基于浦江線信號車地通信故障分析及抗干擾研究

曹錦磊

摘 要 針對軌道交通浦江線信號車地通信故障發生頻次較高問題，通過使用車地通信監測終端、頻譜儀等技術手段進行分析，推測了站臺、區間、列車之間均會導致AP無線設備同頻干擾問題的發生的可能性。本文主要針對浦江線運營期間發生瞬間車地通信故障的分析，提出了浦江線信號車地通信受擾故障問題解決方案。

關鍵詞 信號車地通信故障;故障分析;同頻干擾;濾波器;抗干擾研究

上海軌道交通浦江線是目前國內唯一的APM300無人駕駛線路，采用基于無線通信的CITYFLO650移動閉塞信號系統，信號車地通信系統采用非接觸式的雙向通信系統。

浦江線列車采用的是INOVIA APM 300車型，無司機室。浦江線正線車站無車控室，正線未配備信號值守人員。與其他CBTC線路相比，浦江線未配置計軸、軌道電路等降級后備信號設備，列車在UTO運行模式下一旦發生信號車地通信故障，將直接影響浦江線列車的正常運行。乘客的舒適度、規律的發車間隔，列車停靠站的精確度都將無法保障，同時帶來的潛在運營安全隱患不容忽視，例如由于發生信號車地通信故障，列車迫停區間后，車廂內發生火災場景，因此信號車地通信系統的穩定性尤其重要[1]。

1浦江線信號車地通信系統概述

浦江線信號車地通信系統由軌旁車地通信設備（LOS天線、WNRA單元等）、車載車地通信設備（VATC、車載數據電臺MDR、車載外置天線等）組成[2]。負責軌旁ATC和車載ATC的數據通信。 如圖1所示正線軌旁線路中，同一位置6米間布置兩個AP，AP由WNRA單元和LOS天線構成，每組AP之間間隔420至600米，同一位置同時有A和B兩組無線網絡覆蓋，實現冗余。浦江線列車四節貫通，其中兩個頭均具備VATC設備，稱為1位端和4位端，VATC設備互為冗余，每個VATC使用了2個車載視距天線，這些天線是指向性的視距天線。車載車地通信設備由移動數據電臺MDR和車載天線構成，車載數據電臺MDR采用2.4GHZ的擴頻CDMA調制，運行電壓直流24V，MDR和車載VATC之間采用以太網方式通訊，其中MDR至車載外置天線之間、軌旁WNRA單元至軌旁LOS天線之間均采用同軸電纜連接。車載車地通信天線分為了兩個通道，分別是1A通道和2A通道，1A通道的同軸電纜長度為7米，安裝在此節列車的頭部，方向指向列車行駛方向，2A通道的同軸電纜長度為5米，安裝在此節列車的尾部，方向指向車體，即列車行駛的反向。每個天線端口使用一個DC模塊，無線設備通過天線連接，連接到車輛底盤接地。

2浦江線信號車地通信系統功能

在浦江線信號車地通信系統中，信號的數據載體是（以太網）或射頻（2.4 GHz擴頻RF），列車控制數據通過軌旁RATC設備站中的TWC網絡的以太網交換機進行傳遞。然后交換機將數據通過DCS網絡經過轉換發送到位于軌旁的無線數據天線，接著由軌旁單元（WNRA）將數據通過軌旁LOS天線以無線的形式通過車載車地通信系統傳遞給列車，其中的數據并不是以傳統IEEE 802.11的規范進行傳輸，而是采用2.4GHz頻率的專用網絡。

浦江線信號車地通信系統傳輸首先通過軌旁RATP對數據進行處理，將數據包發送到軌旁移動無線單元，以無線電的形式進行傳輸;同時將無線傳送回來的數據進行解碼，并發送給軌旁RATC提供列車行駛的狀態信息。信號車地通信系統的2.4GHZ帶寬分為6個頻率，頻道間隔最小為5MHZ，以確保相鄰兩個無線區域頻率不同。

3浦江線信號車地通信故障分析

3.1 浦江線信號車地通信故障情況

自上海軌道交通浦江線試運營以來，信號車地通信故障頻發，已經影響到列車的正常行車業務。如圖3所示，2019年信號車地通信故障全年達到27起，同比2018年上升9起，2019年由于信號車地通信故障導致5分鐘晚點事件1起，雖然浦江線信號車地通信故障至今未對運營造成嚴重影響，但是基于浦江線無人駕駛無人值守的特點，車地通信質量狀態不佳仍可能會對運營安全埋下了較大隱患。

3.2 信號車地通信報警原理

信號車地通信故障報警產生于車載VATC丟失了與區域ATC的通信超過了通信周期。信號車地通信故障報警將會在與區域ATC恢復通信之后消失。如果RATP收不到VATP位置更新信息，RATP將認為列車通信故障，并會向VATP發送常用制動命令。RATP將保持列車首部和尾部的SVO（虛擬占用）以保護列車。RATP同時將保持通信故障列車SVO上的進路鎖閉。如果VATP收不到RATP的信息，VATP向VATO請求常用制動。如果VATO不能常用制動，則VATP將施加緊急制動。用來控制VATP與RATP通信超時的參數默認為3秒。VATP將請求常用制動，并通過距離保護模式阻止列車的任何移動，直到與RATP的通信恢復，并且收到有效的移動授權。

3.3 浦江線信號車地通信故障分析研究

通過梳理了2018、2019年度的信號車地通信故障，為了驗證軌旁和車載設備之間的通信聯絡是否提供了一定程度的成功信息交換， 以支持列車自動運行。以及驗證TWC通信系統的功能和配置是否正常，對浦江線信號車地通信系統進行了專項測試。測試內容包含利用信號車地通信監測系統，檢查浦江線信號TWC的信號強度是否滿足列車行駛條件，發現丟包率在5%以下，滿足列車行駛條件。對全線11列車22個VATC的列車信號無線通信配置與功能進行檢查，TWC通信配置與功能正常。因為故障的客觀存在，且經過數據篩選分析，發現信號車地通信故障普遍發生在運營期間，尤其是早晚高峰和列車進站以及出站時，所以在排除了設備本身原因后，我們分析認為可能是信號車地通信受到同頻或者環境因素的干擾，導致了這些車地通信故障的發生。

4浦江線車地通信受擾問題解決方案

4.1 安裝無源帶通濾波器

浦江線為室外高架線路，軌道沿線的運營商基站、個人無線電臺、站臺門天線、線路上同時運行的列車、換乘站的信號設備，都有可能導致AP無線設備“飽和”問題。“飽和”是指接收機在接收有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內一個強信號的干擾，導致接收機推向飽和而阻礙通信。

在車載環境中，我們為了更好地接收信號避免雜波的干擾，我們嘗試采用濾波器的形式，減少環境因素的影響。但是因為安裝條件的限制我們考慮采取無源濾波的產品進行安裝，一是滿足濾波功能的需要，二是可以盡可能小的改變車內環境，避免對車內其他系統的設備造成影響。在綜合考慮之后，我們采取在列車VATC內串聯安裝2.4GHz無源帶通濾波器的方案來避免以上因素對車地通信的影響。根據1列車的試裝測試數據顯示，安裝濾波器后兩頭DTF回波損耗明顯提升，通過安裝2.4GHz帶通濾波器，可以有效保護CBTC的2.4GHz頻段，并對2.4GHz頻段以外的無線信號做到完全隔離，避免非2.4GHz的無線信號進入CBTC系統。目前浦江線通過初步測試確認濾波器方案能有效解決現有外部信號干擾因素對AP的飽和影響。

4.2 改善地面信號發射強度設想

在理想的環境中車地通信系統提供的信號最遠可以支持300米的傳輸，但是我們知道往往實際使用時會遇到其他種種問題導致信號的衰減，在解決了接收端的問題之后我們考慮給信號的發送端增加放大器，在硬件環境沒有太大變化的情況下增加設備功率可以大大增強信號覆蓋范圍內的可識別度，減少丟包及錯誤的發生。

在射頻放大器的選型上我們應該保證盡量低的噪聲系數以及在信號不飽和的情況下盡量高的增益，以免產生非線性的失真。

5結束語

綜上所述，我們對浦江線信號車地通信故障進行了分析和研究，提出了導致浦江線信號車地通信故障幾種可能，并結合TWC運作機制提出了一些設想，主要從實踐安裝無源帶通濾波器，以及改善地面信號發射強度的角度設想考慮。安裝無源帶通濾波器目前已經通過初步安裝與功能測試，發現能在一定程度上有效抑制同頻干擾信號，后續正在考慮布置安裝位置以及濾波器選型，將針對全線11列車進行安裝測試后進一步評估效果。同時，造成信號干擾、衰減的因素是多方面的，后續加強地面信號發射強度及排除外部因素的干擾也是改善車地通信質量的研究的方向。本文通過對于浦江線信號車地通信系統故障及抗干擾的研究，為后續的軌道交通項目提供了理論以及初步實踐參考，建議后續項目在設計階段把同頻信號干擾考慮進去，提前安裝信號車地通信抗干擾設備，有效降低由于信號車地通信系統瞬間受擾導致無人駕駛列車發生信號車地通信故障的概率。

參考文獻

[1] 李瑞芳，唐壽成.淺談軌道交通車-地通信技術[J].鐵道通信信號，2009，45（5）：56-58.

[2] 徐萬里，龐巴迪CITYFLO650 CBTC信號系統車-地通信可靠性之特點分析[J].通信世界，2016（5）：282.