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摘 要：漏缆是GSM-R系统中信号覆盖的一种主要方式，漏缆状态的异常直接影响到铁路的行车安全，本文设计的漏缆监测系统可以有效的检测漏缆的工作状态，节省铁路通信线路的运维成本，为铁路行车安全的发展起到了积极的推动作用。文中首先介绍了漏缆监测系统的组成及工作原理，其次阐述了系统设计中的关键参数选取和主要技术指标，最后讲述了该监测系统在GSM-R的应用及不足。
关键词：漏缆监测系统；漏缆监测单元；GSM-R
中图分类号： F530.33 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）19-154-2
0 引言
为保证铁路的行车安全，铁路要求全线无线信号无缝覆盖。我国铁路多分布在山区、丘陵地带，无线通信信号弱场覆盖多采用泄漏同轴电缆（简称漏缆）方式，漏缆线路的安全及电气性能的稳定，对无线通信系统的可靠覆盖起到至关重要的作用。因漏缆线路故障导致的无线通信信号质量下降及中断的事件屡有发生，严重影响铁路列车的运行安全。为解决漏缆线路异常引起的无线通信信号异常，本文设计的漏缆监测系统，具有漏缆线路实时监测、故障信息主动上报等功能，为通信线路维护单位及时修复漏缆故障保证无线通信系统的可靠运行提供了有利保障。
1 漏缆监测系统组成与工作原理
漏缆监测系统由网管中心、通信网络、漏缆监测单元及漏缆组成。网管中心轮询漏缆监测单元的采样数据、接收漏缆监测单元的报警信息，判断漏缆的工作状态；通信网络负责传输网管中心与漏缆监测单元之间的通信数据；漏缆监测单元具有自检测、发射信号检测和接收信号检测功能，2台漏缆监测单元可以检测一段漏缆的工作状态，系统框图如图1所示。
漏缆监测单元主要由发射模块和接收模块组成，发射模块是信号发生器，用来发射一定频率的射频信号，接收模块是信号接收器，用来检测接收到的射频信号。被检测的漏缆两端分别连接2台漏缆监测单元的发射模块和接收模块，信号在漏缆传输中存在一定的传输损耗。网管中心通过轮询方式获取2台漏缆监测单元的发射信号和接收信号，计算漏缆的实际传输损耗。同时，网管中心根据维护人员配置的漏缆特性参数计算漏缆的理论传输损耗。通过实际传输损耗和理论传输损耗的差值判断漏缆是处于正常状态、破损状态还是严重破损状态。
2 漏缆监测单元的设计
2.1 漏缆监测单元组成
漏缆监测单元由电源模块、射频模块、MCU、GPRS模块及耦合器等组成。为保证漏缆监测单元可以正常检测漏缆工作状态，漏监测单元具有自检测功能，可以检测电源掉电、电源故障、发射模块故障和接收模块故障，并主动上报漏缆监测中心。
电源采用具有掉电检测和故障检测功能的电源模块，通过电源检测管脚输出电平高低反映电源的工作状态；射频模块包括发射模块和接收模块，发射模块由一个信号发生电路组成，接收模块由一个信号检测电路组成；MCU通过RS-485与射频模块通信，获取发射功率电平和接收功率电平，通过RS-232与GPRS模块通信，GPRS模块通过短信方式与网管中心进行数据通信，各部分连接示意图如图2所示。
2.2 检测频率选择及软件实现
漏缆监测单元的频率选择基于两点考虑，首先，为实现多段检测，同一漏缆监测单元的收发模块采用不同的频率，两台漏缆监测单元的收发模块采用相同的工作频率；其次，为避免射频信号的干扰影响C网、G网设备的正常工作，同时体现GSM-R频段的特性，需要漏缆监测单元的检测频率靠近GSM-R频段；根据对漏缆的实际测试，800MHz左右的特性与GSM-R频率的特性基本一致，700MHz以下的特性与GSM-R频段特性对于故障的表现出现不一致，频率相差越大，特性相差越大。805-885MHz和935-960MHz之间的频率被C网和G网所占用，故本文设计的漏缆监测单元选用了748MHz和763MHz作为发射模块和接收模块的工作频率。
漏缆报警门限的选取需要充分考虑各类线缆材质的正常损耗，在漏缆出现异常时及时告警，同时不会因为门限设置过低而产生误告警，本文的漏缆监测系统报警的下门限为6dB，上门限为12dB。
网管中心采用网络拓扑图的方式，在配置界面中，可以配置漏缆的传输损耗（单位：dB/100m）、漏缆长度（单位：m）、漏缆的附加损耗（即接头、天馈线损耗等），通过轮询漏缆监测单元获取连接漏缆的两台漏缆监测单元的发射功能电平和接收功率电平，使用以下公式计算漏缆的理论损耗和实际损耗，进行漏缆报警判断。
理论损耗=传输损耗*电缆长度/100+附加损耗
实际损耗=发射功率电平-接收功率电平
在漏缆检测单元没有产生电源报警、发射模块故障报警和接收模块故障报警的前提下，当实际损耗-理论损耗<=下门限时，判断为漏缆工作状态正常；当下门限<实际损耗-理论损耗<=上门限时，判断为漏缆发生了一般故障；当实际损耗-理论损耗>=上门限时，漏缆发生了严重故障。
2.3 主要技术指标
检测灵敏度：≤-85dBm；
检测信号发射功率：-30dBm2dB；
漏缆最小监测长度：≤200m；
漏缆最大监测长度：≥2000m；
测量误差：≤1dB；
对GSM-R信号插入损耗：≤0.5dB；
特性阻抗：50Ω；
监测方式：GSM-R短信或RS-232；
监测协议：《GSM-R数字移动通信网设备技术规范第六部分：中继传输设备统一监控管理系统》；
电源：AC220V30%；功耗：≤20W；
工作温度：-40℃～+55℃；
相对湿度：95%（30℃）；
振动：10Hz～30Hz，0.75mm；30Hz～55Hz，0.25mm； 振动方向：正常工作方向；
外形结构：一体化铝压铸机壳，满足IP65防护等级。
3 漏缆监测单元在GSM-R中的应用
GSM-R系统中的无线信号覆盖主要使用GSM-R直放站和漏泄同轴电缆，传统的GSM-R直放站只能监控设备本身的工作状态，无法检测漏缆的工作状态，通过在GSM-R直放站中内嵌漏缆检测模块实现无线信号覆盖和漏缆检测功能。在隧道两端的漏缆，使用内嵌漏缆检测模块的直放站不经济，使用上述的漏缆监测单元。
GSM-R网络日常运营维护中，漏缆、天馈线等无源部件的故障占整个基站子系统故障的50%以上，漏缆监测系统能及时发现漏缆故障并上报监控中心，为铁路无线通信系统可靠运行及高铁行车安全提供了可靠保障，从技术手段上实现了漏缆工作状态的检测，为铁路信号系统的维护提供便利。
4 不足方面的分析
本文设计的漏缆监测系统虽然可以有效检测漏缆的工作状态，但也存在一定的不足：
①很难检测到短隧道的漏缆，因短隧道大多只有一个电源配电间（或设备间），很难解决此类漏缆监控单元的供电问题。
②不能进行故障定位。
对于供电问题，目前仍未有好的解决办法；针对故障定位问题，可以通过检测发射和接收信号，计算漏缆的回波损耗值，精确定位漏缆的故障点。
5 结束语
漏缆监测系统将线路巡检人员从繁重的巡检工作解放出来。本文设计的漏缆监测系统广泛应用于GSM-R系统中监测漏缆的工作状态，漏缆监测系统的通信采用的是短信通信方式，受限于短信的发送字节数限制，通信数据量较大时被分成多条短信进行发送，影响通信速度，同时存在丢短信的风险。后续的系统设计中，考虑增加以太网通信方式，根据漏缆监测单元的安装位置，零活选择通信方式，对于网络布线容易的地区或漏缆易损的地区采用以太网通信方式，提高通信效率；对于网络布线较困难的地区采用短信通信方式，节约布线成本。
参 考 文 献
[1] 吴昊，史晓华，谷勇浩.GSM-R系统的安全策略研究与改进[J].北京交通大学学报，2009（02）.
[2] 杨焱，谈振辉，钟章队.铁路大型枢纽地区GSM-R网络无线资源的管理[J].北京交通大学学报，2010（03）.
[3] 吴冬华，王延翠，张宁，白宇.运用于京沪高铁动车组中WTD技术的改进[J].北京交通大学学报，2012（02）.
关键词：漏缆监测系统；漏缆监测单元；GSM-R
中图分类号： F530.33 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）19-154-2
0 引言
为保证铁路的行车安全，铁路要求全线无线信号无缝覆盖。我国铁路多分布在山区、丘陵地带，无线通信信号弱场覆盖多采用泄漏同轴电缆（简称漏缆）方式，漏缆线路的安全及电气性能的稳定，对无线通信系统的可靠覆盖起到至关重要的作用。因漏缆线路故障导致的无线通信信号质量下降及中断的事件屡有发生，严重影响铁路列车的运行安全。为解决漏缆线路异常引起的无线通信信号异常，本文设计的漏缆监测系统，具有漏缆线路实时监测、故障信息主动上报等功能，为通信线路维护单位及时修复漏缆故障保证无线通信系统的可靠运行提供了有利保障。
1 漏缆监测系统组成与工作原理
漏缆监测系统由网管中心、通信网络、漏缆监测单元及漏缆组成。网管中心轮询漏缆监测单元的采样数据、接收漏缆监测单元的报警信息，判断漏缆的工作状态；通信网络负责传输网管中心与漏缆监测单元之间的通信数据；漏缆监测单元具有自检测、发射信号检测和接收信号检测功能，2台漏缆监测单元可以检测一段漏缆的工作状态，系统框图如图1所示。
漏缆监测单元主要由发射模块和接收模块组成，发射模块是信号发生器，用来发射一定频率的射频信号，接收模块是信号接收器，用来检测接收到的射频信号。被检测的漏缆两端分别连接2台漏缆监测单元的发射模块和接收模块，信号在漏缆传输中存在一定的传输损耗。网管中心通过轮询方式获取2台漏缆监测单元的发射信号和接收信号，计算漏缆的实际传输损耗。同时，网管中心根据维护人员配置的漏缆特性参数计算漏缆的理论传输损耗。通过实际传输损耗和理论传输损耗的差值判断漏缆是处于正常状态、破损状态还是严重破损状态。
2 漏缆监测单元的设计
2.1 漏缆监测单元组成
漏缆监测单元由电源模块、射频模块、MCU、GPRS模块及耦合器等组成。为保证漏缆监测单元可以正常检测漏缆工作状态，漏监测单元具有自检测功能，可以检测电源掉电、电源故障、发射模块故障和接收模块故障，并主动上报漏缆监测中心。
电源采用具有掉电检测和故障检测功能的电源模块，通过电源检测管脚输出电平高低反映电源的工作状态；射频模块包括发射模块和接收模块，发射模块由一个信号发生电路组成，接收模块由一个信号检测电路组成；MCU通过RS-485与射频模块通信，获取发射功率电平和接收功率电平，通过RS-232与GPRS模块通信，GPRS模块通过短信方式与网管中心进行数据通信，各部分连接示意图如图2所示。
2.2 检测频率选择及软件实现
漏缆监测单元的频率选择基于两点考虑，首先，为实现多段检测，同一漏缆监测单元的收发模块采用不同的频率，两台漏缆监测单元的收发模块采用相同的工作频率；其次，为避免射频信号的干扰影响C网、G网设备的正常工作，同时体现GSM-R频段的特性，需要漏缆监测单元的检测频率靠近GSM-R频段；根据对漏缆的实际测试，800MHz左右的特性与GSM-R频率的特性基本一致，700MHz以下的特性与GSM-R频段特性对于故障的表现出现不一致，频率相差越大，特性相差越大。805-885MHz和935-960MHz之间的频率被C网和G网所占用，故本文设计的漏缆监测单元选用了748MHz和763MHz作为发射模块和接收模块的工作频率。
漏缆报警门限的选取需要充分考虑各类线缆材质的正常损耗，在漏缆出现异常时及时告警，同时不会因为门限设置过低而产生误告警，本文的漏缆监测系统报警的下门限为6dB，上门限为12dB。
网管中心采用网络拓扑图的方式，在配置界面中，可以配置漏缆的传输损耗（单位：dB/100m）、漏缆长度（单位：m）、漏缆的附加损耗（即接头、天馈线损耗等），通过轮询漏缆监测单元获取连接漏缆的两台漏缆监测单元的发射功能电平和接收功率电平，使用以下公式计算漏缆的理论损耗和实际损耗，进行漏缆报警判断。
理论损耗=传输损耗*电缆长度/100+附加损耗
实际损耗=发射功率电平-接收功率电平
在漏缆检测单元没有产生电源报警、发射模块故障报警和接收模块故障报警的前提下，当实际损耗-理论损耗<=下门限时，判断为漏缆工作状态正常；当下门限<实际损耗-理论损耗<=上门限时，判断为漏缆发生了一般故障；当实际损耗-理论损耗>=上门限时，漏缆发生了严重故障。
2.3 主要技术指标
检测灵敏度：≤-85dBm；
检测信号发射功率：-30dBm2dB；
漏缆最小监测长度：≤200m；
漏缆最大监测长度：≥2000m；
测量误差：≤1dB；
对GSM-R信号插入损耗：≤0.5dB；
特性阻抗：50Ω；
监测方式：GSM-R短信或RS-232；
监测协议：《GSM-R数字移动通信网设备技术规范第六部分：中继传输设备统一监控管理系统》；
电源：AC220V30%；功耗：≤20W；
工作温度：-40℃～+55℃；
相对湿度：95%（30℃）；
振动：10Hz～30Hz，0.75mm；30Hz～55Hz，0.25mm； 振动方向：正常工作方向；
外形结构：一体化铝压铸机壳，满足IP65防护等级。
3 漏缆监测单元在GSM-R中的应用
GSM-R系统中的无线信号覆盖主要使用GSM-R直放站和漏泄同轴电缆，传统的GSM-R直放站只能监控设备本身的工作状态，无法检测漏缆的工作状态，通过在GSM-R直放站中内嵌漏缆检测模块实现无线信号覆盖和漏缆检测功能。在隧道两端的漏缆，使用内嵌漏缆检测模块的直放站不经济，使用上述的漏缆监测单元。
GSM-R网络日常运营维护中，漏缆、天馈线等无源部件的故障占整个基站子系统故障的50%以上，漏缆监测系统能及时发现漏缆故障并上报监控中心，为铁路无线通信系统可靠运行及高铁行车安全提供了可靠保障，从技术手段上实现了漏缆工作状态的检测，为铁路信号系统的维护提供便利。
4 不足方面的分析
本文设计的漏缆监测系统虽然可以有效检测漏缆的工作状态，但也存在一定的不足：
①很难检测到短隧道的漏缆，因短隧道大多只有一个电源配电间（或设备间），很难解决此类漏缆监控单元的供电问题。
②不能进行故障定位。
对于供电问题，目前仍未有好的解决办法；针对故障定位问题，可以通过检测发射和接收信号，计算漏缆的回波损耗值，精确定位漏缆的故障点。
5 结束语
漏缆监测系统将线路巡检人员从繁重的巡检工作解放出来。本文设计的漏缆监测系统广泛应用于GSM-R系统中监测漏缆的工作状态，漏缆监测系统的通信采用的是短信通信方式，受限于短信的发送字节数限制，通信数据量较大时被分成多条短信进行发送，影响通信速度，同时存在丢短信的风险。后续的系统设计中，考虑增加以太网通信方式，根据漏缆监测单元的安装位置，零活选择通信方式，对于网络布线容易的地区或漏缆易损的地区采用以太网通信方式，提高通信效率；对于网络布线较困难的地区采用短信通信方式，节约布线成本。
参 考 文 献
[1] 吴昊，史晓华，谷勇浩.GSM-R系统的安全策略研究与改进[J].北京交通大学学报，2009（02）.
[2] 杨焱，谈振辉，钟章队.铁路大型枢纽地区GSM-R网络无线资源的管理[J].北京交通大学学报，2010（03）.
[3] 吴冬华，王延翠，张宁，白宇.运用于京沪高铁动车组中WTD技术的改进[J].北京交通大学学报，2012（02）.