上海城市軌道交通無線監測系統研究*

朱 俊 張羽中 張 郁 曾貴華

(1.上海申通地鐵集團有限公司， 201103， 上海； 2.上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海；3.上海交通大學電子信息與電氣工程學院， 200240， 上海∥第一作者， 工程師)

1 背景與現狀分析

無線通信系統作為城市軌道交通中的重要系統之一，在列車運行時起著無可替代的作用。一旦無線通信受到干擾，很有可能會導致列車晚點和清客，甚至嚴重影響乘客的出行。

隨著近年來無線技術的飛速發展，空間電磁環境日益復雜。對于無線技術高速發展準備不足以及對電磁兼容性管理不夠重視，導致無線頻譜的使用缺乏長期而有效的監測手段，城市軌道交通沿線的各種無線干擾對城市軌道交通各類無線系統的正常運行產生了影響。為了保證上海城市軌道交通范圍內各類無線通信系統的安全、有效運行，建立完善的城市軌道交通無線監測系統已迫在眉睫。

1.1 上海城市軌道交通無線通信系統現狀

上海城市軌道交通主要使用的無線通信系統頻譜如表1所示。在各類無線通信系統中，CBTC(基于通信的列車控制)車地無線通信子系統和LTE-M(城市軌道交通用長期演進)系統由于和行車控制直接相關，若受到無線干擾更易造成重大的運營影響。CBTC車地無線通信子系統的工作頻段為2.4 GHz。由于2.4 GHz是完全公開的，任何運營商、企事業單位和個人用戶均可使用該頻段，從而導致了2.4 GHz頻段的潛在干擾風險極大。LTE-M系統的工作頻段為1 785～1 805 MHz，其中：1 800～1 805 MHz的5 MHz頻段是上海城市軌道交通的專用頻段，剩余的15 MHz頻段是公共頻段。LTE-M雖然比CBTC車地無線通信子系統所在的ISM(工業、科學和醫學)頻段的干擾風險小很多，但發生各種無線干擾的可能性仍不容忽視。

表1 上海城市軌道交通主要無線通信系統頻譜劃分

1.2 上海城市軌道交通既有無線通信系統的問題分析

近年來，由于上海城市軌道交通區域內無線干擾事件頻繁發生，龐大的城市軌道交通網絡受到了巨大的運營壓力。然而，上海城市軌道交通無線干擾監測的手段卻十分匱乏，僅有幾臺手持式監測設備和少數精通無線監測的人員，這跟繁重的監測任務相比顯得捉襟見肘。

由于沒有長期且有效的無線環境監測手段，無法實時監測城市軌道交通區域內及周邊沿線的電磁環境，導致了上海城市軌道交通運維人員只有在發生無線干擾引發無線通信系統故障的情況下才能確認干擾的存在。此時再通過現場人員手持設備對干擾源進行排查，并與相關部門溝通協商解決故障，導致故障的處置時間較長。

2020年7月1日，9號線松江新城站—佘山站區段內列車發生CBTC信號通信丟失故障。該故障直接影響9號線的晚高峰運營，多個車站因客流積壓采取了大客流管控措施。整個故障處置歷時9 h 43 min，通過多家單位聯合排查，才最終找到位于洞涇站西南方向的干擾源。

這種被動且低效的方法顯然已無法適應上海城市軌道交通超大規模運營的要求。面對越來越復雜的電磁環境，為了能夠更快速地應對可能出現的故障，必須結合實際的運維條件，對無線環境監測的技術和手段做出相應的改進。

2 上海城市軌道交通無線監測的整體架構及功能需求

2.1 城市軌道交通無線監測的特點

無線環境監測一般分為固定監測和移動監測2方面。由于城市軌道交通無線通信系統呈線狀覆蓋，如果使用固定監測，即采用在沿線新增大量設備以覆蓋全線區域的方式，不僅設備的安裝位置很難規劃，還會造成極大的資源浪費。而如果只在若干重點站安裝監測設備，實際取得的監測效果并不理想。因此，在選擇無線監測設備時應主要考慮以移動監測為主，快速落實重點頻段電客列車車載監測設備的配備。這樣既可為干擾的應急響應奠定扎實的基礎，也能為后續逐步完善無線環境監測體系打下重要的數據基礎。

2.2 城市軌道交通無線監測的整體架構

基于以無線移動監測為主的原則，上海城市軌道交通無線監測系統的整體架構如圖1所示。

圖1 上海城市軌道交通無線監測系統的整體架構示意圖

移動監測主要采用在每條線路的電客列車上配備電客列車車載監測設備的方式來收集日常的各種無線參數數據。此外，應以無線電專業化團隊為核心成立無線監測處置小組，以無線監測車和人員手持便攜式監測設備作為應急故障搶修和精確定位干擾源的手段，由無線監測處置小組統一管理和使用。所有收集到的數據都將上傳至無線監測服務器，最終上傳至智能運維系統，并進行數據的保存與分析處理。

2.3 城市軌道交通無線監測系統的功能需求

CBTC系統利用雙向連續、大容量的車地數據通信功能對列車實施連續、自動的運行控制。高架、隧道線路的任何區間故障都有可能影響全線的運行秩序，所以無線監測需要完成對沿線所有區間的無線環境監測，而且需要結合高架和隧道線路的不同需求，進行有針對性的專項監測和數據分析。

1) 無線通用指標監測功能：雖然對高架和隧道線路有著不同的監測需求，但是有許多通用指標是監測中必不可少的，如無線頻段掃描、信號強度測量、通信協議解析、信號覆蓋分析、無線干擾分析、空口報文監測、無線環境記錄等。

2) 高架區間專項監測功能：高架線路的無線環境較為復雜，外部無線信號較多，容易影響車地通信系統的正常運作，所以高架線路的專項監測主要以外部信號的辨識、解析為主，如外部同頻信號解析、外部鄰頻信號解析、外部強干擾定位等。

1)船舶到達率(單位時間到達航道入口的航道數量)是描述航道入口處船舶到達頻率的一項參數，船舶到達率越大，航道內船舶密度越高，船舶發生減速的可能性會提升。

3) 隧道區間專項監測功能：隧道沿線的無線信號會出現大量的反射和多徑效應，進而影響信號質量。因此，在隧道線路內的監測以識別內部信號干擾和設備工作狀態為主，如識別天線傾角變化、檢測信號切換異常等。

3 無線監測系統的應用測試和效果分析

3.1 無線監測系統的應用場景

在移動監測體系搭建完成后，通過在電客車上部署無線監測裝置，可以準確地檢測出覆蓋和干擾問題。然后基于無線監測裝置收集到的數據，通過初步的處理和分析就可以直接應用到上海城市軌道交通的現有環境中，降低上海地鐵無線通信系統被干擾的風險。

1) 構建無線環境指紋庫：通過對收集到的隧道、車站、高架等線路區段的無線環境數據進行有效管理，可以及時了解無線環境的變化，保證各無線通信系統的正常運行。

2) 外部無線干擾快速定位：在突發無線干擾時，通過城市軌道交通線路高架區段的專項監測，利用干擾定位算法和無線環境指紋庫可快速定位干擾的來源和方位，進而有效縮短排除干擾故障的時間。

3) 內部無線干擾排查：由于城市軌道交通內部有許多系統使用的頻段十分接近，尤其是在隧道內和站臺上，會有很多互相干擾的現象發生。可以使用隧道區間專項監測技術，對車地無線通信空口報文數量和長度等進行實時監測，并對可能存在的內部無線干擾進行定位和排查。

3.2 無線監測系統的應用測試

在上海軌道交通5號線的電客列車上裝載了無線監測設備，通過對5號線銀都路站—北橋站區段進行無線監測系統的在線測試，用以驗證無線環境指紋庫構建功能和在線監測功能。無線監測系統的測試功能模塊如圖2所示。

注：AP——接入點；LTE——長期演進；Wi-Fi——無線保真。

3.2.1 無線環境指紋信息測試

1) 測試概述：采集測試區間每個網格的無線環境數據，并寫入無線環境指紋庫。

2) 測試流程：將北橋站—銀都路站區段線路劃分為若干個網格，并對網格進行編號。通過電客列車車載監測設備對每1個網格進行無線特征信息采集，并上傳至無線監測系統，生成無線環境指紋信息庫。

3) 測試結果：無線環境指紋信息測試結果示例如表2所示。

表2 無線環境指紋信息測試結果示例

3.2.2 軌旁無線設備異常監測

1) 測試概述：隨機關閉軌旁1個LTE-M基站和1個Wi-Fi(無線保真)的AP，無線監測系統將產生相關告警信息，并在地圖上直觀顯示出告警基站和AP的位置。

2) 測試流程：關閉軌旁沿線的某個AP和LTE-M基站；隨后，在列車通過該測試區段時，無線監測系統通過將實時測量的數據和該區段的歷史網格指紋信息進行比對分析，能快速識別出被關閉的軌旁AP和LTE-M基站，并產生相關告警信息，在地圖上直觀顯示告警基站和AP。

3) 測試結果：軌旁無線設備異常告警信息測試結果示例如圖3所示。

a) 設備告警信息

b) 設備告警發生地

3.2.3 無線干擾的測量及定位

1) 測試概述：發送2.4 GHz和1.8 GHz干擾信號，無線監測系統將產生相關告警信息，并在地圖上直觀顯示干擾源位置。

2) 測試流程：針對2.4 GHz頻段，本次測試采用2.40～2.48 GHz全頻段無線干擾器，通過發送寬頻白噪聲來干擾軌旁AP的正常通信；針對1.8 GHz頻段，本次測試通過外部測試基站發射同頻干擾信號來干擾軌旁LTE-M基站的正常通信。測試列車經過該干擾測試區域后，車載監測測試設備能快速發現來自外部的強干擾信號，并產生相關告警信息。同時，無線監測系統迅速啟動反向干擾定位功能，計算干擾源的位置，并在地圖上直觀顯示干擾源位置。

3) 測試結果：無線干擾告警信息測試結果示例如圖4所示。

b) 外部干擾設備位置

3.3 無線監測系統的應用效果分析

根據現有的無線環境維護規程，線路維護人員需進行日常維護和定期巡檢。在無線監測系統部署后，線路上可以實現無線環境自動巡檢，進而減少了維護人員攜帶測試儀表的工作量，降低了設備維護成本。

同時，無線監測系統的持續使用可以積累大量數據。通過歷史數據的對比和分析算法，可以快速定位突發干擾，縮短因發生干擾導致的故障的修復時間，并對無線環境劣化進行預警。

此外，無線監測設備還可以監測CBTC車地無線通信的狀態，并針對軌旁設備和車載設備進行設備健康度分析。由于信號大修改造周期較長，如果設備狀態監測不完備，通常需要定期替換全部在用信號設備。而通過使用無線監測設備對CBTC設備進行狀態監測，能有效評估設備的運行狀態和劣化趨勢，由此只需替換或者維修部分問題設備即可。

4 結語

本文對上海城市軌道交通無線監測系統的特點和應用效果進行了分析，并對無線監測系統的測試設備進行了測試驗證。通過配置移動監測設備，上海城市軌道交通可以在短期內建立起一個快速、有效的無線監測體系，從而減少因無線受干擾引發故障的情況，改善上海城市軌道交通的運維環境。