上海地鐵泰雷茲CBTC系統車地通信故障原因及對策

湯春燕

(上海地鐵維護保障有限公司，上海 200070）

自2007 年12 月29 日，泰雷茲CBTC 系統在上海地鐵試運行后，CBTC 系統得到迅速發展和普遍應用。自該系統投用以來，已有十多個年頭，隨之而來的是設備老化導致的故障頻發，特別是AP設備，大部分故障都集中發生在高架段，設備暴露在露天環境中日曬雨淋，無疑加劇了設備老化的速度，因此在維護方面需要投入更多的人力物力。同時，在CBTC 實際運用中由于地鐵線路電磁環境的復雜化，造成車地之間的無線通信故障頻繁，致使地鐵安全運行問題受到了社會各界的廣泛關注。

1 車地通信系統簡介

在線路上行進的列車會通過連續的無線連接與AP 進行通信，IEEE 802.11 通過其MAC 設備進行鏈接鑒定、MR 的連接和再連接，以期與軌旁（有線）網絡進行通信。這意味著列車能夠在軌旁無線覆蓋區域間移動，而不丟失與軌旁網絡的連通性。在列車以高達100 km/h 的速度沿著線路運行時，AP 與AP 交接時報文丟失率可降至0.5%。所丟失的報文可以根據IEEE 802.11 協議簡單重新傳送。DCS 允許同一區域（通常由一個AP 或者幾個相連的AP 確定）內有多列車，還可以通過標準網絡層（IP）功能，支持對一列車、一組列車或者所有列車有選擇地進行通信，如圖1 所示。

圖1 車－地無線網絡架構Fig.1 Train-ground wireless network architecture

每個AP 無線裝置一般都有兩個定向天線，并分別面向線路的相反方向，即相鄰WRU 的信號可以重疊覆蓋整個進路，如圖2 所示。這種重疊提供了軌旁無線信號的冗余，如果一個WRU 或者隔一個WRU 交替發生故障，都能確保連續的無線覆蓋。這種對每個列車方向的冗余確保列車在所有情況下不會受到臨近線路上運行列車的不利影響。

圖2 冗余無線覆蓋Fig.2 Redundant wireless coverage

2 車地通信系統現狀

上海地鐵6、7、8、9、11 號線采用泰雷茲CBTC 信號系統，信號系統車地通信業務采用基于IEEE 802.11 協議的2.4 GHz 公用頻段自由無線覆蓋方案；線路軌旁AP 設備共2 126 套，架設在露天段的AP 設備525 套。通過對大數據平臺進行統計分析，從而掌握運營過程中車地通信穩定性及對運營的影響，現將2017 年11 月至2018 年3 月發生的車地通信故障數據分析匯總，如表1 所示。

表1 通信丟失及運營影響統計圖Tab.1 Statistical chart of communication loss and operation impact

從數據分析可以發現車地通信不暢的情況在泰雷茲各CBTC 線路均有發生，且對運營都造成了一定程度的影響，主要集中在露天段。

3 車地通信丟失的主要原因

3.1 設備性能降低

軌旁AP 設備硬件故障率逐年提升，主要為在露天段AP 天線、功分器、射頻纜接頭等設備在經歷常年的日曬雨淋、氣溫變化等環境因素影響下，其設備密封性能變差造成設備內部積水，腐蝕等問題，從而對軌旁AP 設備的各項性能指標產生較大影響，近年來由于車地通信不暢導致各類影響運營的故障頻繁發生。

3.2 外界干擾

由于上海地鐵CBTC 無線通信系統使用的是2.4 GHz 頻段屬于非牌照頻段，該頻段對大量短距離微功率通信系統、微波爐、專用醫療器械開放，因此隨著智能終端和Wi-Fi 接入的普及，該頻段電磁環境承載壓力巨大。對于上海地鐵數據通信系統造成干擾的主要干擾源為其他運營商的基站，其基站緊鄰高架段軌道兩側，線路地下段的其他運營商基站更是與地鐵AP 設備并列分布在隧道壁上，如圖3、4 所示，根本無法徹底切斷干擾。2018 年上海11 號線（以下簡稱11 號線）發生多次由于外界無線信號干擾造成的軌旁AP 設備熱重啟現象，導致列車通過該區域車地通信不暢。

4 故障對策

4.1 提高設備性能

圖3 其他運營商的基站 （高架段）Fig.3 Base stations of other operators (elevated section)

圖4 其他運營商的基站 （隧道內）Fig.4 Base stations of other operators (in tunnel)

對高架線路處的AP 發射功率偏低的設備進行整治維護，對明顯存在設備老化造成的各類硬件問題更換AP 天線、同軸電纜等硬件，預防故障發生，提高軌旁AP 設備可用性，確保車地無線通信質量。以11 號線嘉定新城至白銀路區段為例，如圖5 所示，對該區段AP 逐一排查，進行AP 整治。

對相應AP 進行整改維修：AP0309 關聯數70，更換600 纜，拆除衰減器。AP0313 關聯數正常但是warm start 重啟數40，拆除衰減器，并更換radio 板卡。AP0401 基礎數據正常，但從網絡抓包看數據實際傳輸量少，更換交換機和radio 板卡。AP0312 現場radio 端頻率偏小，天線端頻率正常，后更換其radio 板卡。整治前后AP 的關聯數有較大改善，如表2 所示。

多數AP 在整改之后，其熱重啟數和關聯數均有不同程度的改善。但個別AP 經過整改后，其信號接收能力提升，同時也更容易接收到干擾信號，導致整改后這些AP 的熱重啟次數上升，對此需進一步進行干擾信號測試，保證地鐵信號穩定。

4.2 過濾外部干擾源

通過對NMS 日志分析，針對熱重啟次數較多的AP，且每天發生熱重啟的地點固定，可判斷為內部radio 板卡老化或是周圍存在其他供應商基站干擾，導致AP 頻繁重啟而引起車地通信問題。以超過20次/天的列為跟蹤對象，其中AP2415 的熱重啟次數最多，其次則為AP3304 和AP2701，如表3 所示。

目前采用對AP 安裝帶通濾波器來過濾外部信號，利用頻譜儀對改進后的設備進行測量記錄，數據如圖6 所示，AP3304 熱重啟次數明顯下降，區段通信丟失也大幅降低。

從上述說明可以看出，即使采用抗干擾能力較強的IEEE 802.11 協議FHSS 調頻方案的車地通信，在面對電磁場環境惡化或強干擾源時，也會發生信號丟失，因此加強線路無線CBTC 系統電磁環境的監測, 制定預案，有助于更好的提高CBTC 信號系統的運行穩定性。

4.3 增加arp協議優化通信質量

對AP 交 換 機 增 加arp 協 議（Rate Limit 設置），將無線網絡中所有設備（軌旁AP 與車載SA）的IP 和MAC 地址對應關系添加到防火墻中，實現靜態地址綁定，固定數據的傳輸流向，避免數據傳輸時“走多余的路”。從而保證通訊數據的網絡暢通，降低其他因素的影響，VOBC 與MAU 之間丟失通信從之前兩小時384 次降低到如今一天只有26次，很大程度上提高了車地通信成功率。

4.4 建立數據分析長效機制

利用網絡管理系統（NMS）中記錄的AP 日志，通過建立數據模型，結合故障趨勢，可以預判設備狀態，提前維護存在隱患的設備，形成AP 設備的長效維護機制，進一步預防故障的發生。每月分析AP 熱重啟情況，根據日均重啟次數將AP 設備分為3 個等級（20 ～50 次為三級，50 ～80 次為二級，80 次以上為一級），重點監控高等級區域，并建立問題跟蹤機制。以上海地鐵11 號線為例，設備情況具體如表4 所示。

通過NMS 日志將2019 年12 月數據與上一個月的數據對比，發現AP0311、AP0804、AP1101、AP1616 連續多月熱重啟數過多，呈上升趨勢，需進行整治；AP0310、AP0409、AP0602、AP1118 熱重啟次數有明顯增加且呈上升趨勢，需對這些AP進行PICO 測試；AP0726 熱重啟次數從22 日起突然猛增，此AP 位于洞下段可加裝濾波器改善問題。這套維護機制運作一年多，2019 年全年此類故障數較2018 年下降了93%，設備穩定性大大提升。

圖5 嘉定新城至白銀路線路圖Fig.5 Jiading New Town-Baiyin Road line diagram

表2 嘉定新城至白銀路AP關聯數整治前后對比Tab.2 Comparison of AP correlation number of Jiading New Town-Baiyin Road before and after treatment

表3 AP熱重啟統計表Tab.3 Statistics of AP hot restart

圖6 AP3304熱重啟趨勢圖Fig.6 Hot restart trend of AP3304

5 結束語

地鐵作為城市軌道交通系統的一部分，對緩解城市交通壓力、實現列車高速、可靠、安全的運行起著重要的作用。軌道交通設置列車自動控制系統的目的：一是確保運行安全；二是提高運營效率。本文對當前上海地鐵泰雷茲信號系統的CBTC 線路車地通信故障進行研究分析，通過硬件、軟件、電磁環境等方面的改進，以期在目前技術基礎上，提高上海地鐵信號系統的安全和可靠性，滿足城市軌道交通信號系統應用及發展的需要，對節約軌道交通建設的投資、提高運輸效率、提高運營品質等方面都具有重大意義。

表 4 各車站熱重啟等級
Tab.4 Hot restart level of the stations

熱重啟等級 AP 車站一級 AP1616 上海西站二級AP0311 白銀路站AP0726 昌吉東路站AP0804 上海賽車場站三級AP0107 嘉定北站AP0212 嘉定西站AP0213 嘉定西站AP0214 嘉定西站AP0302 白銀路站AP0306 白銀路站AP0310 白銀路站AP0407 嘉定新城站AP0409 嘉定新城站AP0411 嘉定新城站AP0602 上海汽車城站AP0903 馬陸站AP0913 馬陸站AP1101 陳翔公路站AP1114 南翔站AP1118 南翔站AP3104 浦三路站AP4102 兆豐路站AP4103 兆豐路站APTT16 川楊河試車線

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