鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)

宋建人

鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)

宋建人

摘 要：為預(yù)防和避免隧道內(nèi)的突發(fā)事件，或在突發(fā)事件爆發(fā)后能夠以最快、最有效的手段進(jìn)行指揮和搶險(xiǎn)救援，盡可能把損失降到最低，通信暢通必不可少。為此，提出基于電纜和光纜2種通信方式的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)的整體技術(shù)方案，不僅適于新建高速鐵路和客運(yùn)專線，而且能滿足既有鐵路應(yīng)急通信技術(shù)改造的需求，具有良好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：隧道應(yīng)急通信;長(zhǎng)大隧道;基于以太網(wǎng)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)

隨著中國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路隧道總長(zhǎng)度在不斷增加，要預(yù)防和避免隧道內(nèi)的突發(fā)事件，或在突發(fā)事件爆發(fā)后能夠以最快最有效的手段進(jìn)行指揮和搶險(xiǎn)救援，盡可能把損失降到最低，通信暢通必不可少。在現(xiàn)有隧道中，除無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)和GSMR系統(tǒng)外，沒(méi)有專用的有線應(yīng)急電話系統(tǒng)為隧道應(yīng)急通信提供保障。根據(jù)鐵道部《鐵路工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《關(guān)于印發(fā)〈鐵路處置長(zhǎng)大隧道突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案〉的通知》 (鐵辦2010［11］號(hào))及其他相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，有線應(yīng)急電話系統(tǒng)成為了隧道應(yīng)急通信必備的通信設(shè)施，因此對(duì)其方案進(jìn)行研究很有必要。

目前，鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)有區(qū)間電纜和區(qū)間光纜2種，應(yīng)急隧道通信系統(tǒng)傳輸接入可以基于這2種方式。區(qū)間電纜方案需要在隧道內(nèi)新增電纜為傳輸通道，采用共線電話的接入方式;區(qū)間光纜方案利用隧道內(nèi)既有光纜，采用基于EPON技術(shù)的接入方式，下面介紹這2種鐵路隧道應(yīng)急通信技術(shù)方案。

1 基于電纜通信的隧道應(yīng)急技術(shù)方案

基于電纜方案設(shè)置隧道應(yīng)急電話分機(jī)，集“總線制、集中供電、一鍵呼叫”于一體，系統(tǒng)采用數(shù)?；旌闲盘?hào)與電源復(fù)合加載傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道終端與值班室或調(diào)度用戶的呼叫。一鍵呼叫，實(shí)現(xiàn)了隧道人員與控制中心的通話，隧道人員可向控制中心報(bào)告事故或申請(qǐng)救援，彌補(bǔ)了隧道內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通話的缺陷。

系統(tǒng)采用數(shù)模混合信號(hào)與電源復(fù)合加載傳輸技術(shù)，使模擬音頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在同一對(duì)電纜中傳輸?shù)耐瑫r(shí)，電源端也通過(guò)這一對(duì)電纜向負(fù)載設(shè)備供電，節(jié)省了電纜資源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組建的步驟，節(jié)省了二次布線施工的費(fèi)用，也可實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)到數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無(wú)縫升級(jí)。

主要特點(diǎn)：組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;操作維護(hù)方便，對(duì)使用人員要求不高;安裝施工簡(jiǎn)單，開(kāi)通周期短;但受限于傳輸介質(zhì)等因素的影響，通信帶寬窄，無(wú)法傳送高質(zhì)量動(dòng)態(tài)圖像和視頻;通話質(zhì)量易受潮濕及電磁干擾等外界環(huán)境的影響;投資大，維護(hù)成本較高。

基于電纜通信的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，適合已有電纜敷設(shè)的隧道或僅需通話功能，無(wú)數(shù)據(jù)通信需求，其他業(yè)務(wù)擴(kuò)展可能性較小的隧道。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于電纜通信的隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，主要由控制中心的值班機(jī)、主機(jī)及局端管理模塊、網(wǎng)管設(shè)備、軌側(cè)緊急電話及傳輸電纜等部分組成。在距離較長(zhǎng)時(shí)增加中繼放大設(shè)備或添加遠(yuǎn)端模塊將信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，使得遠(yuǎn)方的值班人員能夠處理緊急呼叫，如圖1所示。

控制中心設(shè)備安裝在監(jiān)控中心值班室，配置專用軟件;緊急電話分機(jī)主要由機(jī)殼、面板、門蓋、話機(jī)電路等組成;具有一鍵緊急呼叫、順序呼叫、排隊(duì)呼叫、人員定位、通話錄音等功能。

1.2 組網(wǎng)方案

基于電纜通信的隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)方案，傳輸距離受限于電纜環(huán)阻，電纜方案采用遠(yuǎn)程饋電，電纜環(huán)阻超過(guò)1500 Ω，應(yīng)急終端電壓降至60 V以下時(shí)終端可用性能變差。鐵路沿線敷設(shè)電纜多采用HEYFLT23 3×4×0.9或HEYFLT23 4×4×0.9阻燃型低頻長(zhǎng)途對(duì)稱通信電纜，0.9 mm線徑電纜每公里環(huán)阻一般小于 60 Ω，理論傳輸距離可達(dá)25 km，考慮到接頭等因素，實(shí)際傳輸距離在20 km左右。超過(guò)20 km的隧道可通過(guò)隧道內(nèi)設(shè)置設(shè)備或增加中繼方式解決。根據(jù)隧道長(zhǎng)度、通信點(diǎn)與車站的距離，基于電纜的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式可分為以下2種。

1．隧道長(zhǎng)度在20 km內(nèi)，遠(yuǎn)端隧道口與車站距離在20 km以內(nèi)。電纜環(huán)阻一般小于1500 Ω，壓降能夠滿足應(yīng)急終端要求，主機(jī)或遠(yuǎn)端模塊通過(guò)隧道兩側(cè)共2個(gè)通道電纜延伸至整個(gè)隧道，每隔500 m接一個(gè)緊急電話分機(jī)。

2．隧道長(zhǎng)度在20～40 km間，主機(jī)或遠(yuǎn)端模塊設(shè)置于隧道內(nèi)。遠(yuǎn)端的環(huán)阻大于1500 Ω，壓降導(dǎo)致20 km以后的應(yīng)急終端不可用，在此情形下，可采用遠(yuǎn)端模塊置于隧道中或增加中繼放大設(shè)備方式解決。主機(jī)或遠(yuǎn)端模塊置于隧道中間，通過(guò)隧道2個(gè)方向的兩側(cè)，共4個(gè)通道電纜延伸至整個(gè)隧道，每隔500 m接一個(gè)緊急電話分機(jī)，也可使用中繼放大設(shè)備解決超長(zhǎng)隧道問(wèn)題。

2 基于光纜通信的隧道應(yīng)急技術(shù)方案

圖1 基于電纜通信的鐵路隧道應(yīng)急電話系統(tǒng)組成圖

基于光纜通信的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，是集救援通信、救援指揮、信息處理和現(xiàn)場(chǎng)定位等功能于一體的綜合系統(tǒng)。在高速鐵路和客運(yùn)專線的長(zhǎng)大隧道內(nèi)，利用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (PON)組網(wǎng)，將光通信引入隧道，解決隧道應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)到車站傳輸設(shè)備之間的接入和傳輸問(wèn)題。此方案不僅可實(shí)現(xiàn)隧道單呼、組呼等通話功能，還可為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信設(shè)備提供隧道至接入站點(diǎn)的寬帶傳輸通道。PON是構(gòu)建光纜隧道應(yīng)急通信的核心技術(shù)，以點(diǎn)到多點(diǎn)為特征的單纖雙向無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)，采用不同的上下行傳輸技術(shù)，上行采用時(shí)分復(fù)用 (TDM)方式，下行采用廣播方式。PON包括光線路終端(OLT)、光網(wǎng)絡(luò)單元 (ONU)和光分配網(wǎng)絡(luò)(ODN)3個(gè)組件。ODN中的無(wú)源光分路器可以是一個(gè)或多個(gè)光分路器的級(jí)聯(lián)。鐵路走向呈線狀，因此鐵路組網(wǎng)中采用多個(gè)分光路器級(jí)聯(lián)。

目前PON技術(shù)主要分為EPON、APON、BPON和GPON 4種，其中EPON成熟度高，使用最為廣泛。EPON的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3ah，標(biāo)準(zhǔn)中定義了EPON的物理層、MPCP(多點(diǎn)控制協(xié)議)、OAM(運(yùn)行管理維護(hù))等相關(guān)內(nèi)容。IEEE制定EPON標(biāo)準(zhǔn)的基本原則，是盡量在802.3體系結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行EPON的標(biāo)準(zhǔn)化工作，最小程度地?cái)U(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的MAC協(xié)議。

EPON網(wǎng)絡(luò)采用點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了車站設(shè)備的利用率，減少了光接口，大大節(jié)省了主干光纖使用量。EPON網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有樹(shù)形、總線型和環(huán)形結(jié)構(gòu)。隧道實(shí)際應(yīng)用中采用非均分分光器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榭偩€型結(jié)構(gòu)。

基于光纜的隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，采用了先進(jìn)、成熟的EPON技術(shù)，帶寬高，上下行速率均為1 Gb/s，并且未來(lái)可升級(jí)到10 Gb/s;EPON采用以太傳輸協(xié)議，可以與數(shù)據(jù)網(wǎng)無(wú)障礙互通;成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，易于和其他系統(tǒng)對(duì)接。

結(jié)合隧道的實(shí)際情況，光纜通信存在一些不足，但主要是供電方面，隧道內(nèi)光終端設(shè)備必須供電才能工作，這就需要在隧道內(nèi)布放電力電纜;安裝施工操作較復(fù)雜，需要專業(yè)的工具，以及要考慮安全性等問(wèn)題。

基于光纜通信的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，適合隧道內(nèi)沒(méi)有敷設(shè)電纜只有光纜的情況，或單個(gè)通信點(diǎn)對(duì)通話路數(shù)要求較多、有數(shù)據(jù)通信需求、對(duì)業(yè)務(wù)擴(kuò)展功能 (應(yīng)急動(dòng)圖傳輸、視頻監(jiān)控傳輸)和兼容性有較高要求的隧道。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于光通信的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)備，由應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、隧道應(yīng)急光通信設(shè)備、應(yīng)急指揮中心設(shè)備3部分組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。

應(yīng)急指揮中心設(shè)備，主要包括應(yīng)急語(yǔ)音調(diào)度機(jī)、應(yīng)急語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、視頻服務(wù)器、應(yīng)急指揮臺(tái)、視頻終端和網(wǎng)管等。

隧道應(yīng)急通信光通信設(shè)備，主要包括光通信車站設(shè)備和光通信終端設(shè)備。

圖2 鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)組成示意圖

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急設(shè)備，主要包括應(yīng)急通信包、綜合無(wú)線接入臺(tái)、天線及升降桿、無(wú)線手機(jī)和便攜式發(fā)電機(jī)等。

系統(tǒng)具有一鍵撥號(hào)、組呼、群呼、會(huì)議、錄音、強(qiáng)拆、強(qiáng)插及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.2 組網(wǎng)方案

基于光通信的隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)，傳輸距離受限于車站設(shè)備光功率和光鏈路衰耗，隧道應(yīng)急終端數(shù)量多，相應(yīng)的光鏈接衰減也大。EPON光端口物理傳輸距離為20 km，車站光接口發(fā)光功率一般為+3～+7 dBm，隧道終端收光靈敏度為－27 dBm。光分配網(wǎng) (ODN)鏈路總損耗包括以下幾個(gè)方面。

1)分光器損耗，根據(jù)需要可采用偏分10：90或5：95，也可混合使用。

2)熔接損耗，光纖熔接點(diǎn)衰耗為0.08 dB/點(diǎn)，每個(gè)分光器一入一出有2個(gè)光纖熔接點(diǎn)。

3)連接器、適配器 (法蘭盤)損耗，連接器按0.5dB/個(gè)計(jì)算;3個(gè)連接部位分別是OLT尾纖端口、ODF架上和ONU尾纖端口。

4)光纖傳輸損耗，G.652光纖，下行波長(zhǎng)1490 nm，損耗約0.22 dB/km。

5)線路額外損耗，一般取3 dB左右。

根據(jù)隧道長(zhǎng)度、通信點(diǎn)與車站或基站的距離，基于光通信的鐵路隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方案可分為以下3種。

1．隧道長(zhǎng)度在10 km內(nèi)，遠(yuǎn)端隧道口與車站或基站距離在20 km以內(nèi)。光通信車站設(shè)備安裝在車站或基站內(nèi)，通過(guò)單芯光纖延伸至整個(gè)隧道，每隔500 m外接一個(gè)光通信終端設(shè)備。

2．隧道長(zhǎng)度在10～20 km，車站或基站離遠(yuǎn)端隧道口距離在20km以內(nèi)。單光口功率無(wú)法滿足10 km以后應(yīng)急終端使用，采用2個(gè)光接口，增加覆蓋距離。光通信車站設(shè)備安裝在車站或基站內(nèi)，光通信車站設(shè)備采用2芯光纖 (依據(jù)實(shí)際的終端設(shè)備情況，配置光纖的芯數(shù))延伸，其中一芯連接前10 km的終端設(shè)備，另外一芯連接10 km后的終端設(shè)備，每隔500m接一個(gè)光通信終端設(shè)備。

3．隧道長(zhǎng)度在20 km以外，車站或基站離遠(yuǎn)端隧道口在20 km以外。超過(guò)了PON傳輸距離20 km，需要將車站設(shè)備放置在隧道內(nèi)，通過(guò)傳輸設(shè)備延伸至安裝在隧道內(nèi)的光通信車站設(shè)備。光通信車站設(shè)備采用光纖向兩側(cè)延伸，每側(cè)各延伸10 km，每隔500 m接一個(gè)光通信終端設(shè)備。

3 結(jié)論

根據(jù)傳輸介質(zhì)不同隧道應(yīng)急通信系統(tǒng)技術(shù)方案，分為電纜傳輸方案和光纜傳輸方案。在既有鐵路長(zhǎng)大隧道內(nèi)，現(xiàn)階段多采用電纜方式解決。電纜通信已發(fā)展使用幾十年，技術(shù)成熟，操作方便，能滿足隧道內(nèi)應(yīng)急通話的基本需求。

在高速鐵路和客運(yùn)專線中的長(zhǎng)大隧道內(nèi)，一般很少有GSM-R基站、車站和區(qū)間電纜，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)語(yǔ)音通信困難?？衫盟淼纼?nèi)既有光纜承載應(yīng)急業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電話通信。采用光通信方式，具有成本低、帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，能有效克服隧道內(nèi)電磁干擾。光纜方案不僅可以實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)人員與控制中心的呼叫及定位功能，還可為現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)圖上傳、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)提供傳輸通道。

這2種方案均能夠提升隧道應(yīng)急通信的保障能力，滿足鐵路應(yīng)急搶險(xiǎn)的需求，具有良好的市場(chǎng)前景。在建高速鐵路和客運(yùn)專線的具體方案選型中，用戶可根據(jù)實(shí)際需求再結(jié)合以上特點(diǎn)選用。

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Abstract:In order to prevent and avoid accidents in tunnels or take the quickest and most effective means of command and emergency rescue after a sudden accident to minimize the losses as much as possible，a smooth communication is essential．To this end，the general technical schemes of two communication modes based on electrical and optical are proposed for the emergency communication system of railway tunnels，which is applicable not only to the new high speed railway and passenger dedicated line and also to meet the needs of existing railway emergency communication technology，and has good market prospects．

Key words:Tunnel emergency communications;Long and large tunnels;EPON

宋建人：廣州鐵路 (集團(tuán))公司電務(wù)處 工程師 510088 廣州

2012-12-26

(責(zé)任編輯：諸 紅)