孫傳斌

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

以GSM-R為基礎(chǔ)通信平臺(tái)的機(jī)車(chē)同步操控技術(shù)在我國(guó)鐵路重載運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)揮著巨大作用，以大秦線、北同蒲線、云崗支線、遷曹線等最為明顯。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鐵路貨物運(yùn)能大幅度提高，重載技術(shù)的推廣使用將是提升鐵路貨物運(yùn)能的有效手段，也是未來(lái)鐵路貨物運(yùn)輸發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，高可靠性GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確保重載安全的關(guān)鍵。

1 中國(guó)重載鐵路發(fā)展

我國(guó)當(dāng)前重載運(yùn)輸指列車(chē)載重在5 000 t以上，按每節(jié)車(chē)載重60、70、80 t計(jì)算（外加自重20～23 t），約需50、54、60節(jié)車(chē)廂，列車(chē)長(zhǎng)度達(dá)650 m、700 m、780 m長(zhǎng)（車(chē)廂長(zhǎng)度為13 m左右），1萬(wàn)t列車(chē)長(zhǎng)度則分別為1 300 m、1 400 m、1 560 m；2萬(wàn)t列車(chē)更長(zhǎng)。列車(chē)載重量和長(zhǎng)度增加，單機(jī)車(chē)將無(wú)法牽引，須由多臺(tái)機(jī)車(chē)牽引。

多臺(tái)機(jī)車(chē)牽引首先需要解決如何編組，其次解決多臺(tái)機(jī)車(chē)同步加速牽引、減速制動(dòng)。2004年初，2萬(wàn)t重載組合列車(chē)試驗(yàn)在大秦線拉開(kāi)，先后以450 M數(shù)字電臺(tái)和800 M數(shù)字電臺(tái)作為機(jī)車(chē)同步操控系統(tǒng)中LOCOTROL技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)、4臺(tái)韶山4型機(jī)車(chē)分別牽引5 000 t列車(chē)組成的2萬(wàn) t組合列車(chē)實(shí)驗(yàn)成功。由于是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其可靠性較差，傳輸距離受限。2005年11月，以GSM-R為機(jī)車(chē)同步操控LOCOTROL技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，由2列單元萬(wàn)噸列車(chē)組成的2萬(wàn) t列車(chē)試驗(yàn)成功。2006年3月，由4臺(tái)韶山4型機(jī)車(chē)以“1＋2＋1”方式牽引的2萬(wàn) t列車(chē)成功開(kāi)行。后來(lái)陸續(xù)成功實(shí)現(xiàn)“1+1+可控列尾”組合2萬(wàn) t（和諧號(hào)機(jī)車(chē)牽引+C80貨車(chē)）、“1+1+可控列尾”組合1.5萬(wàn) t（C70貨車(chē)）、“1+1+列尾”組合萬(wàn)噸（S4機(jī)車(chē)牽引+C80貨車(chē)）、“1+列尾”單元萬(wàn)噸（和諧號(hào)機(jī)車(chē)牽引+C80貨車(chē)）等編組方式。這是世界重載鐵路領(lǐng)域中，率先將LOCOTROL技術(shù)與GSM-R平臺(tái)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的成功典范。

目前貨運(yùn)的線路多為既有鐵路，建設(shè)時(shí)間較早、標(biāo)準(zhǔn)低，路況差、彎道多、坡度大，開(kāi)行2萬(wàn) t重載列車(chē)需對(duì)站場(chǎng)、線路、電力、機(jī)車(chē)、車(chē)輛等配套改造，工程投資較大。因此，近期大量開(kāi)行2萬(wàn)t列車(chē)可能性較小，部分重點(diǎn)線路開(kāi)行2萬(wàn) t、多數(shù)線路開(kāi)行萬(wàn)噸以下重載列車(chē)將是鐵路貨運(yùn)的近期發(fā)展方向。當(dāng)前，采用C70系列貨車(chē)、S4機(jī)車(chē)（或同級(jí)別機(jī)車(chē)）牽引的較多，并未大量采用和諧號(hào)機(jī)車(chē)。因此，“1+1+可控列尾”的2萬(wàn) t組合列車(chē)（和諧號(hào)機(jī)車(chē)牽引）、“1+列尾”（和諧號(hào)機(jī)車(chē)牽引）或“1+1+列尾”（S4或同級(jí)別機(jī)車(chē)牽引）的萬(wàn)噸及萬(wàn)噸以下組合列車(chē)將是重載鐵路的主要編組方式。

2 GSM-R機(jī)車(chē)同步操控和可控列尾系統(tǒng)原理

機(jī)車(chē)同步操控系統(tǒng)由車(chē)載通信單元（OCU）、地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)（AN）和GSM-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖1所示。通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)和地面應(yīng)用節(jié)點(diǎn)完成的OCU的注冊(cè)、注銷(xiāo)、安全認(rèn)證、鏈路連接、會(huì)議編組控制和保持等功能，在主控機(jī)車(chē)和從控機(jī)車(chē)之間傳輸機(jī)車(chē)同步操控的各種數(shù)據(jù)。所有控車(chē)信息由主控機(jī)車(chē)發(fā)出，通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)和AN實(shí)現(xiàn)將控車(chē)信息傳送至從控機(jī)車(chē)，保證機(jī)車(chē)同步運(yùn)行。列車(chē)在行駛過(guò)程中，主控機(jī)車(chē)和每個(gè)從控機(jī)車(chē)的OCU均占用1個(gè)CSD無(wú)線信道。

可控列尾系統(tǒng)由機(jī)車(chē)部分、列尾主機(jī)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)司機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，操縱機(jī)車(chē)制動(dòng)機(jī)減壓，這時(shí)均衡風(fēng)缸壓力及主風(fēng)管壓力通過(guò)機(jī)車(chē)運(yùn)行監(jiān)控裝置（LKJ）送到列尾司機(jī)控制盒，經(jīng)過(guò)判斷后，司機(jī)控制盒將減壓信息（包括減壓起始時(shí)間及減壓量等），通過(guò)OCU→GSM-R網(wǎng)絡(luò)→AN→GSM-R網(wǎng)絡(luò)→列尾主機(jī)GSM-R數(shù)據(jù)處理模塊（TCU），TCU將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)RS-422接口送到列尾主機(jī)的控制單元里，控制單元根據(jù)機(jī)車(chē)傳輸?shù)臏p壓信息通過(guò)可控電磁閥進(jìn)行排風(fēng)、減壓，完成機(jī)車(chē)與可控列尾裝置同步減壓，達(dá)到列車(chē)頭尾同時(shí)制動(dòng)的目的。列車(chē)在行駛過(guò)程中，可控列尾主機(jī)占用1個(gè)CSD無(wú)線信道。

3 GSM-R系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

機(jī)車(chē)同步操控系統(tǒng)由OCU、AN、GSM-R網(wǎng)絡(luò)組成；可控列尾系統(tǒng)由機(jī)車(chē)部分、列尾主機(jī)、GSM-R網(wǎng)絡(luò)組成。OCU的GSM-R信道機(jī)、控制單元、記錄單元和電源部分都各自包含兩套獨(dú)立工作且互為熱備的單元；AN節(jié)點(diǎn)的編組控制單元采用了A、B雙機(jī)備份，與GSM-R網(wǎng)絡(luò)中MSC之間接口板采用“1+1”備份；可控列尾主機(jī)的主控單元和GSM-R數(shù)據(jù)模塊采用“1+1”熱備方式；均提升了系統(tǒng)可靠性和可用性。因此，采用冗余的GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)就成了提升機(jī)車(chē)同步操控系統(tǒng)和可控列尾系統(tǒng)可靠性和可用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 正線線路GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)

與客運(yùn)專線不同的是重載線路LOCOTROL對(duì)頻率資源需求量較大和可控列尾業(yè)務(wù)場(chǎng)強(qiáng)電平要求較高，滿足重載頻率資源和場(chǎng)強(qiáng)需求，保證各種GSM-R業(yè)務(wù)可用，也是GSM-R網(wǎng)絡(luò)可靠性和冗余設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。

3.1.1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)電平需求

GSM-R系統(tǒng)設(shè)計(jì)暫行規(guī)定，機(jī)車(chē)頂部天線最小可用接收電平應(yīng)為-95 dBm，由于電平值越低抗干擾能力越弱，通信質(zhì)量越差，工程設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮9～12 dB設(shè)計(jì)余量。如果有可控列尾設(shè)備，列尾主機(jī)安裝在列車(chē)尾部車(chē)廂掛鉤處，離地面1.5 m左右，天線增益0 dBi，當(dāng)列車(chē)靠近GSM-R基站行駛時(shí)，受車(chē)廂（金屬材質(zhì)）的阻擋造成衰減約3～5 dB。因此，有LOCOTROL+可控列尾業(yè)務(wù)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最小可用接收電平至少大于-81 dB。

3.1.2 GSM-R頻率資源需求

1）區(qū)間GSM-R頻率資源需求

2萬(wàn) t列車(chē)需要3個(gè)無(wú)線信道（同步操控2、列尾1），雙向會(huì)車(chē)時(shí)則需要6個(gè)無(wú)線信道，因此2.7 km（2萬(wàn) t列車(chē)長(zhǎng)度）范圍內(nèi)單基站覆蓋至少需要11個(gè)業(yè)務(wù)信道（6個(gè)CSD信道+1個(gè)固定GPRS信道+3個(gè)動(dòng)態(tài)GPRS信道+1個(gè)語(yǔ)音信道）。如果出現(xiàn)事故，雙向列車(chē)均只隔1個(gè)閉塞分區(qū)（2 km估算）緊密追蹤，則7.4 km范圍（2列萬(wàn)噸+1個(gè)閉塞分區(qū)）內(nèi)有4列車(chē)，需要17個(gè)業(yè)務(wù)信道（12個(gè)CSD信道+1個(gè)固定GPRS信道+3動(dòng)態(tài)GPRS信道+1語(yǔ)音信道），考慮其他語(yǔ)音用戶，所需信道數(shù)更多，因此至少需要3個(gè)頻點(diǎn)資源。

2）車(chē)站GSM-R頻率資源需求

車(chē)站至少有2條正線和2條到發(fā)線（上下行），正常情況下正線不停車(chē)，到發(fā)線可停靠2列2萬(wàn) t列車(chē)，則LODOTROL+可控列尾需要3個(gè)CSD信道資源。車(chē)站GSM-R信道總需求：N條到發(fā)線×[3個(gè)CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1個(gè)語(yǔ)音信道]+1個(gè)GPRS信道+其他業(yè)務(wù)信道需求。如果車(chē)站有4條到發(fā)線，則需要16個(gè)CSD信道（LODOTROL+可控列尾）+1個(gè)GPRS信道+其他業(yè)務(wù)信道需求。因此，車(chē)站2.7 km范圍內(nèi)至少需要3個(gè)頻點(diǎn)才能滿足需要。

3.1.3 正線GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)

合理的GSM-R網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)是重載列車(chē)電平、頻率資源需求及運(yùn)行穩(wěn)定和可靠的前提。目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要采用單網(wǎng)交織和同址雙網(wǎng)的覆蓋方式。

1）同址雙網(wǎng)

同址雙網(wǎng)采用同站點(diǎn)A、B網(wǎng)組網(wǎng)，采用了雙BSC/PCU和TRAU冗余組網(wǎng)設(shè)計(jì)，提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。受到同頻、鄰頻干擾和載波間隔的限制，用7頻組、8頻組無(wú)法進(jìn)行頻率規(guī)劃，只能采用6頻組進(jìn)行頻率規(guī)劃（區(qū)間A網(wǎng)基站2個(gè)載頻、B網(wǎng)基站1個(gè)載頻），頻率復(fù)用度非常高，極易造成同頻或鄰頻干擾。因此，要求基站間距不能太過(guò)密集，應(yīng)盡量拉大基站間距，這與機(jī)車(chē)頂部天線接收處天線接收電平要求較高相矛盾。根據(jù)鏈路預(yù)算，要滿足-81 dB電平要求和雙向緊急追蹤頻率資源需求，天線掛高40 m時(shí)，基站間距不宜超過(guò)5.5 km。

2）單網(wǎng)交織

單網(wǎng)交織間距基站約3 km，區(qū)間電平能夠達(dá)到-65～70 dB,能更好克服車(chē)體阻擋對(duì)可控列尾的影響。區(qū)間基站按照2載頻設(shè)計(jì)，則最大可通過(guò)8頻組進(jìn)行頻率規(guī)劃，頻率復(fù)用度降低，出現(xiàn)鄰頻和同頻干擾的機(jī)率降低。單個(gè)基站覆蓋范圍內(nèi)有6個(gè)頻點(diǎn)可用，能滿足局部緊密追蹤時(shí)突發(fā)大容量頻率資源的需求?；鹃g距較密，易引起越區(qū)覆蓋，應(yīng)控制天線掛高和覆蓋范圍。單網(wǎng)交織的弱點(diǎn)在單個(gè)BSC/TRAU/PCU，當(dāng)BSC故障時(shí)GSM-R網(wǎng)絡(luò)不可用，因此BSC的主控版、電源板均采用“1+1”熱備。另外業(yè)務(wù)接口板采取相應(yīng)的措施提高可靠性：措施1是Abis、Ater和A接口板等業(yè)務(wù)接口板采用“1+1”熱備方式冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行配置；措施2是將基站環(huán)形組網(wǎng)的環(huán)頭環(huán)尾接至BSC的不同Abis接口板上，TRAU的A接口板上的端口接在MSC側(cè)的不同A接口板上。

綜合比較，單網(wǎng)交織更適應(yīng)重載線路LOCOTROL和可控列尾業(yè)務(wù)的需要。

3.2 大型貨運(yùn)編組站GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)冗余設(shè)計(jì)

大型貨運(yùn)編組站容量需求較大、頻率規(guī)劃復(fù)雜，是工程設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。樞紐編組站的覆蓋方案在不斷的研究和探討，隨著新技術(shù)、新產(chǎn)品的出現(xiàn)，無(wú)線覆蓋手段越來(lái)越豐富，其中以分布式基站最為明顯。分布式基站是一種廣泛應(yīng)用于3G的技術(shù)，近年在GSM-R系統(tǒng)中也在逐漸推廣和使用。分布式基站摒棄了傳統(tǒng)模式，將基站基帶和射頻部分分離，并通過(guò)光纖將射頻部分拉遠(yuǎn)，擴(kuò)大基站覆蓋范圍。以1個(gè)編組站為例，用戶集中在兩端2～3 km范圍內(nèi)，編組站兩端7.5 km范圍內(nèi)覆蓋解決方案如圖3所示。

在15 km范圍內(nèi)設(shè)置3套宏基站，設(shè)置6套R(shí)RU（設(shè)置成共小區(qū)）和2套BBU（主備用）。RRU之間、RRU與編組站基站之間、RRU與兩端基站之間均采用交織覆蓋方式，避免了單點(diǎn)故障出現(xiàn)覆蓋真空。采用了類似于“中區(qū)制”方式，實(shí)現(xiàn)編組站大容量需求（編組站中心基站最大有6個(gè)頻點(diǎn)）及樞紐車(chē)站和線路資源共享；采用BBU+RRU共小區(qū)和冗余覆蓋方式，既擴(kuò)大了覆蓋區(qū)域，減小同頻復(fù)用因子，又實(shí)現(xiàn)了冗余覆蓋，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.3 MSC冗余備份設(shè)計(jì)

MSC是GSM-R網(wǎng)絡(luò)的核心，冗余備份設(shè)計(jì)是提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)整體可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，不同廠家的MSC還不能相互冗余備份，可采用MSC pool技術(shù)和雙歸屬技術(shù)兩種方案。

3.3.1 MSC pool技術(shù)

MSC pool（MSC池）的技術(shù)是在3GPP R5版中引入的，其概念同時(shí)適用于GSM R99網(wǎng)絡(luò)，具體是指，多個(gè)MSC組成一個(gè)資源池，每個(gè)MSC同等地管轄區(qū)內(nèi)所有BSC，每個(gè)BSC與池內(nèi)每個(gè)MSC都相連（采用A-Flex功能后一個(gè)BSC可以接入多個(gè)MSC）。一旦某一MSC發(fā)生不可用（線纜斷開(kāi)、MSC故障、MSC升級(jí)等）時(shí)，BSC可將其信令和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)至MSC池中的其他MSC上，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)MSC間的業(yè)務(wù)備份。

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)如果采用MSC pool技術(shù)，由于進(jìn)行屬地化管理，每個(gè)路局的MSC只能管轄本路局范圍內(nèi)移動(dòng)用戶，不能管理其他路局的用戶，故彼此之間不能組成一個(gè)池。只能選擇一個(gè)獨(dú)立MSC，與各個(gè)路局MSC分別組成池，以實(shí)現(xiàn)MSC的冗余備份，實(shí)際組網(wǎng)時(shí)有“1+1”備份方式和“N+1”備份方式，如圖4所示。

3.3.2 雙歸屬技術(shù)

雙歸屬是軟交換架構(gòu)下采用的一種MSC冗余備份技術(shù)，即為主用MSC server設(shè)置一套備用MSC server，同一個(gè)媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）歸屬于兩個(gè)MSC server，正常運(yùn)行情況下，MGW只注冊(cè)到主用MSC server上，而當(dāng)該MSC server發(fā)生故障時(shí)，MGW可注冊(cè)到備用MSC server上，繼續(xù)為此MGW下管理的用戶提供業(yè)務(wù)。

鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用雙歸屬技術(shù)實(shí)現(xiàn)MSC備份時(shí)，有兩種方式，“1+1”備份方式和“N+1”備份方式，如圖5所示。

兩種技術(shù)冗余備份方式均可行，采用何種備份方式主要取決于工程投資規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)鐵路貨物運(yùn)能的提高，重載列車(chē)的組合方式和控車(chē)技術(shù)也將不斷發(fā)展和演進(jìn)，在設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常都會(huì)遇到新的問(wèn)題，需在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)上不斷總結(jié)和更加深入的研究，探索更好的冗余設(shè)計(jì)解決方案，以提高重載GSM-R系統(tǒng)的可靠性，確保鐵路運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

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[3]科技運(yùn)[2007] 139號(hào) GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件第六分冊(cè)：機(jī)車(chē)同步操控信息傳送系統(tǒng)（V1.0）[S].

[4]科技運(yùn)[2007] 100號(hào) GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)條件第四分冊(cè)：列車(chē)尾部安全防護(hù)裝置信息傳送系統(tǒng)（V1.0）[S].

[5]邸士萍.大秦線機(jī)車(chē)同步操控通信系統(tǒng)綜述[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2006（1）：14-17.

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