張 捷

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上?！喂こ處煟?/p>

上海軌道交通11號線基于通信的列車控制系統(tǒng)車-地通信故障分析

張 捷

（上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上?！喂こ處煟?/p>

基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)采用獨(dú)立于軌道的車-地雙向通信設(shè)備，與列車的精確定位技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動閉塞的功能。分析了上海軌道交通11號線使用CBTC系統(tǒng)運(yùn)營以來，車-地通信設(shè)備發(fā)生的主要故障狀態(tài)及故障查找方式，介紹了具體的故障處理方法和預(yù)防措施，從預(yù)防性維護(hù)的角度對網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)提出了一個(gè)分析軟件的需求。

基于通信的列車控制系統(tǒng)；車地通信；故障分析

Author's address Shanghai Metro Maintenance Co.，Ltd.，200070，Shanghai，China

目前，基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)代表著世界城市軌道交通信號控制技術(shù)的發(fā)展方向，并成為我國城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流制式。CBTC系統(tǒng)采用獨(dú)立于軌道的車-地雙向通信設(shè)備，與列車的精確定位技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)移動閉塞的功能。列車上的車載控制器通過探測軌道上的應(yīng)答器，查找它們在數(shù)據(jù)庫中的方位，并通過測量自前一個(gè)探測到的應(yīng)答器起已行駛的距離，確定列車位置。列車車載控制器通過車-地的雙向通信，向軌旁CBTC設(shè)備報(bào)告本列列車的位置。軌旁CBTC設(shè)備根據(jù)各列車的當(dāng)前位置、速度及運(yùn)行方向等因素，同時(shí)考慮列車進(jìn)路、道岔狀態(tài)、線路限速以及其它障礙物的條件，向列車發(fā)送移動授權(quán)極限（即列車可以走多遠(yuǎn)、多快），從而保證列車間的安全間隔。車-地雙向連續(xù)通信方式作為CBTC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其穩(wěn)定性和可靠性決定了信號系統(tǒng)的性能。

1　數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

上海軌道交通11號線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）由有線及無線部分組成，原理如圖1所示。CBTC系統(tǒng)的各個(gè)部分通過冗余的光纖骨干網(wǎng)互相連接起來。一段骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了軌旁網(wǎng)絡(luò)，該軌旁網(wǎng)絡(luò)沿線路延伸。ATS（列車自動監(jiān)控）網(wǎng)絡(luò)為冗余的局域網(wǎng)，通過冗余的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接到骨干網(wǎng)。沿線車站設(shè)備與軌旁網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)連接。AP（無線接入點(diǎn)）沿線路安裝，大約每250 m安裝1個(gè)AP。每個(gè)AP無線裝置一般都有2個(gè)定向天線，分別面向線路的相反方向。為實(shí)現(xiàn)信號的冗余覆蓋，相鄰AP的信號可以重疊覆蓋整個(gè)進(jìn)路，部署間距設(shè)計(jì)為小于或等于AP的覆蓋半徑。這樣，即使單個(gè)AP（N）出現(xiàn)故障，相鄰的AP（N-1）和AP（N+1）的信號依然能覆蓋到AP（N）的空缺范圍，從而保障無線信號連續(xù)不中斷。

列車的兩端各裝備1個(gè)包含移動無線電臺（MR）的車載無線單元（OBRU）。每個(gè)MR都連接到2個(gè)定向車載天線。因?yàn)橹丿B覆蓋，所以任何時(shí)候每端的MR都能搜索到至少2個(gè)AP信號。

圖1　DCS子系統(tǒng)原理圖

上海軌道交通11號線于2009年12月31日開通CBTC后備模式運(yùn)營，2010年11月15日升級到CBTC信號系統(tǒng)，2011年3月16日實(shí)現(xiàn)CBTC列車自動駕駛，是上海軌道交通采用CBTC技術(shù)的經(jīng)典線路。11號線開通至今，經(jīng)過數(shù)次升級改造，目前運(yùn)行質(zhì)量有了很大提升，但由于設(shè)備可靠性和技術(shù)制式原因，常常會出現(xiàn)列車運(yùn)行模式丟失的情況。其原因主要由車載控制器（VOBC）與本地移動授權(quán)單元（MAU）通信丟失造成。由于列車通信不暢，聯(lián)動失效，引起列車緊急制動，降低了列車運(yùn)行效率。圖2為2011年1月至2014年5月通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營設(shè)施設(shè)備故障接報(bào)系統(tǒng)（OA）平臺統(tǒng)計(jì)的故障總數(shù)，可以看出，3年來，CBTC系統(tǒng)車載故障總數(shù)不斷降低，但通信丟失造成模式丟失故障總數(shù)基本維持原狀，因此近兩年由通信丟失引起的模式丟失故障占車載故障的比例逐漸增大。本文就車-地通信故障做詳細(xì)的說明。

圖2　CBTC系統(tǒng)相關(guān)車載故障統(tǒng)計(jì)

2.1故障情況

VOBC與本地MAU通信丟失是CBTC系統(tǒng)常見的故障，發(fā)生頻率較高。發(fā)生該故障后，列車會立刻實(shí)施緊急制動（EB），行駛模式由ATPM/ATO（列車自動防護(hù)模式/列車自動運(yùn)行）降級為RMF（限制人工向前），進(jìn)路由LMA（移動授權(quán)）變?yōu)锳MT（人工列車授權(quán)）進(jìn)路，列車包絡(luò)線擴(kuò)大，后續(xù)列車移動授權(quán)將退回至該通信丟失列車占用區(qū)段外。列車停車后需切換到WSP（軌旁信號保護(hù)）模式，進(jìn)路無法自動觸發(fā)。如果前方車站需要跳停時(shí)，此跳停信息將會丟失，列車將在跳停車站停車。此故障對正線運(yùn)營產(chǎn)生影響，極易造成列車晚點(diǎn)。圖3、圖4分別為列車通信丟失后ATS面板與TOD（車載顯示單元）顯示狀態(tài)。

圖3　ATS顯示狀態(tài)

圖4　TOD顯示狀態(tài)

2.2故障分析與查找

（1）列車兩端的MR設(shè)備同時(shí)故障。維護(hù)人員通過NMS（網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）查看SD_VOBC（車載控制器加密解密裝置）確定車載MR設(shè)備狀態(tài)，如圖5所示。如果車載MR設(shè)備故障，則NMS上將出現(xiàn)對應(yīng)車輛報(bào)警提示，維護(hù)人員根據(jù)提示進(jìn)行處理。

（2）軌旁相鄰2個(gè)AP設(shè)備同時(shí)故障，造成該覆蓋區(qū)域無線信號中斷。維護(hù)人員通過NMS查看AP Ring確定軌旁AP設(shè)備狀態(tài)，如圖6所示。如果軌旁AP設(shè)備故障，則NMS上將出現(xiàn)對應(yīng)軌旁AP設(shè)備報(bào)警提示，維護(hù)人員根據(jù)提示進(jìn)行處理。

（3）軌旁單個(gè)AP或車載單個(gè)MR設(shè)備故障時(shí)，VOBC與本地MAU通信丟失。多數(shù)情況下，通信丟失是由于軌旁AP設(shè)備定向天線的發(fā)射功率過低或定向天線的方向及仰角有所偏移造成無線覆蓋出現(xiàn)盲區(qū)；少數(shù)情況下表現(xiàn)為軌旁AP設(shè)備“假死”，即設(shè)備仍在工作，但已經(jīng)無法與列車正常通信，一旦相鄰兩個(gè)AP均處于“假死”狀態(tài)或一個(gè)處于“假死”狀態(tài)而另一個(gè)故障，通信丟失是必然的結(jié)果。以上情況軌旁AP設(shè)備在NMS上均顯示狀態(tài)正常，無故障報(bào)警，維護(hù)人員在VOBC與本地MAU通信丟失后，利用一輛通信列車對故障區(qū)域進(jìn)行Roaming測試，以判斷故障AP設(shè)備位置、信號強(qiáng)度及工作狀態(tài)。

圖5　車載MR設(shè)備狀態(tài)

圖6　軌旁AP設(shè)備狀態(tài)

3　通信丟失的處理方法

（1）車載設(shè)備處理：車載無線單元（OBRU）重啟。當(dāng)列車一端MR設(shè)備通信中斷，通知就近維護(hù)人員上車重啟MR設(shè)備。維護(hù)人員打開VOBC機(jī)柜，按壓OBRU子架SD（加密解密裝置）模塊的RST鍵，2～3 min重啟成功，通知OCC（運(yùn)營控制中心）維護(hù)人員觀測NMS上設(shè)備狀態(tài)。

（2）軌旁設(shè)備處理：AP重啟。當(dāng)AP設(shè)備失去通信，輪詢該設(shè)備一直顯示超時(shí)之后，根據(jù)AP的編號找到其所在車站，從室內(nèi)重啟該AP。打開電源屏下方柜門，按照空氣開關(guān)下方的標(biāo)簽找到故障AP的空氣斷路器，拉下開關(guān)等待2 min后再合上開關(guān)，通知OCC維護(hù)人員觀測NMS上設(shè)備狀態(tài)。

（3）運(yùn)營處理方法：①若TOD面板顯示模式正常，司機(jī)緩解EB，以正常模式繼續(xù)運(yùn)行；②若列車在ATPM/ATO模式下多次由于通信丟失造成列車施加EB，司機(jī)報(bào)行調(diào)，切除“ATC（列車自動控制）切除”旁路動車；③若TOD面板顯示模式狀態(tài)“┈”，司機(jī)報(bào)行調(diào)，建立WSP模式動車。

4　預(yù)防措施

目前，上海軌道交通已有6條CBTC運(yùn)行線路采用了無線AP設(shè)備，還有5條ATC線路在停車場、車站等處采用了無線AP設(shè)備，而無線通信相關(guān)監(jiān)測還是空白，尤其在地下空間范圍內(nèi)，缺乏有效的信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。國內(nèi)外在這方面的研究不多，通常采用頻譜分析儀、無線信號分析儀進(jìn)行信號質(zhì)量的定期檢測。Agilent和Tektronix公司走在前列，其大中型設(shè)備在信號的路測、路檢方面有應(yīng)用，但因地鐵隧道信號傳輸模式、反射、多徑效應(yīng)復(fù)雜，車輛正常走行時(shí)對信號的影響無法通過路測儀進(jìn)行檢測。

AP設(shè)備位于軌旁，包括AP、天線（包含安裝支架）、同軸電纜、放大器、功分器、電源和其它附件。其中AP的日常維護(hù)主要是測試AP天線的發(fā)射功率。維護(hù)時(shí)，利用電腦和配置AP的串口編程電纜登錄疑似故障AP，進(jìn)入診斷模式，選擇任意固定頻點(diǎn)使AP連續(xù)發(fā)射射頻信號，隨后將掃柄天線和頻譜分析儀正確連接，將掃柄天線的天線面緊貼AP天線，觀察頻譜分析儀測試出的天線輸出功率是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

為有效控制由列車兩端的MR設(shè)備均故障及相鄰軌旁AP設(shè)備故障引起的VOBC與本地MAU通信丟失的故障，維護(hù)人員經(jīng)過幾年的經(jīng)驗(yàn)累積，采取了基于Roaming測試的預(yù)防性維護(hù)策略。即通過周期性的進(jìn)行Roaming測試，收集軌旁AP設(shè)備信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)異常，則及時(shí)查找原因并進(jìn)行排除，從而有效降低因無線覆蓋盲區(qū)造成的通信丟失的概率。Roaming測試作為現(xiàn)階段檢查通信的首要手段，主要用于驗(yàn)證線路沿線的無線信號覆蓋。它需要測量每個(gè)無線設(shè)備的RSSI值，以此證明整個(gè)線路上的列車都被AP傳播的無線信號所覆蓋，同時(shí)要檢查OBRU與AP之間的通信并驗(yàn)證可以接受。

對于由AP“假死”引起的通信丟失故障的預(yù)防維護(hù)，可通過定期查看MNS工作站上AP與列車的通信狀態(tài)來進(jìn)行，比較簡單卻繁瑣。如上海軌道交通11號線全線共有15個(gè)AP子環(huán)，616個(gè)AP，即每個(gè)子環(huán)有近40個(gè)AP；如果要觀察每個(gè)AP與列車的通信狀態(tài)，一個(gè)AP需要5 min來判斷其運(yùn)行狀態(tài)，則每天無法覆蓋所有AP狀態(tài)判斷，因此維護(hù)難度較高。針對這種情況，信號系統(tǒng)供應(yīng)商曾提供過一個(gè)解決方案：在NMS工作站上增加一個(gè)軟件腳本，對所有AP的數(shù)據(jù)交換狀態(tài)進(jìn)行輪詢監(jiān)控，輪詢一定時(shí)間后，如發(fā)現(xiàn)長時(shí)間沒有與列車進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的AP，則對其進(jìn)行強(qiáng)制重啟。但此方案有一定的風(fēng)險(xiǎn)，例如，多個(gè)AP同時(shí)重啟可能會造成網(wǎng)絡(luò)波動；SD硬件問題會引起主備機(jī)互切，導(dǎo)致某個(gè)或多個(gè)集中站的ZC（區(qū)域控制器）跳紅，運(yùn)行模式降為后備模式。

從維護(hù)需求出發(fā)，現(xiàn)階段需要一個(gè)針對NMS上的日志信息建立日志分析的軟件，要求能提供日期、AP編號、車站等信息的篩選功能，故障程度也能用顏色來區(qū)分。

5　結(jié)語

CBTC是一種比較新型的信號設(shè)備，經(jīng)受考驗(yàn)的年份不長，不斷有新問題出現(xiàn)，這給維護(hù)人員的日常工作提出了更高的要求。為降低設(shè)備故障發(fā)生的頻率，需結(jié)合設(shè)備的實(shí)際使用情況，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，摸索各種有效的故障排查方法，通過預(yù)防性維護(hù)的技術(shù)策略與管理手段，有效提高設(shè)備的維護(hù)質(zhì)量。

［1］ 馮麗娟.CBTC系統(tǒng)車載信號常見故障分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011（2）：39.

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［3］ 肖彥博.談城軌交通CBTC系統(tǒng)故障歸類及其設(shè)計(jì)應(yīng)對策略［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2011（3）：12.

［4］ 劉曉娟.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2009.

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Analysis of Vehicle/Ground Communication Fault of Shanghai Metro Line 11 Based on CBTCSystem

Zhang Jie

CBTCsystem adopts vehicle/ground bi-directional communication equipment independent of the track，which combines with the precise location technology of trains and realizes the moving block function.In this paper，the state of main faults and the detection method of the vehicle/ground communication equipment after the opening of Shanghai metro Line 11 installed with CBTCsystem are analyzed，the troubleshooting methods and the preventive measures are introduced.From the angle of preventive maintenance for NMS（network management system），a requirement for analysis software is proposed.

CBTCsystem；vehicle/ground communication；fault analysis

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2015.07.019

2014-06-20）