西安機場城際線列車因移動授權(quán)超時而引發(fā)緊急制動故障的分析

房 瑛

（陜西城際鐵路有限公司，710038，西安∥高級工程師）

西安機場城際軌道交通線（簡稱“城際線”）采用基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)，數(shù)據(jù)信號子系統(tǒng)（DCS）采用基于開放的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，其有線通信部分采用IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，無線通信部分采用LTE（長期演進(jìn)）技術(shù)。LTE 車地?zé)o線通信采用綜合承載方式設(shè)置，A、B 網(wǎng)冗余雙網(wǎng)設(shè)計，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨立，并行工作。A 網(wǎng)承載CBTC 業(yè)務(wù)、PIS（乘客信息系統(tǒng)）業(yè)務(wù)、車載CCTV（閉路電視）業(yè)務(wù)、列車運行狀態(tài)信息以及緊急信息文本下發(fā)等業(yè)務(wù)；B 網(wǎng)單獨承載CBTC 業(yè)務(wù)，確保可靠傳輸CBTC 業(yè)務(wù)。列車在線路開通運營前的單A 網(wǎng)、單B 網(wǎng)模式運行測試期間，曾多次出現(xiàn)由移動授權(quán)超時導(dǎo)致的緊急制動故障。

1 移動授權(quán)簡介

在CBTC 系統(tǒng)中，通過為每列車生成一個合理安全的移動授權(quán)（MA），來確保列車在系統(tǒng)控制的線路內(nèi)高密度地安全運行。MA 的距離是指從列車的車尾起到前方終點障礙物的這部分線路［3］。區(qū)域控制器（ZC）根據(jù)列車當(dāng)前位置、行駛方向、進(jìn)路開放及鎖閉狀態(tài)、前方列車屬性、前方列車位置等信息，為車載ATP（列車自動防護(hù)）實時計算并確定每列列車的MA，MA 經(jīng)安全通信協(xié)議封裝后，通過無線設(shè)備連續(xù)發(fā)送給車載ATP 執(zhí)行。

在生成MA 過程中，ZC 將處理多種類型障礙物，按照一定規(guī)則從中選取能作為列車當(dāng)前周期運行終點的終點障礙物［4］。終點障礙物既有可能是靜態(tài)障礙物，例如道岔、進(jìn)路終點等，又有可能是動態(tài)障礙物，例如前方列車MA。

當(dāng)列車在受控線路區(qū)域內(nèi)按照正常時刻表移動時，VOBC（車載控制器）將列車的位置與方向發(fā)送給ZC，并且列車的MA 將由ZC 發(fā)送給VOBC。ZC也向VOBC 發(fā)送列車所在MA 內(nèi)的道岔和信號機狀態(tài)，從而使VOBC 能夠根據(jù)這些狀態(tài)監(jiān)控列車。MA 原理如圖1 所示。

如圖2 所示，聯(lián)鎖子系統(tǒng)將進(jìn)路、道岔、信號的狀態(tài)發(fā)送給ZC；ZC 結(jié)合聯(lián)鎖子系統(tǒng)信息計算列車MA，并將MA 經(jīng)過有線網(wǎng)發(fā)送至控制中心LTE 核心網(wǎng)交換機；再經(jīng)過車站BBU（基帶處理單元）、軌旁RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）上傳至漏纜，通過無線傳輸至車載天線；車載天線將MA 發(fā)送至TAU（車載接入單元），再經(jīng)TAU 發(fā)送給車載ATP，列車按照MA實現(xiàn)安全運行。

圖1 MA 原理示意圖

圖2 MA 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2 MA 超時故障原因分析

在2019 年6 月期間，收集分析全線信號車載日志數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，造成列車緊急制動原因為“MA 超時”，主要集中發(fā)生在1 車、6 車、7 車、9 車、10 車、14 車共6 列車上。原因分為LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)問題和信號設(shè)備板件故障兩大類，現(xiàn)從硬件、軟件入手對此兩大類故障進(jìn)行分析。

2.1 LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的問題分析及調(diào)整

2.1.1 區(qū)間網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

西安機場城際線列車運行最高設(shè)計速度為100 km/h，在應(yīng)對多普勒效應(yīng)、小區(qū)切換等技術(shù)上要求更高。西安機場城際線區(qū)間采用漏纜敷設(shè)，區(qū)間線路長度均大于1 000 m，考慮到RRU 覆蓋范圍有限，根據(jù)軌道交通工程應(yīng)用實踐，區(qū)間1.2 km 布設(shè)1 個RRU，每個RRU 向大小里程方向各覆蓋600 m，因此存在2 個RRU 之間的切換問題。

根據(jù)信號傳輸特性，綜合考慮漏纜損耗、接頭損耗、耦合損耗，距離、容差等因素，結(jié)合西安機場城際線RRU 布置情況，根據(jù)有關(guān)工程規(guī)范RRU 至600 m 處最小場強值參考值約為-90 dB。工程實施中通過網(wǎng)管調(diào)節(jié)RRU 場強，使其場強值達(dá)到參考值范圍，目的是保證列車通過2 個RRU 平滑切換來提高業(yè)務(wù)性能。

測試期間，列車在藝術(shù)中心站—空港新城站區(qū)間出現(xiàn)多次緊急制動故障。經(jīng)實地檢測，該區(qū)間的RRU 布置距離空港新城站約500 m，空港新城站內(nèi)也布置了RRU。這2 個RRU 都屬于空港新城站BBU 管理。因此，實際上藝術(shù)中心站—空港新城站區(qū)間的RRU 只覆蓋250 m，所以把RRU 功率降到最低，根據(jù)250 m 的漏纜距離計算得到藝術(shù)中心站—空港新城站區(qū)間RRU 覆蓋終點場強約為-76.25 dB。此數(shù)值遠(yuǎn)大于小區(qū)切換數(shù)值-90 dB，結(jié)果造成RRU 過覆蓋，最終導(dǎo)致2 個RRU 切換時不平順而產(chǎn)生丟包，造成列車緊急制動故障。

針對此現(xiàn)象，綜合考慮區(qū)間長度，將空港新城站的RRU 與藝術(shù)中心站—空港新城站區(qū)間的RRU合并為超級小區(qū)，調(diào)整后進(jìn)行驗證，測試數(shù)據(jù)已滿足要求，規(guī)避了近距離2 個RRU 之間切換造成的列車緊急制動故障。

2.1.2 區(qū)間漏纜接頭駐波比超標(biāo)引起“MA 超時”而產(chǎn)生緊急制動問題

天線駐波比檢測是通過檢測天線口實際發(fā)射功率和天線口實際反射功率，然后由駐波比公式計算出天線口實時駐波比。在實際工程施工中，由于接頭工藝質(zhì)量問題導(dǎo)致反射功率過大，最終造成了發(fā)射功率與反射功率的干擾，使得RRU 場強和信噪比過低而導(dǎo)致無線性能下降。當(dāng)一個RRU 產(chǎn)生駐波，使場強和信噪比下降后，與相鄰RRU 的切換帶就發(fā)生變化。如A、B 處2 個RRU 之間各覆蓋600 m，切換帶就在600 m 處，如A 點RRU 產(chǎn)生駐波后場強降低，B 點的RRU 就需要補充A 點RRU 降低的那部分場強，在保持B 點RRU 功率不變的情況下，B 點RRU 無法過覆蓋去補充故障RRU 的場強，則會造成切換時性能下降，最終產(chǎn)生丟包而導(dǎo)致列車緊急制動故障的發(fā)生。

駐波比理想值為1，按照工程標(biāo)準(zhǔn)漏纜駐波比應(yīng)小于2.0。在LTE 無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)部分漏纜接頭駐波比值超過了標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過處理漏纜接頭，將駐波比降到標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)后，消除了因為駐波比超標(biāo)引起“MA 超時”所導(dǎo)致的列車緊急制動的故障問題。

2.1.3 室外鄰線干擾

西安機場城際線北客站站-渭河南站區(qū)間為地面區(qū)間，且緊鄰西安地鐵4 號線草灘停車場，西安地鐵4 號線草灘停車場也采用TD-LTE（時分-長期演進(jìn)）技術(shù)承載CBTC 業(yè)務(wù)。西安機場城際線與地鐵4 號線同時在使用國家無線電委員會批復(fù)的專用頻段1 785 Hz ～1 805 Hz：西安機場城際線A網(wǎng)頻段為1 785 ～1 795 MHz，B 網(wǎng)頻段為1 795 ～1 800 MHz；地鐵4 號線A 網(wǎng)頻段為1 785 ～1 800 MHz，B網(wǎng)頻段為1 800 ～1 805 MHz，4 號線A 網(wǎng)與西安機場城際線A 網(wǎng)使用的無線頻譜重疊。

兩條線路的網(wǎng)絡(luò)在無線制式上相同，雙方基站時鐘同步，配比相同的子幀，上下行時隙亦同步。在西安機場城際線和地鐵4 號線A 網(wǎng)頻段的重疊區(qū)域，如果兩家天線在相隔較近距離時則會產(chǎn)生同頻干擾。

在西安機場城際線調(diào)試期間，列車行駛至北客站站—渭河南站區(qū)間時，單網(wǎng)情況下會頻繁出現(xiàn)MA 超時而引起的緊急制動故障。現(xiàn)場實際測量發(fā)現(xiàn)：西安機場城際線北客站站—渭河南站區(qū)間與4號線草灘停車場在物理空間上無隔離，兩線之間最小距離為80 m，西安地鐵4 號線采用天線覆蓋，西安機場城際線采用漏纜覆蓋。實地測試發(fā)現(xiàn)，4 號線定向天線方位角有一部分打入西安機場城際線，經(jīng)協(xié)商后，4 號線調(diào)整了定向天線方位角并降低該基站功率。為了確保2 個網(wǎng)絡(luò)無同頻干擾，西安機場城際線再次進(jìn)行測試并進(jìn)行詳細(xì)分析，具體結(jié)果如下。

地鐵4 號線和西安機場城際線在北客站站—渭河南站區(qū)間的基站使用GPS（全球定位系統(tǒng)）時鐘源授時，實現(xiàn)時鐘同步，并配比相同子幀、相同時隙且凍結(jié)無線性能配置數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)。在此工況下，測試西安地鐵4 號線和西安機場城際線的LTE 基站按分別單獨開啟和同時開啟共分三步進(jìn)行。根據(jù)測試結(jié)果，依據(jù)《LTE-M 系統(tǒng)需求規(guī)范》進(jìn)行推算分析可得：

1）西安機場城際線和地鐵4 號線最小場強值為-81 dBm，大于容許的最小場強-95 dBm。

2）信噪比17 dB，大于容許的最小信噪比3 dB。

3）最大時延42 ms，小于容許值150 ms。

4）丟包率為0.01%，小于容許值1%。

5）干擾裕量根據(jù)《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》的要求，LTE-M 信噪比指標(biāo)全線在3 以上，結(jié)合工程經(jīng)驗可要求信噪比指標(biāo)大于6。由此，根據(jù)西安機場城際線與地鐵4 號線現(xiàn)場實際，為避免產(chǎn)生同頻干擾，兩個網(wǎng)絡(luò)必須保證隔離度為12.02 dB，即干擾裕量需大于12.02 dB。干擾裕量=有用信號強度-干擾信號強度+8 dB（障礙物阻擋的損耗）-8 dB（屏蔽門阻擋損耗）。地鐵4 號線關(guān)閉、西安機場城際線開啟時，在草灘停車場的4 號線干擾裕量為24 dB；西安機場城際線關(guān)閉、4 號線開啟時在草灘停車場的機場線干擾裕量為20 dB。

干擾裕量24 dB 和20 dB 都大于12 dB，均滿足規(guī)范要求。

通過現(xiàn)場調(diào)整、測試及驗證，兩家LTE 無線通信各項技術(shù)指標(biāo)在北客站站—渭河南站區(qū)間的草灘停車場均滿足《LTE-M 系統(tǒng)需求規(guī)范》的設(shè)計需求和實際需求，解決了西安機場城際線MA 超時而引發(fā)的緊急制動故障。

2.2 信號設(shè)備故障排除及調(diào)整

車載ATP 設(shè)備在車頭、車尾各設(shè)置一套，頭尾兩端通過通信線纜相連，以實現(xiàn)頭尾兩端設(shè)備間的通信及車地?zé)o線通信的雙路冗余。車頭、車尾的車載ATP 設(shè)備自成系統(tǒng)，一端的車載系統(tǒng)控制不依賴于另一端的終端設(shè)備。車載ATP 單端設(shè)備采用“二乘二取二”的安全冗余技術(shù)，以確保車載設(shè)備的安全性、可靠性及可用性。車載ATP 設(shè)備如圖3 所示。

圖3 車載ATP 設(shè)備示意圖

列車車頭、車尾各安裝1 套TRU，兩端互為冗余。TRU 與TAU 接口通過車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收CBTC 車地?zé)o線通信數(shù)據(jù)。TRU 通過以太網(wǎng)連接與車載ATP/ATO 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，TRU 通過車地?zé)o線通信傳輸列車編號、位置信息、MA 等。

2.2.1 地址解析協(xié)議報文無應(yīng)答導(dǎo)致TAU 地址解析失敗

按照地址解析協(xié)議（ARP），VOBC 需要在接收TAU 的廣播請求后進(jìn)行回復(fù)。VOBC 不回復(fù)TAU定時、定向的單播ARP 請求，連續(xù)忽略3 次后TAU判斷ARP 老化，開始重新廣播ARP 請求。

查看車載監(jiān)控板日志ARP 報文發(fā)現(xiàn)，TAU 定期向VOBC 發(fā)起的單播ARP 請求沒有收到回復(fù)，連續(xù)3 次后TAU 發(fā)起廣播請求1 次或者多次后才得到VOBC 回復(fù)。ARP 報文無應(yīng)答會導(dǎo)致TAU 地址解析失敗，造成列車緊急制動降級。此故障曾多次發(fā)生，回顧多次緊急制動前后日志，發(fā)現(xiàn)VOBC 多次出現(xiàn)不回復(fù)廣播ARP 請求的情況。

查看發(fā)生該故障時段的完整日志發(fā)現(xiàn)，此時由于ARP 老化，使地址為20.50.5.102 的VOBC 處于單通狀態(tài)，TAU 無法找到地址為20.50.5.102 的VOBC，并無法轉(zhuǎn)發(fā)報文，造成網(wǎng)絡(luò)中斷2 s，導(dǎo)致列車降級（此時處在單網(wǎng)行車）。

針對此故障，通過采取優(yōu)化通信協(xié)議措施后，收發(fā)數(shù)據(jù)正常，解決了此類故障。

2.2.2 LRE（遠(yuǎn)程以太網(wǎng)）功率因數(shù)過小導(dǎo)致通信延時

分析單網(wǎng)運行數(shù)據(jù)結(jié)果，在排除由LTE 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量問題引起的MA 超時后，從信號板卡設(shè)備所處車載電磁環(huán)境、高溫耐受情況及抗干擾等方面入手，對不同功率參數(shù)進(jìn)行實驗室測試并驗證效果。

列車頭尾兩端通過通信線纜相連，并分別設(shè)置LRE 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)頭尾兩端長距離設(shè)備通信，以及車地?zé)o線通信的雙路冗余。通過分析故障數(shù)據(jù)，確認(rèn)1 車及14 車信號頭尾通信不穩(wěn)定，有數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。更換1 車及14 車LRE 板卡后，未復(fù)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，故確定為LRE 單板故障。

1）車載網(wǎng)絡(luò)鏈路整體排查。為驗證信號車載通信質(zhì)量是否受車輛外部干擾影響，對車輛VVVF（變壓—變頻）等設(shè)備在不同負(fù)載下的通信質(zhì)量進(jìn)行試驗。收集A 網(wǎng)車輛在不同負(fù)載情況下的車載通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量波形并進(jìn)行對比。通過對比發(fā)現(xiàn)，在A網(wǎng)下，不同功率參數(shù)的測試結(jié)果相同，信號波形無明顯變化。這就證明車載通信網(wǎng)絡(luò)對車輛運行中產(chǎn)生輻射的抗性較強，通信質(zhì)量未受明顯影響。

2）高溫環(huán)境測試情況。將發(fā)生故障的LRE 板卡返廠后，分別在55 ℃～85 ℃環(huán)境下進(jìn)行測試，并使用通信軟件監(jiān)控通信結(jié)果。測試數(shù)據(jù)顯示，LRE板卡通信正常，通信0 丟包。為驗證高溫是否對LRE板卡有影響，繼續(xù)提高溫度進(jìn)行測試`，當(dāng)測試溫度達(dá)到93 ℃時，板卡死機，無法進(jìn)行通信。當(dāng)降至室溫后，板卡仍無法自愈，必須手動重啟才能恢復(fù)。對現(xiàn)場LRE 板卡進(jìn)行內(nèi)部溫度測量時，未見有50 ℃高溫以上的，因此排除高溫原因?qū)Π蹇ǖ挠绊憽?/p>

3）抗干擾測試及調(diào)整。對故障的LRE 板卡在改變功率參數(shù)、內(nèi)部添加抗干擾元件、更換接地方式等的不同情況下進(jìn)行板卡抗干擾性能測試，同時在板卡旁用電機不斷啟停模擬干擾。測試結(jié)果顯示，LRE 板卡受外界環(huán)境影響出現(xiàn)丟包情況，原因是LRE 功率因數(shù)過小導(dǎo)致通信延時，從而影響列車運行。為提高抗干擾性能，綜合考慮通信效果，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，對LRE 板卡采用調(diào)大功率參數(shù)、添加內(nèi)部抗干擾磁環(huán)、優(yōu)化接地方式等措施。

2.2.3 ZC 設(shè)備故障

ZC 設(shè)備是CBTC 系統(tǒng)地面核心控制設(shè)備，是地—車信息交互的樞紐。ZC 與CBI、ATS、車載ATP、相鄰ZC、維護(hù)設(shè)備接口等設(shè)備，可根據(jù)通信列車所發(fā)來的位置信息、聯(lián)鎖進(jìn)路信息和軌旁設(shè)備提供的軌道占用/空閑信息，為控制范圍內(nèi)的通信列車計算生成MA，并通過無線通信系統(tǒng)傳輸給ATP 車載子系統(tǒng)，保證其控制區(qū)域內(nèi)通信列車的安全運行。ZC 是計算列車MA 的主要設(shè)備，相鄰ZC 通信超時或ZC 板卡故障，都將導(dǎo)致MA 發(fā)送失敗。

西安機場城際線的ZC 在集中站設(shè)置，調(diào)試中發(fā)生過兩類偶發(fā)故障：一類是空港新城站下行、擺旗寨站上行（ZC 交接區(qū)）站臺作業(yè)完成后，與接管的ZC 建立連接較慢，故障現(xiàn)象為無推薦速度或推薦速度起來較慢；另一類是秦宮站ZC 出現(xiàn)備系離線情況。針對列車在ZC 管轄區(qū)移交邊界處發(fā)生延遲與接管的ZC 建立鏈接的問題，根據(jù)日志數(shù)據(jù)分析如下：

1）建立鏈路滯后的原因：列車在站臺完成作業(yè)后，ZC 發(fā)送給列車的MA 只到移交邊界處，列車沒有及時和接管的ZC 建立連接，導(dǎo)致MA 無法延伸進(jìn)入接管的ZC，交互信息中ZC 未收到信息包，造成列車主動斷開鏈接。

2）備系離線原因：主系向備系發(fā)送同步數(shù)據(jù)時出錯，備系3 個周期同步失敗導(dǎo)致宕機。

對以上兩類故障，可通過優(yōu)化ZC 軟件來解決。新版軟件在西安機場城際線培訓(xùn)中心拷機試驗60 d，未出現(xiàn)異常情況后對原軟件進(jìn)行升級，更新后新版軟件各項功能正常，測試結(jié)果良好，解決了上述問題。

2.2.4 車載ATP 板卡故障

MA 信息經(jīng)過交換機板、無線板發(fā)送至ATP 主控板進(jìn)行計算，交換機板、無線板卡故障后，信息無法傳遞到ATP 主控板，導(dǎo)致列車MA 超時。其解決辦法為更換車載ATP 板卡。

3 結(jié)語

通過上述故障原因分析可知，因MA 超時導(dǎo)致列車的緊急制動故障是由于LTE 網(wǎng)絡(luò)及信號設(shè)備故障綜合形成的結(jié)果。故對全線線路和設(shè)備采取了如下具體措施：①針對LTE 故障，全線排查饋線、電橋接頭等硬件并進(jìn)行相應(yīng)測試，場強滿足設(shè)計要求后動車試驗，結(jié)果均符合要求。②將全部列車的車載信號LRE 板卡進(jìn)行功率參數(shù)調(diào)整并進(jìn)行靜態(tài)測試，使其達(dá)到有效抗外部干擾信號的要求。③更換故障板卡，并對有關(guān)車載軟件、ZC 軟件進(jìn)行升級。采取以上措施后，截至目前，通過收集大量數(shù)據(jù)驗證，因MA 超時導(dǎo)致緊急制動的故障未再出現(xiàn)。

無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是無線網(wǎng)絡(luò)工程交付和運營維護(hù)的一個重要過程，可劃分為工程優(yōu)化和運維優(yōu)化兩個階段。在工程建設(shè)期間，需要綜合采取優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、提高施工質(zhì)量、提升設(shè)備性能等手段，并按實際建設(shè)工程數(shù)據(jù)，對存在的業(yè)務(wù)指標(biāo)和業(yè)務(wù)性能相關(guān)問題，通過項目工程參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到解決問題、提升或改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、確保無線網(wǎng)絡(luò)安全的目的；運營開始后，仍要結(jié)合存在問題和設(shè)備故障，定期進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)性能測試，及時地處理故障、排除外界干擾、改善網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，以確保行車安全。