上海軌道交通11號線基于通信的列車控制系統車-地通信故障分析

張 捷

（上海地鐵維護保障有限公司，200070，上海∥工程師）

上海軌道交通11號線基于通信的列車控制系統車-地通信故障分析

張 捷

（上海地鐵維護保障有限公司，200070，上海∥工程師）

基于通信的列車控制（CBTC）系統采用獨立于軌道的車-地雙向通信設備，與列車的精確定位技術相結合，實現移動閉塞的功能。分析了上海軌道交通11號線使用CBTC系統運營以來，車-地通信設備發生的主要故障狀態及故障查找方式，介紹了具體的故障處理方法和預防措施，從預防性維護的角度對網絡管理系統提出了一個分析軟件的需求。

基于通信的列車控制系統；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）系統代表著世界城市軌道交通信號控制技術的發展方向，并成為我國城市軌道交通信號系統的主流制式。CBTC系統采用獨立于軌道的車-地雙向通信設備，與列車的精確定位技術相結合，實現移動閉塞的功能。列車上的車載控制器通過探測軌道上的應答器，查找它們在數據庫中的方位，并通過測量自前一個探測到的應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設備報告本列列車的位置。軌旁CBTC設備根據各列車的當前位置、速度及運行方向等因素，同時考慮列車進路、道岔狀態、線路限速以及其它障礙物的條件，向列車發送移動授權極限（即列車可以走多遠、多快），從而保證列車間的安全間隔。車-地雙向連續通信方式作為CBTC系統的關鍵技術之一，其穩定性和可靠性決定了信號系統的性能。

1　數據通信子系統

上海軌道交通11號線數據通信系統（DCS）由有線及無線部分組成，原理如圖1所示。CBTC系統的各個部分通過冗余的光纖骨干網互相連接起來。一段骨干網絡構成了軌旁網絡，該軌旁網絡沿線路延伸。ATS（列車自動監控）網絡為冗余的局域網，通過冗余的網絡交換機連接到骨干網。沿線車站設備與軌旁網絡的交換機連接。AP（無線接入點）沿線路安裝，大約每250 m安裝1個AP。每個AP無線裝置一般都有2個定向天線，分別面向線路的相反方向。為實現信號的冗余覆蓋，相鄰AP的信號可以重疊覆蓋整個進路，部署間距設計為小于或等于AP的覆蓋半徑。這樣，即使單個AP（N）出現故障，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不中斷。

列車的兩端各裝備1個包含移動無線電臺（MR）的車載無線單元（OBRU）。每個MR都連接到2個定向車載天線。因為重疊覆蓋，所以任何時候每端的MR都能搜索到至少2個AP信號。

圖1　DCS子系統原理圖

上海軌道交通11號線于2009年12月31日開通CBTC后備模式運營，2010年11月15日升級到CBTC信號系統，2011年3月16日實現CBTC列車自動駕駛，是上海軌道交通采用CBTC技術的經典線路。11號線開通至今，經過數次升級改造，目前運行質量有了很大提升，但由于設備可靠性和技術制式原因，常常會出現列車運行模式丟失的情況。其原因主要由車載控制器（VOBC）與本地移動授權單元（MAU）通信丟失造成。由于列車通信不暢，聯動失效，引起列車緊急制動，降低了列車運行效率。圖2為2011年1月至2014年5月通過網絡運營設施設備故障接報系統（OA）平臺統計的故障總數，可以看出，3年來，CBTC系統車載故障總數不斷降低，但通信丟失造成模式丟失故障總數基本維持原狀，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-地通信故障做詳細的說明。

圖2　CBTC系統相關車載故障統計

2.1故障情況

VOBC與本地MAU通信丟失是CBTC系統常見的故障，發生頻率較高。發生該故障后，列車會立刻實施緊急制動（EB），行駛模式由ATPM/ATO（列車自動防護模式/列車自動運行）降級為RMF（限制人工向前），進路由LMA（移動授權）變為AMT（人工列車授權）進路，列車包絡線擴大，后續列車移動授權將退回至該通信丟失列車占用區段外。列車停車后需切換到WSP（軌旁信號保護）模式，進路無法自動觸發。如果前方車站需要跳停時，此跳停信息將會丟失，列車將在跳停車站停車。此故障對正線運營產生影響，極易造成列車晚點。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。

圖3　ATS顯示狀態

圖4　TOD顯示狀態

2.2故障分析與查找

（1）列車兩端的MR設備同時故障。維護人員通過NMS（網絡管理系統）查看SD_VOBC（車載控制器加密解密裝置）確定車載MR設備狀態，如圖5所示。如果車載MR設備故障，則NMS上將出現對應車輛報警提示，維護人員根據提示進行處理。

（2）軌旁相鄰2個AP設備同時故障，造成該覆蓋區域無線信號中斷。維護人員通過NMS查看AP Ring確定軌旁AP設備狀態，如圖6所示。如果軌旁AP設備故障，則NMS上將出現對應軌旁AP設備報警提示，維護人員根據提示進行處理。

（3）軌旁單個AP或車載單個MR設備故障時，VOBC與本地MAU通信丟失。多數情況下，通信丟失是由于軌旁AP設備定向天線的發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盲區；少數情況下表現為軌旁AP設備“假死”，即設備仍在工作，但已經無法與列車正常通信，一旦相鄰兩個AP均處于“假死”狀態或一個處于“假死”狀態而另一個故障，通信丟失是必然的結果。以上情況軌旁AP設備在NMS上均顯示狀態正常，無故障報警，維護人員在VOBC與本地MAU通信丟失后，利用一輛通信列車對故障區域進行Roaming測試，以判斷故障AP設備位置、信號強度及工作狀態。

圖5　車載MR設備狀態

圖6　軌旁AP設備狀態

3　通信丟失的處理方法

（1）車載設備處理：車載無線單元（OBRU）重啟。當列車一端MR設備通信中斷，通知就近維護人員上車重啟MR設備。維護人員打開VOBC機柜，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（運營控制中心）維護人員觀測NMS上設備狀態。

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

（3）運營處理方法：①若TOD面板顯示模式正常，司機緩解EB，以正常模式繼續運行；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，司機報行調，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“┈”，司機報行調，建立WSP模式動車。

4　預防措施

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

AP設備位于軌旁，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的日常維護主要是測試AP天線的發射功率。維護時，利用電腦和配置AP的串口編程電纜登錄疑似故障AP，進入診斷模式，選擇任意固定頻點使AP連續發射射頻信號，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準。

為有效控制由列車兩端的MR設備均故障及相鄰軌旁AP設備故障引起的VOBC與本地MAU通信丟失的故障，維護人員經過幾年的經驗累積，采取了基于Roaming測試的預防性維護策略。即通過周期性的進行Roaming測試，收集軌旁AP設備信號強度數據，并對數據進行對比分析，如發現有數據異常，則及時查找原因并進行排除，從而有效降低因無線覆蓋盲區造成的通信丟失的概率。Roaming測試作為現階段檢查通信的首要手段，主要用于驗證線路沿線的無線信號覆蓋。它需要測量每個無線設備的RSSI值，以此證明整個線路上的列車都被AP傳播的無線信號所覆蓋，同時要檢查OBRU與AP之間的通信并驗證可以接受。

對于由AP“假死”引起的通信丟失故障的預防維護，可通過定期查看MNS工作站上AP與列車的通信狀態來進行，比較簡單卻繁瑣。如上海軌道交通11號線全線共有15個AP子環，616個AP，即每個子環有近40個AP；如果要觀察每個AP與列車的通信狀態，一個AP需要5 min來判斷其運行狀態，則每天無法覆蓋所有AP狀態判斷，因此維護難度較高。針對這種情況，信號系統供應商曾提供過一個解決方案：在NMS工作站上增加一個軟件腳本，對所有AP的數據交換狀態進行輪詢監控，輪詢一定時間后，如發現長時間沒有與列車進行數據交換的AP，則對其進行強制重啟。但此方案有一定的風險，例如，多個AP同時重啟可能會造成網絡波動；SD硬件問題會引起主備機互切，導致某個或多個集中站的ZC（區域控制器）跳紅，運行模式降為后備模式。

從維護需求出發，現階段需要一個針對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分。

5　結語

CBTC是一種比較新型的信號設備，經受考驗的年份不長，不斷有新問題出現，這給維護人員的日常工作提出了更高的要求。為降低設備故障發生的頻率，需結合設備的實際使用情況，不斷積累經驗，摸索各種有效的故障排查方法，通過預防性維護的技術策略與管理手段，有效提高設備的維護質量。

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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）