地鐵列車以太網電纜傳輸優化研究

李保霞

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京 210036）

以太網技術作為未來列車通信網絡的重要技術之一，在地鐵車輛上應用越來越廣泛。一般100 M性能的以太網作為車載設備通信網絡時，不管是控制數據傳輸時延還是狀態數據傳輸時延均達到列車通信網絡對時延的要求。因此，列車電纜需要滿足百兆通信要求。某地鐵車輛在2端各配置了1臺車載無線電主機，2臺車載無線電主機之間經常發生通信故障，數次觸發列車緊急制動，對行車影響較大。由于車載設備均已按照電磁兼容等要求完成相應的型式試驗，因此，為分析設備之外的電纜通信性能，本文選取無線電主機和中繼器之間通信的物理介質以太網電纜為測試對象，先采用地面模擬試驗的方法對設備之外的配線性能參數進行測試，驗證幾種方案下連接設備之間的物理介質對以太網傳輸的影響，并根據模擬試驗所得的修正方案對現車進行實車測試。通過對列車電纜連接進行優化，有效的解決了通信傳輸問題，提高了列車可靠性。

1 車輛以太網布置方案

列車為6節編組，將每節車按圖1編號：A1-B1-C1-C2-B2-A2。整車以太網配線如圖2所示，具體布置方案如下。

（1）無線電主機設置在A1、A2車一位端列車自動駕駛控制系統（ATC）柜中，采用LEMO連接器。

圖1 列車編號示意圖

圖2 整車以太網配線示意圖

（2）中繼器設置在C1車二位端低壓柜中部，車上線束由端部連接器CFATCJC2經過座椅下端子排TB02C2AL和低壓柜下部航空圓形連接器CM03C2AL，最后通過M12D的4芯連接器CMRPT1/CMRPT2與中繼器相連。

（3）每節車的兩端均設置端部連接器（A1、A2車僅二位端有），2節車之間均由跨接電纜相連（采用NEXANS的4芯星絞線），跨接電纜端部的連接器均為Harting矩形連接器。

為分析設備之外的電纜通信性能，選取最具代表性且最惡劣的工況，即現車長度最長、轉接點（連接器、端子排）最多的線路（由C1車至A2車的設備連接電纜）進行以太網配線分析。為方便后續處理描述，將轉接點成對進行編號，如圖3所示。

為了查找問題根本原因，先開展地面試驗測試，研究不同工藝條件下電纜傳輸性能，然后進行實車試驗測試。

2 地面試驗測試

對影響電纜通信的電纜絞合、端子排影響、連接器替代等情況開展電纜傳輸性能測試。研究不同工藝條件下的電纜傳輸性能。測試環境為模擬現車地面試驗，準備相應的電纜、端子排、連接器以及工具，按照現車連接器狀況進行制作并開展測試。試驗采用福祿克公司的網絡電纜測試儀DTX1800設備開展測試獲得數據。測試結果如表1所示，具體測試過程如下。

表1 地面試驗測試結果 dB

2.1 電纜不絞合

按照最接近現車的模擬配線方式進行檢測，全部轉接點處的電纜都未絞合。測試車載無線電主機到中繼器之間的電纜通信性能，測試結果見表1中測試順序 1。

圖3 最長區段列車配線示意圖

對比現車測試結果，數據與圖形大致相同，達到模擬現車的預期結果，但測試結果不通過，不滿足百兆通信介質要求。

2.2 電纜絞合

考慮到理論上通過電纜絞合，可以減小分布電容提高抗干擾度，因此對每個轉接點、對電纜依次進行絞合處理并測試。電纜絞合處理具體情況如表2所示，測試結果見表1中測試順序2～9。

對整段無線電線路的全部轉接點經過絞合處理后，回波損耗、近端串擾指標依舊未能達標。因此，采用福祿克公司的高精度時域串擾分析儀器HDTDX定位串擾最大發生的位置，測試結果如圖4所示。

表2 電纜絞合處理后的情況

圖4 串擾位置測試圖

根據定位確認串擾最大發生在距離主機30.67 m的轉接點②處和87.55 m的轉接點⑦處。此時按照預案，分析不同絞接率對電纜傳輸性能的影響?？紤]增大絞接率，重新對轉接點②、轉接點⑦處的連接器尾部線芯進行絞合處理，處理后測試結果見表1中測試順序10～11。

雖然測試結果有所改善，但近端串擾仍未通過，下一步重點分析減少轉接點對傳輸性能的影響。

2.3 隔離端子排、連接器測試

依照C1車連接器CMRPT2至A2車連接器CM02RCS的線路長度情況，重新擺放連接器，使用一段電纜跨過轉接點⑦端子排TB02C2AL。測試結果見表1中測試順序12。3項指標均能通過，串擾指標有大幅度改善，由-0.2 dB改善為4.0 dB。

用一段電纜跨過2個轉接點（轉接點⑦端子排TB02C2AL和轉接點⑧圓形航空連接器CM/CF03C2AL）。測試結果見表1中測試順序13。近端串擾指標進一步改善，減少節點的措施使傳輸性能取得明顯改善效果。

2.4 使用WAGO連接器替代端子排

分析不同節點對電纜傳輸性能的影響，考慮使用其他連接件，如使用WAGO連接器（圖5）替代端子排，測試結果見表1中測試順序14～15。測試結果表明，采用WAGO連接器比采用端子排能夠明顯改善傳輸性能，使傳輸性能達標。

3 實車試驗測試

根據地面測試情況，通過電纜絞合等措施可以有效改善現車線路的回波損耗與近端串擾問題，實車試驗第一步實施電纜絞合方法，如果仍未通過，考慮替代端子排節點等有效措施改善傳輸性能。

在列車上進行實車試驗測試，如圖6所示。首先分別對C1車中繼器到A1、A2車無線電主機的線路進行測試，然后逐段處理后進行測試，測試結果如表3所示，具體測試過程如下。

圖5 WAGO連接器

圖6 實車試驗測試

3.1 連接器電纜絞合處理對比測試

對車下無線電電纜涉及的全部連接器進行絞合處理后，再分別對整車兩段無線電線路進行測試，對比處理前后測試結果見表3中測試順序1～4。

經過車下20個Harting連接器線芯的絞合處理后，3項指標都有明顯改善，但是回波與串擾未能通過測試。

3.2 端子排電纜絞合測試

在車下連接器絞合處理的基礎上，再對端子排TB02C2AL上的無線電主機電纜進行絞合處理，并分別對A1車的連接器CM02RCS至C1車的連接器CMRPT1以及A2車的連接器CM02RCS至C1車的連接器CMRPT2進行測試，測試結果見表3中測試順序 5 ～ 6。

回波損耗與近端串擾指標進一步改善。

3.3 電纜替代連接器測試

通過HDTDX分析儀定位，定位串擾最大發生的位置如圖7所示。近端串擾最大發生在距離CM02PRT1、CM02PRT2連接器3.5 m處，大約在低壓柜⑧圓形航空連接器CM/CF03C2AL處。

使用一段電纜將圓形航空連接器⑧CM/CF03C2AL跨過CM02PRT1、CM02PRT2連接器直接接至端子排TB02C2AL處。測試結果見表3中測試順序 7～8。

通過以上處理，測試3項指標均能通過。

3.4 連接器替代端子排測試

恢復圓形航空連接器連接，使用地面測試方案中WAGO連接器替換端子排TB02C2AL進行測試，A2車至C1車測試結果見表3中測試順序9，測試結果很接近但仍未通過。

3.5 減少節點測試

用一段電纜跨過⑧圓形航空連接器CM/CF03C2AL，并且使用WAGO連接器替換端子排TB02C2AL。對A2車的連接器CM02RCS至C1車的連接器CMRPT2的電纜進行測試，結果見表3中測試順序10。對比只有電纜替代連接器測試方案（測試順序 8），近端串擾有2.7 dB的改善。

表3 實車試驗測試結果 dB

圖7 HDTDX定位數據圖

最終，對項目的全部列車按照上述方案進行了全面整改和測試驗證，列車上2個單元的無線電設備與中繼器之間的通信介質均達到了百兆以太網通信要求。試驗結果表明采取合理的工藝措施可以提高通信的可靠性，而有效提高連接介質性能指標的主要技術措施至少有如下3種：

（1）將以太網線端頭處電纜進行成對絞合處理；

（2）將端子排換為連接器（如WAGO連接器）；

（3）減少節點，去除C車二位端端子排和中繼器之間的航空插頭。

經過3個月的統計，實際故障率降低了70%；剩余的30%故障鎖定與設備通信數據處理有關。對無線電設備通信軟件進行升級后沒有發生因通信故障導致緊急制動的問題，無線電主機設備通信問題得到了有效解決，獲得了業主的充分認可。

4 結語

目前，國內外軌道交通行業都在研究發展基于以太網的列車通信網絡。隨著列車以太網設備應用越來越廣泛，有必要對貫通列車以太網電纜的連接和制作工藝進行深入研究。本文通過專用設備對以太網電纜進行準確的測試，可以清晰的將傳輸問題鎖定到設備或電纜，有針對性的對相關問題進行分析解決，并通過合理的工藝措施提高了通信的可靠性。該成果也可以應用到類似工程中的其他電纜。