湯春燕

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司，上海 200070）

自2007 年12 月29 日，泰雷茲CBTC 系統(tǒng)在上海地鐵試運(yùn)行后，CBTC 系統(tǒng)得到迅速發(fā)展和普遍應(yīng)用。自該系統(tǒng)投用以來(lái)，已有十多個(gè)年頭，隨之而來(lái)的是設(shè)備老化導(dǎo)致的故障頻發(fā)，特別是AP設(shè)備，大部分故障都集中發(fā)生在高架段，設(shè)備暴露在露天環(huán)境中日曬雨淋，無(wú)疑加劇了設(shè)備老化的速度，因此在維護(hù)方面需要投入更多的人力物力。同時(shí)，在CBTC 實(shí)際運(yùn)用中由于地鐵線路電磁環(huán)境的復(fù)雜化，造成車地之間的無(wú)線通信故障頻繁，致使地鐵安全運(yùn)行問題受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

1 車地通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在線路上行進(jìn)的列車會(huì)通過連續(xù)的無(wú)線連接與AP 進(jìn)行通信，IEEE 802.11 通過其MAC 設(shè)備進(jìn)行鏈接鑒定、MR 的連接和再連接，以期與軌旁（有線）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這意味著列車能夠在軌旁無(wú)線覆蓋區(qū)域間移動(dòng)，而不丟失與軌旁網(wǎng)絡(luò)的連通性。在列車以高達(dá)100 km/h 的速度沿著線路運(yùn)行時(shí)，AP 與AP 交接時(shí)報(bào)文丟失率可降至0.5%。所丟失的報(bào)文可以根據(jù)IEEE 802.11 協(xié)議簡(jiǎn)單重新傳送。DCS 允許同一區(qū)域（通常由一個(gè)AP 或者幾個(gè)相連的AP 確定）內(nèi)有多列車，還可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層（IP）功能，支持對(duì)一列車、一組列車或者所有列車有選擇地進(jìn)行通信，如圖1 所示。

圖1 車－地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Train-ground wireless network architecture

每個(gè)AP 無(wú)線裝置一般都有兩個(gè)定向天線，并分別面向線路的相反方向，即相鄰WRU 的信號(hào)可以重疊覆蓋整個(gè)進(jìn)路，如圖2 所示。這種重疊提供了軌旁無(wú)線信號(hào)的冗余，如果一個(gè)WRU 或者隔一個(gè)WRU 交替發(fā)生故障，都能確保連續(xù)的無(wú)線覆蓋。這種對(duì)每個(gè)列車方向的冗余確保列車在所有情況下不會(huì)受到臨近線路上運(yùn)行列車的不利影響。

圖2 冗余無(wú)線覆蓋Fig.2 Redundant wireless coverage

2 車地通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

上海地鐵6、7、8、9、11 號(hào)線采用泰雷茲CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，信號(hào)系統(tǒng)車地通信業(yè)務(wù)采用基于IEEE 802.11 協(xié)議的2.4 GHz 公用頻段自由無(wú)線覆蓋方案；線路軌旁AP 設(shè)備共2 126 套，架設(shè)在露天段的AP 設(shè)備525 套。通過對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而掌握運(yùn)營(yíng)過程中車地通信穩(wěn)定性及對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，現(xiàn)將2017 年11 月至2018 年3 月發(fā)生的車地通信故障數(shù)據(jù)分析匯總，如表1 所示。

表1 通信丟失及運(yùn)營(yíng)影響統(tǒng)計(jì)圖Tab.1 Statistical chart of communication loss and operation impact

從數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)車地通信不暢的情況在泰雷茲各CBTC 線路均有發(fā)生，且對(duì)運(yùn)營(yíng)都造成了一定程度的影響，主要集中在露天段。

3 車地通信丟失的主要原因

3.1 設(shè)備性能降低

軌旁AP 設(shè)備硬件故障率逐年提升，主要為在露天段AP 天線、功分器、射頻纜接頭等設(shè)備在經(jīng)歷常年的日曬雨淋、氣溫變化等環(huán)境因素影響下，其設(shè)備密封性能變差造成設(shè)備內(nèi)部積水，腐蝕等問題，從而對(duì)軌旁AP 設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，近年來(lái)由于車地通信不暢導(dǎo)致各類影響運(yùn)營(yíng)的故障頻繁發(fā)生。

3.2 外界干擾

由于上海地鐵CBTC 無(wú)線通信系統(tǒng)使用的是2.4 GHz 頻段屬于非牌照頻段，該頻段對(duì)大量短距離微功率通信系統(tǒng)、微波爐、專用醫(yī)療器械開放，因此隨著智能終端和Wi-Fi 接入的普及，該頻段電磁環(huán)境承載壓力巨大。對(duì)于上海地鐵數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)造成干擾的主要干擾源為其他運(yùn)營(yíng)商的基站，其基站緊鄰高架段軌道兩側(cè)，線路地下段的其他運(yùn)營(yíng)商基站更是與地鐵AP 設(shè)備并列分布在隧道壁上，如圖3、4 所示，根本無(wú)法徹底切斷干擾。2018 年上海11 號(hào)線（以下簡(jiǎn)稱11 號(hào)線）發(fā)生多次由于外界無(wú)線信號(hào)干擾造成的軌旁AP 設(shè)備熱重啟現(xiàn)象，導(dǎo)致列車通過該區(qū)域車地通信不暢。

4 故障對(duì)策

4.1 提高設(shè)備性能

圖3 其他運(yùn)營(yíng)商的基站 （高架段）Fig.3 Base stations of other operators (elevated section)

圖4 其他運(yùn)營(yíng)商的基站 （隧道內(nèi)）Fig.4 Base stations of other operators (in tunnel)

對(duì)高架線路處的AP 發(fā)射功率偏低的設(shè)備進(jìn)行整治維護(hù)，對(duì)明顯存在設(shè)備老化造成的各類硬件問題更換AP 天線、同軸電纜等硬件，預(yù)防故障發(fā)生，提高軌旁AP 設(shè)備可用性，確保車地?zé)o線通信質(zhì)量。以11 號(hào)線嘉定新城至白銀路區(qū)段為例，如圖5 所示，對(duì)該區(qū)段AP 逐一排查，進(jìn)行AP 整治。

對(duì)相應(yīng)AP 進(jìn)行整改維修：AP0309 關(guān)聯(lián)數(shù)70，更換600 纜，拆除衰減器。AP0313 關(guān)聯(lián)數(shù)正常但是warm start 重啟數(shù)40，拆除衰減器，并更換radio 板卡。AP0401 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)正常，但從網(wǎng)絡(luò)抓包看數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸量少，更換交換機(jī)和radio 板卡。AP0312 現(xiàn)場(chǎng)radio 端頻率偏小，天線端頻率正常，后更換其radio 板卡。整治前后AP 的關(guān)聯(lián)數(shù)有較大改善，如表2 所示。

多數(shù)AP 在整改之后，其熱重啟數(shù)和關(guān)聯(lián)數(shù)均有不同程度的改善。但個(gè)別AP 經(jīng)過整改后，其信號(hào)接收能力提升，同時(shí)也更容易接收到干擾信號(hào)，導(dǎo)致整改后這些AP 的熱重啟次數(shù)上升，對(duì)此需進(jìn)一步進(jìn)行干擾信號(hào)測(cè)試，保證地鐵信號(hào)穩(wěn)定。

4.2 過濾外部干擾源

通過對(duì)NMS 日志分析，針對(duì)熱重啟次數(shù)較多的AP，且每天發(fā)生熱重啟的地點(diǎn)固定，可判斷為內(nèi)部radio 板卡老化或是周圍存在其他供應(yīng)商基站干擾，導(dǎo)致AP 頻繁重啟而引起車地通信問題。以超過20次/天的列為跟蹤對(duì)象，其中AP2415 的熱重啟次數(shù)最多，其次則為AP3304 和AP2701，如表3 所示。

目前采用對(duì)AP 安裝帶通濾波器來(lái)過濾外部信號(hào)，利用頻譜儀對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量記錄，數(shù)據(jù)如圖6 所示，AP3304 熱重啟次數(shù)明顯下降，區(qū)段通信丟失也大幅降低。

從上述說明可以看出，即使采用抗干擾能力較強(qiáng)的IEEE 802.11 協(xié)議FHSS 調(diào)頻方案的車地通信，在面對(duì)電磁場(chǎng)環(huán)境惡化或強(qiáng)干擾源時(shí)，也會(huì)發(fā)生信號(hào)丟失，因此加強(qiáng)線路無(wú)線CBTC 系統(tǒng)電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè), 制定預(yù)案，有助于更好的提高CBTC 信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4.3 增加arp協(xié)議優(yōu)化通信質(zhì)量

對(duì)AP 交 換 機(jī) 增 加arp 協(xié) 議（Rate Limit 設(shè)置），將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備（軌旁AP 與車載SA）的IP 和MAC 地址對(duì)應(yīng)關(guān)系添加到防火墻中，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)地址綁定，固定數(shù)據(jù)的傳輸流向，避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)“走多余的路”。從而保證通訊數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)暢通，降低其他因素的影響，VOBC 與MAU 之間丟失通信從之前兩小時(shí)384 次降低到如今一天只有26次，很大程度上提高了車地通信成功率。

4.4 建立數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)效機(jī)制

利用網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）中記錄的AP 日志，通過建立數(shù)據(jù)模型，結(jié)合故障趨勢(shì)，可以預(yù)判設(shè)備狀態(tài)，提前維護(hù)存在隱患的設(shè)備，形成AP 設(shè)備的長(zhǎng)效維護(hù)機(jī)制，進(jìn)一步預(yù)防故障的發(fā)生。每月分析AP 熱重啟情況，根據(jù)日均重啟次數(shù)將AP 設(shè)備分為3 個(gè)等級(jí)（20 ～50 次為三級(jí)，50 ～80 次為二級(jí)，80 次以上為一級(jí)），重點(diǎn)監(jiān)控高等級(jí)區(qū)域，并建立問題跟蹤機(jī)制。以上海地鐵11 號(hào)線為例，設(shè)備情況具體如表4 所示。

通過NMS 日志將2019 年12 月數(shù)據(jù)與上一個(gè)月的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)AP0311、AP0804、AP1101、AP1616 連續(xù)多月熱重啟數(shù)過多，呈上升趨勢(shì)，需進(jìn)行整治；AP0310、AP0409、AP0602、AP1118 熱重啟次數(shù)有明顯增加且呈上升趨勢(shì)，需對(duì)這些AP進(jìn)行PICO 測(cè)試；AP0726 熱重啟次數(shù)從22 日起突然猛增，此AP 位于洞下段可加裝濾波器改善問題。這套維護(hù)機(jī)制運(yùn)作一年多，2019 年全年此類故障數(shù)較2018 年下降了93%，設(shè)備穩(wěn)定性大大提升。

圖5 嘉定新城至白銀路線路圖Fig.5 Jiading New Town-Baiyin Road line diagram

表2 嘉定新城至白銀路AP關(guān)聯(lián)數(shù)整治前后對(duì)比Tab.2 Comparison of AP correlation number of Jiading New Town-Baiyin Road before and after treatment

表3 AP熱重啟統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of AP hot restart

圖6 AP3304熱重啟趨勢(shì)圖Fig.6 Hot restart trend of AP3304

5 結(jié)束語(yǔ)

地鐵作為城市軌道交通系統(tǒng)的一部分，對(duì)緩解城市交通壓力、實(shí)現(xiàn)列車高速、可靠、安全的運(yùn)行起著重要的作用。軌道交通設(shè)置列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的目的：一是確保運(yùn)行安全；二是提高運(yùn)營(yíng)效率。本文對(duì)當(dāng)前上海地鐵泰雷茲信號(hào)系統(tǒng)的CBTC 線路車地通信故障進(jìn)行研究分析，通過硬件、軟件、電磁環(huán)境等方面的改進(jìn)，以期在目前技術(shù)基礎(chǔ)上，提高上海地鐵信號(hào)系統(tǒng)的安全和可靠性，滿足城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展的需要，對(duì)節(jié)約軌道交通建設(shè)的投資、提高運(yùn)輸效率、提高運(yùn)營(yíng)品質(zhì)等方面都具有重大意義。

表 4 各車站熱重啟等級(jí)
Tab.4 Hot restart level of the stations

熱重啟等級(jí) AP 車站一級(jí) AP1616 上海西站二級(jí)AP0311 白銀路站AP0726 昌吉東路站AP0804 上海賽車場(chǎng)站三級(jí)AP0107 嘉定北站AP0212 嘉定西站AP0213 嘉定西站AP0214 嘉定西站AP0302 白銀路站AP0306 白銀路站AP0310 白銀路站AP0407 嘉定新城站AP0409 嘉定新城站AP0411 嘉定新城站AP0602 上海汽車城站AP0903 馬陸站AP0913 馬陸站AP1101 陳翔公路站AP1114 南翔站AP1118 南翔站AP3104 浦三路站AP4102 兆豐路站AP4103 兆豐路站APTT16 川楊河試車線

[3]陶小婧.上海軌道交通CBTC 系統(tǒng)無(wú)線車地通信研究及通信異常分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，31(2)：149-153.Tao Xiaojing. Analysis on Wireless TWC and Abnormal Communication for CBTC System of Shanghai Rail Transit[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2017, 31(2):149-153.

[4]連健.城市軌道交通通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2010(2):30.

[5]黃文彥.淺談CBTC 系統(tǒng)中的車-地通信技術(shù)[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2009，6（2）：38-40.Huang Wenyan. Discussion on Train-Track Communication of CBTC System[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2009,6(2): 38-40.

[6]顧裕.城市軌道交通車地?zé)o線通信的應(yīng)用初探[J].當(dāng)代化工研究，2017(12):144-145.Gu Yu. The Preliminary Application of Vehicle-Ground Wireless Communication in Urban Rail Transit[J]. Modern Chemical Research, 2017(12):144-145.

[7]李偉，楊淼，戴慧玲.淺析地鐵CBTC 無(wú)線系統(tǒng)受Wi-Fi 干擾帶來(lái)的啟示[J].數(shù)字通信世界，2014(8):60-63.Li Wei, Yang Sen, Dai Huiling. An Analysis of the Enlightenment from CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi[J]. Digital Communication World, 2014(8): 60-63.

[8]湯璐詰，錢劍敏，梁鑒如.基于無(wú)線通信技術(shù)的CBTC 信號(hào)系統(tǒng)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，25（3）：217-220.Tang Lujie, Qian Jianmin, Liang Jianru.CBTC Signalling System Based on Mobile Communication Technology[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2011, 25(3):217-220.