朱 俊

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 201103， 上?！喂こ處?

2020年7月1日16：00，上海軌道交通9號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“9號(hào)線”)列車在松江新城站至佘山站上下行區(qū)段發(fā)生CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)通信丟失故障，直接影響該線晚高峰運(yùn)營(yíng)；該線的肇嘉浜路站、徐家匯站、桂林路站、漕河涇開發(fā)區(qū)站等車站因客流積壓先后采取了大客流管控措施，造成了較大的社會(huì)影響。本文對(duì)此次CBTC故障的原因進(jìn)行深入分析。

1 故障案例的基本信息

CBTC系統(tǒng)是經(jīng)實(shí)踐證明的先進(jìn)的列車控制技術(shù)，通過(guò)無(wú)線通信鏈路連接列車控制系統(tǒng)中的車載設(shè)備、軌旁設(shè)備，以及運(yùn)營(yíng)控制中心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)軌道沿線與運(yùn)行列車之間的雙向通信，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地傳送列車的控制信息。CBTC系統(tǒng)的無(wú)線通信部分由信號(hào)系統(tǒng)集成商進(jìn)行集成建設(shè)。目前，上海城市軌道交通線網(wǎng)中采用CBTC的線路，其無(wú)線通信均采用了Wi-Fi(無(wú)線保真)技術(shù)。9號(hào)線CBTC系統(tǒng)由上海電氣泰雷茲開發(fā)建設(shè)，該系統(tǒng)在軌旁無(wú)線AP(接入點(diǎn))和車載SA(站點(diǎn))之間提供多條冗余的Wi-Fi鏈路，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。若車地通信的故障時(shí)間超過(guò)3 s，列車將會(huì)減速；若超過(guò)12 s仍沒(méi)有恢復(fù)移動(dòng)授權(quán)，則列車會(huì)立即施加緊急制動(dòng)，以保證行車安全。

9號(hào)線本次故障區(qū)段為地上區(qū)段。CBTC系統(tǒng)故障發(fā)生后，通過(guò)技術(shù)排查和分析，確定存在外部信號(hào)干擾，導(dǎo)致故障區(qū)段內(nèi)多個(gè)軌旁AP無(wú)法正常工作，列車進(jìn)入被干擾區(qū)域后CBTC系統(tǒng)車地通信完全中斷。在相關(guān)政府部門的協(xié)助下，上海城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理單位于7月2日凌晨定位到外部干擾源。在屏蔽了外部的干擾源后，9號(hào)線CBTC系統(tǒng)于7月2日運(yùn)營(yíng)開始前恢復(fù)正常運(yùn)行。

2 故障原因分析

2.1 9號(hào)線CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信工作原理

如圖1所示，9號(hào)線CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信基于IEEE(電氣電子工程師協(xié)會(huì))制定的WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2 402～2 480 MHz，通過(guò)偽隨機(jī)方式在79 MHz工作頻段內(nèi)進(jìn)行跳躍，載波帶寬為1 MHz。根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)中的CSMA/CA (載波偵聽多點(diǎn)接入/避免沖撞)信道接入?yún)f(xié)議，軌旁AP或車載SA發(fā)送數(shù)據(jù)前需先進(jìn)行載波偵聽，偵聽的門限值為-84 dBm。若AP或SA偵聽到功率大于-84 dBm的信號(hào)，則會(huì)認(rèn)為當(dāng)前載波頻段被占用，將在等待/退避一段時(shí)間后按照跳頻圖案跳至另1個(gè)載波頻率重新進(jìn)行信道偵聽。在2.4 GHz全頻段范圍內(nèi)共有79個(gè)頻點(diǎn)可供跳頻，這使得該車地?zé)o線通信系統(tǒng)可以避開干擾，在其他頻點(diǎn)進(jìn)行信息的重發(fā)。由于重新傳輸所導(dǎo)致的時(shí)延很小，不會(huì)給列車控制系統(tǒng)帶來(lái)影響。

圖1 9號(hào)線CBTC系統(tǒng)車地?zé)o線通信工作原理示意圖

2.2 故障原因分析

由于干擾信號(hào)的持續(xù)壓制，故障區(qū)段的Wi-Fi設(shè)備在任意載波頻段上進(jìn)行載波偵聽時(shí)結(jié)果均為信道占用，導(dǎo)致該車地?zé)o線通信系統(tǒng)無(wú)法有效地傳輸數(shù)據(jù)幀，冗余鏈路設(shè)計(jì)失效，車地?cái)?shù)據(jù)通信徹底中斷。

2.4 GHz頻段屬于國(guó)內(nèi)免許可的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))開放頻段，因此該頻段在各領(lǐng)域得到了廣泛使用。利用開放的2.4 GHz頻段進(jìn)行CBTC系統(tǒng)無(wú)線通信這一設(shè)計(jì)理念，是線路設(shè)計(jì)時(shí)缺乏城市軌道交通專用無(wú)線通信頻段條件下的無(wú)奈選擇。近年來(lái)，隨著終端智能技術(shù)的發(fā)展及大量的2.4 GHz無(wú)線產(chǎn)品的應(yīng)用，壓縮了CBTC車地?zé)o線系統(tǒng)的使用空間，嚴(yán)重干擾了城市軌道交通信號(hào)CBTC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2019年3月上海城市軌道交通6號(hào)線的巨峰路站、2020年6月上海城市軌道交通8號(hào)線的濟(jì)陽(yáng)路站先后發(fā)生了受外部信號(hào)干擾影響而導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)的事件。

3 故障整改措施

綜上所述，需要根據(jù)實(shí)際的無(wú)線環(huán)境做出相應(yīng)的措施改進(jìn)。

3.1 加速推進(jìn)1.8 GHz頻段無(wú)線綜合承載改造

2015年2月，工業(yè)與信息化部發(fā)布了《關(guān)于重新發(fā)布1 785～1 805 MHz頻段無(wú)線接入系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》，明確指出1 785～1 805 MHz頻段可用于城市軌道交通行業(yè)專用通信。此后，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)積極推進(jìn)LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用。和Wi-Fi技術(shù)相比，LTE技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：① 使用了城市軌道交通專用頻率，可提高抗外部干擾能力；② 支持高速移動(dòng)場(chǎng)景，具有良好的切換性能；③ 采取安全分層架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅較低；④ 可以大量減少區(qū)間設(shè)備，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

上海城市軌道交通已邁入了超大規(guī)模城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理的新階段。為了更好地滿足新形勢(shì)下對(duì)行車控制、運(yùn)營(yíng)調(diào)度和移動(dòng)信息傳輸綜合承載等方面的要求，上海城市軌道交通布局了LTE-M(城市軌道交通用長(zhǎng)期演進(jìn))的建設(shè)規(guī)劃，用于承載以CBTC為核心的綜合性業(yè)務(wù)。LTE-M在有效保障行車安全類系統(tǒng)通信的高可靠性和低時(shí)延需求的同時(shí)，還滿足了非行車安全類系統(tǒng)通信的基本需求。隨著各類電磁兼容導(dǎo)致的安全隱患逐漸顯現(xiàn)，基于非授權(quán)頻段的 2.4 GHz無(wú)線CBTC系統(tǒng)需要盡快向1.8 GHz的LTE專用頻率網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，因而，建議全網(wǎng)絡(luò)加快實(shí)施1.8 GHz頻段無(wú)線綜合承載的建設(shè)工作，并采用分步實(shí)施的方式對(duì)既有線路進(jìn)行改造，以降低外部干擾所帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 增強(qiáng)軌道沿線既有無(wú)線設(shè)備的抗干擾能力

軌道沿線新建的運(yùn)營(yíng)商基站有可能導(dǎo)致無(wú)線產(chǎn)品的“飽和”問(wèn)題。“飽和”是指接收機(jī)在接收有用信號(hào)時(shí)，受到接收頻帶兩旁或接收頻帶內(nèi)強(qiáng)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致接收機(jī)功率飽和而阻礙通信?，F(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商基站的發(fā)射功率均很大，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其進(jìn)入軌旁AP和車載SA的功率強(qiáng)度一度可超過(guò)-20 dBm，該強(qiáng)度的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有軌旁AP和車載SA信號(hào)的“飽和”。為了避免這類情況的發(fā)生，需要在軌旁AP箱外和車載SA上采取串聯(lián)安裝 2.4 GHz帶通濾波器的方案，來(lái)避免運(yùn)營(yíng)商大功率基站對(duì)軌旁AP和車載SA的影響。通過(guò)在軌旁AP和車載SA外增加2.4 GHz帶通濾波器，可以有效保護(hù)CBTC的2.4 GHz頻段，并完全隔離2.4 GHz頻段以外的無(wú)線信號(hào)，避免非2.4 GHz的無(wú)線信號(hào)進(jìn)入CBTC系統(tǒng)。

當(dāng)列車關(guān)聯(lián)AP后，車地通信的數(shù)據(jù)包必然需要在經(jīng)過(guò)局域網(wǎng)主用交換機(jī)傳到骨干網(wǎng)交換機(jī)后再轉(zhuǎn)給中央或者集中站的ATP(列車自動(dòng)保護(hù))設(shè)備。當(dāng)軌旁AP或者車載SA受到無(wú)線干擾影響無(wú)法正常通信時(shí)，局域網(wǎng)主用交換機(jī)上也不存在故障時(shí)間段內(nèi)的車地通信數(shù)據(jù)包。針對(duì)此情況，可以對(duì)局域網(wǎng)主用交換機(jī)與骨干網(wǎng)交換機(jī)的通信端口進(jìn)行抓包。在故障發(fā)生后，可以通過(guò)分析故障時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)通信包，快速定位故障點(diǎn)，確認(rèn)故障是否為無(wú)線環(huán)境受到干擾。

3.3 健全上海城市軌道交通的無(wú)線電管理機(jī)制

為了切實(shí)、有效、安全地在上海城市軌道交通范圍內(nèi)使用各類無(wú)線通信系統(tǒng)，成立了上海城市軌道交通無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)，以統(tǒng)一規(guī)劃和管理上海城市軌道交通范圍內(nèi)的無(wú)線電頻率和技術(shù)。該機(jī)構(gòu)的職責(zé)主要包括：① 統(tǒng)一分配和管理上海城市軌道交通范圍內(nèi)的無(wú)線電頻率資源；② 評(píng)估上海城市軌道交通范圍內(nèi)的無(wú)線技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)；③ 形成上海城市軌道交通各線路(尤其是高架露天線路)沿線的相關(guān)無(wú)線電管理規(guī)定；④ 牽頭排查上海城市軌道交通范圍內(nèi)的無(wú)線電干擾；⑤ 對(duì)上海城市軌道交通范圍內(nèi)投用的無(wú)線設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)；⑥ 了解無(wú)線通信的前沿技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通實(shí)際的使用需求，為上海申通地鐵集團(tuán)有限公司提供技術(shù)建議。

3.4 提升上海城市軌道交通電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力

研究無(wú)線信號(hào)電磁環(huán)境的場(chǎng)強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案，在城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)期間，全方位、無(wú)死角地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)城市軌道交通線路軌行區(qū)間的無(wú)線電磁環(huán)境，記錄無(wú)線電頻譜資源的占用情況，供信號(hào)維護(hù)人員及時(shí)掌握線路沿線的無(wú)線電磁環(huán)境變化特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)。

成立上海城市軌道交通無(wú)線電監(jiān)測(cè)處置小組，其職責(zé)主要包括：完善外部干擾源檢測(cè)的手段與方式；監(jiān)測(cè)上海城市軌道交通范圍內(nèi)的各種無(wú)線電頻段，尤其加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)同頻率信號(hào)干擾源的監(jiān)測(cè)；針對(duì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)定位外部干擾源的位置，并根據(jù)預(yù)案實(shí)施處置。

3.5 加強(qiáng)外部聯(lián)動(dòng)合力攻堅(jiān)

對(duì)接上海市有關(guān)職能部門，對(duì)影響城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的外部干擾信號(hào)源，做好應(yīng)急聯(lián)動(dòng)處置工作。積極與相關(guān)單位進(jìn)行溝通和聯(lián)系，及時(shí)了解更新已報(bào)備的潛在干擾源設(shè)備的具體位置及干擾范圍，結(jié)合干擾設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)針對(duì)性地完善相應(yīng)范圍內(nèi)城市軌道交通無(wú)線設(shè)備的抗干擾性能，并提前做好處置預(yù)案。

積極推進(jìn)與上海市有關(guān)職能部門的合作交流，通過(guò)委托培養(yǎng)、共建隊(duì)伍等方式，強(qiáng)化上海城市軌道交通無(wú)線電監(jiān)測(cè)處置小組人員的能力建設(shè)。聯(lián)合上海市有關(guān)職能部門，定期開展針對(duì)外部干擾的聯(lián)動(dòng)應(yīng)急實(shí)戰(zhàn)演練，并進(jìn)行總結(jié)交流，以積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步修改、完善應(yīng)急處置預(yù)案，全面提高故障的應(yīng)急處置能力，最大限度降低故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)上海軌道交通9號(hào)線CBTC系統(tǒng)通信丟失故障案例，結(jié)合CBTC系統(tǒng)的無(wú)線通信機(jī)制，分析了故障案例的根本原因，并通過(guò)有效的整改措施，全面加強(qiáng)了上海城市軌道交通無(wú)線電的規(guī)劃和管理，進(jìn)一步提升了上海城市軌道交通無(wú)線電發(fā)生突發(fā)干擾事件后的應(yīng)對(duì)和處置能力，切實(shí)保障上海城市軌道交通無(wú)線電通信的安全、暢通、有序。