號較弱區域調車人員和司機間語音呼叫不上、調車指令無法正常傳輸的問題，同時確保區長臺能呼叫到遠端作業機車。

（二）方案原理

ZTF-DZJT-Ⅰ型數字固定式中繼器是根據TBT 2834-2016、TBT 3441-2016規定及根據鐵路現場作業要求，基于數字車載臺而研制的一種覆蓋全站式中繼器，無人值守可以自動實現通話與調車指令的中轉功能。

設立數字固定式中繼設備同頻中繼收發同頻，收發不同時隙，這樣就能保證原來平面調車直通情況下的中繼轉發，利用中繼發射功率高、外設天線性能好的特點過大直通的覆蓋范圍。

（三）方案實施

購置設備，施工安裝并綜合考慮設備使用的效果，安全性、可靠性進行改造試驗，根據改造結果在現場使用的效果再次進行升級改進，對中繼器CPU主板和調車信令板之間的接口板進行技術升級，它們之間的數字語音進行無縫對接，避免在調車過程中出現信令傳輸的錯誤，影響調車作業的正常進行。

對同頻中繼器的功率通過數字綜合測試儀R8000B進行現場調試，已達到收信、發信之間不會產生自激、干擾，優選功率5～8W;對同頻中繼器接收靈敏度優選：0.3 uV（誤碼率5% BER）。

工程實施階段是在信號有盲區的車站信號樓安裝一臺同頻中繼器，在車站信號樓的最高層架設兩個全向高增益（10dB）天線完成車站調車信號盲區的完全覆蓋，達到收發指令或通話無死角。

架設完成后無論是機車控制器、區長臺、還是終端調車手持臺在隧道兩端以及隧道內都能相互通話和指令操作。

安裝選址前必須進行前期的信號功率、信號場強的測試（如中繼器安裝前的測試）;主臺位置選好后，進行饋線（FB-50-9）的鋪設：行車運轉室（信號樓）電纜通過通信室鋪設電纜至室外樓頂，樓頂安裝天線支架、天線及避雷器。兩根天線錯開位置，不能安放在一起，以防相互干擾。（見下圖2）。

盲區站場采用全向高增益天線進行無線覆蓋。同頻中繼器安裝完成后機車控制器、區長臺、還是平調手持臺在站場兩端以及信號盲區內都能相互通話和進行指令操作。

設備安裝完成后，對孟家壕站、化工南站及哈達汗站的調車過程中，信號功率、信號強度的測試。測試理想，信號能完全覆蓋站場調車的需求，達到現場調車作業信號場強的要求。

該設備具有較強抗干擾性，電路設計及PCB板充分考慮系統的電磁兼容（EMC）;采用電池組供電;調車指令控制裝置選擇了SSI（Synchronous? Serial? Interface）1MB/S通信速率，對調車作業的高實時通信要求很合適;預留與調車系統連接接口以便將來調單傳輸使用。

同頻中繼原理備注說明：

同頻中繼（Single Frequency Repeater， 以下簡稱SFR）是基于歐洲電信標準協會（ETSI）頒布的DMR（Digital Mobile Radio）標準的一個擴展。因此，在介紹SFR工作原理之前，有必要先說明DMR的工作機制。

DMR標準采用的基于12.5Khz信道帶寬的時分復用的工作機制（TDMA），提供工作兩個時隙。

DMR電臺工作在直通模式時，它只使用兩個時隙之一，另外一個時隙空閑。

DMR電臺工作在標準中繼模式時（區別于SFR模式），它需要和中繼臺配合，只使用兩個時隙之一;另外一個時隙可以被其他的電臺使用。這樣一個12.5Khz的信道可以同時支持兩路通話。需要注意的是標準中繼模式下，中繼臺處于全雙工工作狀態，兩個時隙各自獨立工作，互不影響。為了保證時隙正確使用，電臺需要和中繼臺做時隙同步，電臺根據中繼臺下行信號進行時隙對齊。由于中繼臺需同時收發信號，收發頻率必須不同;而且為了共用天饋，保證收發隔離度，受雙工器限制收發頻率還必須滿足一定的頻率間隔要求 （推薦VHF波段為5Mhz以上，UHF波段為10Mhz以上）。

與標準中繼模式不同，SFR模式利用了DMR時分復用的特點。在SFR模式下，中繼臺將一個時隙接收到的電臺信號在另外一個時隙進行轉發。此時電臺實際上是工作在直通模式。中繼臺根據電臺發射的信號進行時隙同步，然后在另外時隙轉發信號。這樣不會產生時隙使用沖突。由于中繼臺接收和發射分別使用不同的時隙，不存在同時收發的情況，可以僅使用一個頻點完成信號中繼轉發。這也是同頻中繼名字的由來。因此，同頻中繼可以直接使用直通頻點工作。

另外，電臺工作在直通模式下，它既可以接收其他電臺的直通信號，也可以接收同頻中繼轉發的信號。電臺根據接收到的信號強度自動判斷使用最好的信號。當中繼臺設備出現故障無法工作時，電臺自動工作在直通模式下，不需要用戶做任何特殊操作。

同頻中繼臺硬件原理框圖如下：

頻綜單元為同頻中繼提供統一的時鐘，為發射和接收鏈路本振;改單元參考本振為高溫恒溫晶振，也可以采用外置參考頻率源;時鐘單元也可以根據外部衛星1pps信號調整頻率源，從機制上保證了本系統時鐘的穩定性和準確性。

基帶單元完成信號的DMR協議編解碼及同頻中繼的控制邏輯，是本機核心部分之一。

發射鏈路包含中頻模塊、變頻模塊、小信號鏈路、功放模塊;基帶信號經調制使載波攜帶信息，然后經變頻單元上變頻到需要的頻率、經多級放大到需要的功率發射出去;射頻鏈路必須具備ALC功能，在大動態范圍內功率可設置，經溫度補償單元及算法在極端溫度電壓情況下功率都滿足規定要求;另外對于發射口的異常駐波情況，自動保護，提高系統的可靠性。

接收鏈路將來自天線的射頻微弱型號經濾波、低噪聲放大及選頻網絡、下變頻電路變成中頻信號，然后在中頻上調理后再二次變頻，調理后由ADC采用數字化;經數字濾波等邏輯運算后進行解調，然后送給基帶單元完成DMR協議解碼。

邏輯控制模塊負責整機各功能單元的協同控制及應用層業務，是中繼臺的控制中心。

電源模塊將輸入的電源轉換為本機需要的各種電源，分別供給各功能模塊。

接口單元為本機對外的輸入輸出接口，主要包含配置口、網絡數據口、時鐘同步口、GPIO控制口等等。

天饋系統上由于同頻中繼臺收發同步，時間上是錯開的，并且收發同頻，所以需要一個時分雙工器來代替通常使用的頻分雙工器。

四、結束語

增設中繼器施工安裝完畢后，經過3個月的測試調試，我們對信號強度進行了重新測試對比，孟家壕車站中繼器未安裝前的數據為：100米測試效果75%、800米測試效果45%;中繼器安裝后100米測試效果90%、800米測試效果75%?；つ险局欣^器未安裝前的數據為：100米測試效果70%、800米測試效果35%;中繼器安裝后100米測試效果98%、800米測試效果80%。哈達汗站中繼器未安裝前的數據為：100米測試效果65%、800米測試效果55%;中繼器安裝后100米測試效果95%、800米測試效果80%。通過以上數據分析安裝中繼器后，信號強度增加35%左右，改善了信號不良的問題。經過5個月的使用，榆橫鐵路專用線孟家壕、化工南、哈達汗車站目前在調車作業過程中，信號不良、中斷等問題明顯得到解決，為調車作業提供了安全保障。

作者單位：寧小麗? ? 孫林峰? ? 劉榆欣? ? 謝迎春? ? 陜西榆橫鐵路有限責任公司

參? 考? 文? 獻

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