張 燚

(成都地鐵運(yùn)營有限公司，610058，成都 ∥ 高級(jí)工程師)

1 信號(hào)系統(tǒng)車載設(shè)備常見故障統(tǒng)計(jì)

成都地鐵1號(hào)線、2號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)是眾合科技的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，已投入使用約8～9年。該CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備主要由司機(jī)顯示屏(TOD)、ATP/ATO(列車自動(dòng)保護(hù)/列車自動(dòng)運(yùn)行)機(jī)籠、查詢器主機(jī)(TI)、信標(biāo)讀取天線、移動(dòng)無線設(shè)備(MR)及天線、模擬加速度計(jì)、數(shù)字加速度計(jì)、速度傳感器、電源濾波板(BCB)、安全繼電器等組成。

從成都地鐵1號(hào)線、2號(hào)線近3年信號(hào)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，車載設(shè)備故障約占信號(hào)系統(tǒng)故障總數(shù)的75%，占比最高。2017年1月至2019年6月成都地鐵1號(hào)線、2號(hào)線車載故障原因分類統(tǒng)計(jì)如圖1所示。由圖1可見，車地?zé)o線通信中斷、車地?zé)o線通信鏈路異常、丟失信標(biāo)(讀取信標(biāo)失敗)、加速度計(jì)自鎖是車載信號(hào)設(shè)備故障中最為常見的故障，因此，解決這四大難題是迫在眉睫的任務(wù)，做好這四大常見故障的深入分析和整改尤為重要。

圖1 2017年1月至2019年6月成都地鐵1號(hào)線、2號(hào)線車載故障原因分類統(tǒng)計(jì)圖

2 車地?zé)o線通信中斷原因分析及解決方案

車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)是溝通車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的渠道，實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用IEEE 802.11 g的WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)。發(fā)生車地?zé)o線通信雙網(wǎng)中斷超過3 s時(shí)，ZC(區(qū)域控制中心)發(fā)給該列車的移動(dòng)授權(quán)會(huì)被回收，列車定位丟失，進(jìn)而導(dǎo)致緊急制動(dòng)(EB)，列車以非ATO模式運(yùn)行；無線通信恢復(fù)后，可升級(jí)為ATO模式運(yùn)行。

2.1 車地?zé)o線通信中斷原因分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，造成車地?zé)o線通信中斷的主要原因是無線干擾，其干擾形式主要是阻塞干擾和交調(diào)干擾。

1) 阻塞干擾：是由通信運(yùn)營商的通信基站發(fā)射的高功率E頻段造成的阻塞干擾。通過測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，中國移動(dòng)的2.3 GHz頻段4G(第4代移動(dòng)通信技術(shù))信號(hào)和2.5 GHz頻段5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))信號(hào)，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)使用的2.4 GHz頻段均有顯著的影響，抬升了CBTC系統(tǒng)中車地?zé)o線通信2.4 GHz頻段的空口占用率，超過了空口占有率小于20%的要求。

2) 交調(diào)干擾：中國移動(dòng)的2.3 GHz頻段4G信號(hào)和2.5 GHz頻段5G信號(hào)同時(shí)存在時(shí)，產(chǎn)生的交調(diào)信號(hào)對(duì)CBTC系統(tǒng)中車地?zé)o線通信2.4 GHz頻段的空口占用率影響較大，尤其是當(dāng)運(yùn)營商的無線通信基站安裝在區(qū)間的POI(多系統(tǒng)合路平臺(tái))處時(shí)，空口占用率抬升約20%～30%。

2.2 無線干擾問題解決方案

根據(jù)多起案例分析和現(xiàn)場(chǎng)處理情況，目前主要是通過調(diào)整軌旁AP(無線接入點(diǎn))速率、加裝濾波器、調(diào)整優(yōu)化AP位置和功率等方式解決無線干擾的問題。

1) 調(diào)整車地?zé)o線通信設(shè)備參數(shù)。通過將干擾區(qū)域軌旁AP速率由9.0 Mbit/s調(diào)至5.5 Mbit/s,將車載MR調(diào)整為9.0 Mbit/s和5.5 Mbit/s，提高抗干擾能力。表1為成都地鐵2號(hào)線某站車載MR與軌旁AP速率調(diào)整前后信噪比值對(duì)比表。由表1可見，調(diào)整后的信噪比(SNR)小于20 dB的次數(shù)明顯減少。

表1 成都地鐵2號(hào)線某站車載MR和軌旁AP速率調(diào)整前后SNR值對(duì)比表

2) 在車載MR和軌旁AP上加裝帶通濾波器，放大2.400～2.483 GHz間的信號(hào)，濾除其他頻段的信號(hào)，減少阻塞干擾，提高抗干擾能力。

3) 在通信運(yùn)營商POI設(shè)備上加裝帶阻濾波器，同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)營商，適當(dāng)降低鄰近地鐵線路基站的發(fā)射功率，以減小對(duì)車地?zé)o線通信的影響。

4) 在地鐵車站和列車客室內(nèi)引入公共服務(wù)Wi-Fi熱點(diǎn)，減少個(gè)人熱點(diǎn)源的干擾。

3 車地?zé)o線通信鏈路異常原因分析及解決方案

車地通信鏈路主要是ZC與車載CC(車載控制器)主機(jī)間數(shù)據(jù)通信鏈路，路徑為：車載CC主機(jī)→MR及MR天線→AP天線及饋線→AP及光電轉(zhuǎn)換器→接入和骨干交換機(jī)→光傳輸平臺(tái)→骨干交換機(jī)等→ZC。車地通信鏈路中的高發(fā)故障主要是車載CC主機(jī)與MR間、MR與AP間通信異常。當(dāng)車地通信鏈路雙網(wǎng)中斷超過3 s時(shí)，ZC發(fā)給該列車的移動(dòng)授權(quán)會(huì)被收回，同樣會(huì)導(dǎo)致列車EB，信號(hào)模式不可用。車地通信鏈路異常時(shí)恢復(fù)通信的概率非常小，故障后列車以非ATO模式運(yùn)行，常常引起列車晚點(diǎn)，影響運(yùn)營效率。

3.1 車地通信鏈路異常原因分析

判斷CC主機(jī)與MR間是否通信不良時(shí)，常常通過Frontam(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元)工作站調(diào)閱ESE(車載交換板)、MR等是否有報(bào)警信息的方式來確認(rèn)。通過TOD上顯示的異常圖標(biāo)或報(bào)警提示，也可分析判斷CC主機(jī)與MR通信是否中斷。其中ESE板宕機(jī)是CC主機(jī)與MR通信異常的主要原因。

MR與AP間通信異常時(shí)，常常通過測(cè)試AP功率、丟包率、無線場(chǎng)強(qiáng)等方式，并會(huì)同車載日志綜合分析，確定MR與AP間通信是否異常。AP輸出功率低會(huì)直接降低車地通信質(zhì)量，而無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋不均也會(huì)使MR關(guān)聯(lián)AP受影響。AP天線長(zhǎng)期在室外工作，受環(huán)境、震動(dòng)等影響，天線方向可能會(huì)出現(xiàn)偏移，天線腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致性能降低，這些因素常常會(huì)降低車地通信質(zhì)量。

零部件的老化會(huì)造成車載各板件、軌旁AP設(shè)備的電氣性能降低，從而導(dǎo)致車地通信質(zhì)量降低。同時(shí)車載復(fù)雜電磁干擾、板件上灰塵等微小顆粒物也會(huì)加大板卡異常工作的概率。

3.2 車地通信鏈路異常問題解決方案

在處理車地通信鏈路故障中，主要通過優(yōu)化AP功率、調(diào)整AP位置或技改升級(jí)換代等方式解決。

1) 軌旁AP位置和功率優(yōu)化。根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景，優(yōu)化調(diào)整地面AP點(diǎn)的位置。AP分布間距為200 m左右，彎道處分布間距約150 m，高架、共線路段、線路交叉坡道路段等環(huán)境，根據(jù)實(shí)際情況確定AP數(shù)量和間距。同時(shí)，調(diào)整AP功率達(dá)到無線場(chǎng)強(qiáng)全覆蓋。在地下“一洞雙線”區(qū)域，調(diào)整上下行AP功率，防止無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋不均導(dǎo)致的上下行互擾。

2) 定期重啟MR和AP。MR通過列車停運(yùn)后斷電已達(dá)到重啟目標(biāo)。定期重啟AP，防止出現(xiàn)“假死”狀態(tài)，提高AP可靠性。

3) 均衡分配AP注冊(cè)控制器數(shù)量。控制器中某些注冊(cè)AP數(shù)量較多，導(dǎo)致控制器CPU和內(nèi)存占有率均較高，影響設(shè)備穩(wěn)定性。

4) 當(dāng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)某一個(gè)或離散幾個(gè)AP通信質(zhì)量降低時(shí)，調(diào)整AP八木天線方向和角度，可部分解決車地通信質(zhì)量低的問題。當(dāng)Frontam工作站出現(xiàn)ESE板卡報(bào)警時(shí)，重新刷寫板卡程序，可部分解決ESE板程序宕機(jī)的問題。

5) 車地通信功能和性能是城市軌道交通所面臨的挑戰(zhàn)，目前LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))技術(shù)已日趨成熟，如條件允許可將早期WLAN技術(shù)替代為L(zhǎng)TE-M技術(shù)。

6) 制定車地?zé)o線通信相關(guān)設(shè)備的大中修規(guī)程，及時(shí)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行更換或換代。定期對(duì)CC機(jī)籠和AP箱內(nèi)進(jìn)行除塵，同時(shí)做好屏蔽地線的測(cè)試和檢查，確保環(huán)境良好。

4 丟失信標(biāo)原因分析及解決方案

信標(biāo)是安裝在軌道沿線并反映線路絕對(duì)位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)通過接收車載天線傳遞的載頻能量獲得電能使地面信標(biāo)中的信號(hào)發(fā)生器工作，將存儲(chǔ)在信標(biāo)中的數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送至列車上。丟失信標(biāo)(即讀取信標(biāo)失敗)會(huì)導(dǎo)致列車定位丟失，導(dǎo)致列車EB，影響運(yùn)營效率。

4.1 丟失信標(biāo)原因分析

丟失信標(biāo)主要原因?yàn)門I及信標(biāo)讀取天線(TIA)輸出特性變化導(dǎo)致其無法正常讀取地面信標(biāo)指示的絕對(duì)位置，當(dāng)列車不確定度大于30 m時(shí)產(chǎn)生EB。根據(jù)車載讀標(biāo)工作原理分析可知，輸出功率變化的原因主要涉及到TI、衰減器、同軸電纜和TIA硬件電氣和機(jī)械特性不良。

TI不良的主要原因是內(nèi)部電子設(shè)備老化且受車載電磁干擾，電氣特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出載波功率頻率發(fā)生變化，TI發(fā)射功率會(huì)超過20～40 W標(biāo)準(zhǔn)。衰減器不良的主要原因是其內(nèi)部電容老化，輸出特性波動(dòng)、輸出功率超標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致地面信標(biāo)天線接收到信號(hào)后，線圈產(chǎn)生的電壓不足以驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)送報(bào)文。TIA不良的主要原因是輸出阻抗不匹配導(dǎo)致輸出功率降低，同時(shí)TIA機(jī)械特性不良，如安裝高度不滿足(300±10) mm，天線中心線與車輛中心線誤差超過±5 mm、縱向發(fā)射夾角小于120°，橫向發(fā)射夾角小于90°，以及安裝工藝不達(dá)標(biāo)等變化也會(huì)導(dǎo)致讀取距離不符合要求。對(duì)于同軸電纜，主要是其接頭工藝不符要求導(dǎo)致輸出特性變化，無法與地面信標(biāo)正常通信。

4.2 丟失信標(biāo)問題解決方案

由上述分析可見，有必要對(duì)TI及TIA輸出功率變化、輸出頻率變化和讀標(biāo)距離這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，提前對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)做出預(yù)判，達(dá)到降低故障的目的。當(dāng)無法實(shí)施監(jiān)測(cè)時(shí)，可定期對(duì)其進(jìn)行電氣特性和機(jī)械特性測(cè)試，并結(jié)合車載日志進(jìn)行趨勢(shì)分析。根據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果，適當(dāng)進(jìn)行零部件更換或?qū)嵤┐笾行?，從而提高讀標(biāo)性能。

5 加速度計(jì)自鎖原因分析及解決方案

加速度計(jì)為兩套，兩套互為冗余，每套由兩個(gè)不同類型的加速度計(jì)組成。CC在接收加速度信息時(shí)，需要通過這兩套設(shè)備交叉檢查測(cè)量來保證數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)安全性。當(dāng)加速度測(cè)量無效時(shí)，CC能繼續(xù)測(cè)量列車的速度和列車的位移。在滑行情況下，不能以加速計(jì)測(cè)量的方式進(jìn)行速度補(bǔ)償，因?yàn)檫@會(huì)嚴(yán)重影響CC對(duì)列車位置不確定度的計(jì)算，不確定度超過閾值時(shí)，列車定位丟失、發(fā)生EB。

5.1 加速度計(jì)自鎖原因分析

車載子系統(tǒng)選用模擬加速度計(jì)(AACC)和數(shù)字加速度計(jì)(SACC)兩種類型，兩種加速度計(jì)各自測(cè)量結(jié)果通過科學(xué)的融合算法整合為列車加速度。當(dāng)加速度計(jì)模塊失效時(shí)，列車定位誤差無法修正；當(dāng)定位誤差較大時(shí)，即出現(xiàn)列車定位丟失。加速度計(jì)測(cè)速值校驗(yàn)?zāi)K工作原理如圖2所示。

圖2 加速度計(jì)測(cè)速值校驗(yàn)?zāi)K工作原理圖

一套加速度計(jì)模塊由2個(gè)AACC和2個(gè)SACC組成，如圖3所示。根據(jù)加速度計(jì)容錯(cuò)機(jī)制，任意一個(gè)加速度計(jì)故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加速度計(jì)模塊失效，而當(dāng)2個(gè)加速度計(jì)同時(shí)故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加速度計(jì)模塊失效。根據(jù)加速度計(jì)模塊內(nèi)部組合原理，當(dāng)2個(gè)加速度計(jì)同時(shí)故障的組合方式不是AACC1和SACC2、AACC2和SACC1、AACC1和SACC1時(shí)會(huì)導(dǎo)致加速度計(jì)模塊失效。

圖3 加速度計(jì)模塊實(shí)物

5.2 加速度計(jì)自鎖問題解決建議

根據(jù)以上分析，提出3點(diǎn)解決加速度計(jì)自鎖問題的建議：一是建議取消加速度計(jì)模塊，選用其它更為可靠方式替代加速度計(jì)模塊的非線性功能；二是實(shí)現(xiàn)4個(gè)加速度計(jì)的在線監(jiān)測(cè)，以預(yù)防此類故障發(fā)生；三是優(yōu)化加速度計(jì)內(nèi)部組合及算法，提高加速度計(jì)的可靠性。