上海軌道交通9號線CBTC系統故障案例分析及其應對措施*

朱 俊

(上海申通地鐵集團有限公司， 201103， 上海∥工程師)

2020年7月1日16：00，上海軌道交通9號線(以下簡稱“9號線”)列車在松江新城站至佘山站上下行區段發生CBTC(基于通信的列車控制)系統通信丟失故障，直接影響該線晚高峰運營；該線的肇嘉浜路站、徐家匯站、桂林路站、漕河涇開發區站等車站因客流積壓先后采取了大客流管控措施，造成了較大的社會影響。本文對此次CBTC故障的原因進行深入分析。

1 故障案例的基本信息

CBTC系統是經實踐證明的先進的列車控制技術，通過無線通信鏈路連接列車控制系統中的車載設備、軌旁設備，以及運營控制中心設備，實現軌道沿線與運行列車之間的雙向通信，實時、動態地傳送列車的控制信息。CBTC系統的無線通信部分由信號系統集成商進行集成建設。目前，上海城市軌道交通線網中采用CBTC的線路，其無線通信均采用了Wi-Fi(無線保真)技術。9號線CBTC系統由上海電氣泰雷茲開發建設，該系統在軌旁無線AP(接入點)和車載SA(站點)之間提供多條冗余的Wi-Fi鏈路，以提高系統的抗干擾能力。若車地通信的故障時間超過3 s，列車將會減速；若超過12 s仍沒有恢復移動授權，則列車會立即施加緊急制動，以保證行車安全。

9號線本次故障區段為地上區段。CBTC系統故障發生后，通過技術排查和分析，確定存在外部信號干擾，導致故障區段內多個軌旁AP無法正常工作，列車進入被干擾區域后CBTC系統車地通信完全中斷。在相關政府部門的協助下，上海城市軌道交通運營管理單位于7月2日凌晨定位到外部干擾源。在屏蔽了外部的干擾源后，9號線CBTC系統于7月2日運營開始前恢復正常運行。

2 故障原因分析

2.1 9號線CBTC系統車地無線通信工作原理

如圖1所示，9號線CBTC系統車地無線通信基于IEEE(電氣電子工程師協會)制定的WLAN(無線局域網)802.11系列標準，工作頻段為2 402～2 480 MHz，通過偽隨機方式在79 MHz工作頻段內進行跳躍，載波帶寬為1 MHz。根據802.11標準中的CSMA/CA (載波偵聽多點接入/避免沖撞)信道接入協議，軌旁AP或車載SA發送數據前需先進行載波偵聽，偵聽的門限值為-84 dBm。若AP或SA偵聽到功率大于-84 dBm的信號，則會認為當前載波頻段被占用，將在等待/退避一段時間后按照跳頻圖案跳至另1個載波頻率重新進行信道偵聽。在2.4 GHz全頻段范圍內共有79個頻點可供跳頻，這使得該車地無線通信系統可以避開干擾，在其他頻點進行信息的重發。由于重新傳輸所導致的時延很小，不會給列車控制系統帶來影響。

圖1 9號線CBTC系統車地無線通信工作原理示意圖

2.2 故障原因分析

由于干擾信號的持續壓制，故障區段的Wi-Fi設備在任意載波頻段上進行載波偵聽時結果均為信道占用，導致該車地無線通信系統無法有效地傳輸數據幀，冗余鏈路設計失效，車地數據通信徹底中斷。

2.4 GHz頻段屬于國內免許可的ISM(工業、科學和醫學)開放頻段，因此該頻段在各領域得到了廣泛使用。利用開放的2.4 GHz頻段進行CBTC系統無線通信這一設計理念，是線路設計時缺乏城市軌道交通專用無線通信頻段條件下的無奈選擇。近年來，隨著終端智能技術的發展及大量的2.4 GHz無線產品的應用，壓縮了CBTC車地無線系統的使用空間，嚴重干擾了城市軌道交通信號CBTC系統的正常運行。2019年3月上海城市軌道交通6號線的巨峰路站、2020年6月上海城市軌道交通8號線的濟陽路站先后發生了受外部信號干擾影響而導致運營晚點的事件。

3 故障整改措施

綜上所述，需要根據實際的無線環境做出相應的措施改進。

3.1 加速推進1.8 GHz頻段無線綜合承載改造

2015年2月，工業與信息化部發布了《關于重新發布1 785～1 805 MHz頻段無線接入系統頻率使用事宜的通知》，明確指出1 785～1 805 MHz頻段可用于城市軌道交通行業專用通信。此后，中國城市軌道交通協會積極推進LTE(長期演進)技術在城市軌道交通中的應用。和Wi-Fi技術相比，LTE技術具有以下優勢：① 使用了城市軌道交通專用頻率，可提高抗外部干擾能力；② 支持高速移動場景，具有良好的切換性能；③ 采取安全分層架構，網絡受到的安全威脅較低；④ 可以大量減少區間設備，提高系統的可維護性。

上海城市軌道交通已邁入了超大規模城市軌道交通運營管理的新階段。為了更好地滿足新形勢下對行車控制、運營調度和移動信息傳輸綜合承載等方面的要求，上海城市軌道交通布局了LTE-M(城市軌道交通用長期演進)的建設規劃，用于承載以CBTC為核心的綜合性業務。LTE-M在有效保障行車安全類系統通信的高可靠性和低時延需求的同時，還滿足了非行車安全類系統通信的基本需求。隨著各類電磁兼容導致的安全隱患逐漸顯現，基于非授權頻段的 2.4 GHz無線CBTC系統需要盡快向1.8 GHz的LTE專用頻率網絡演進，因而，建議全網絡加快實施1.8 GHz頻段無線綜合承載的建設工作，并采用分步實施的方式對既有線路進行改造，以降低外部干擾所帶來的運營風險。

3.2 增強軌道沿線既有無線設備的抗干擾能力

軌道沿線新建的運營商基站有可能導致無線產品的“飽和”問題。“飽和”是指接收機在接收有用信號時，受到接收頻帶兩旁或接收頻帶內強信號的干擾，導致接收機功率飽和而阻礙通信。現有運營商基站的發射功率均很大，通過現場測試發現，其進入軌旁AP和車載SA的功率強度一度可超過-20 dBm，該強度的信號會導致現有軌旁AP和車載SA信號的“飽和”。為了避免這類情況的發生，需要在軌旁AP箱外和車載SA上采取串聯安裝 2.4 GHz帶通濾波器的方案，來避免運營商大功率基站對軌旁AP和車載SA的影響。通過在軌旁AP和車載SA外增加2.4 GHz帶通濾波器，可以有效保護CBTC的2.4 GHz頻段，并完全隔離2.4 GHz頻段以外的無線信號，避免非2.4 GHz的無線信號進入CBTC系統。

當列車關聯AP后，車地通信的數據包必然需要在經過局域網主用交換機傳到骨干網交換機后再轉給中央或者集中站的ATP(列車自動保護)設備。當軌旁AP或者車載SA受到無線干擾影響無法正常通信時，局域網主用交換機上也不存在故障時間段內的車地通信數據包。針對此情況，可以對局域網主用交換機與骨干網交換機的通信端口進行抓包。在故障發生后，可以通過分析故障時間段內的數據通信包，快速定位故障點，確認故障是否為無線環境受到干擾。

3.3 健全上海城市軌道交通的無線電管理機制

為了切實、有效、安全地在上海城市軌道交通范圍內使用各類無線通信系統，成立了上海城市軌道交通無線電管理機構，以統一規劃和管理上海城市軌道交通范圍內的無線電頻率和技術。該機構的職責主要包括：① 統一分配和管理上海城市軌道交通范圍內的無線電頻率資源；② 評估上海城市軌道交通范圍內的無線技術應用風險；③ 形成上海城市軌道交通各線路(尤其是高架露天線路)沿線的相關無線電管理規定；④ 牽頭排查上海城市軌道交通范圍內的無線電干擾；⑤ 對上海城市軌道交通范圍內投用的無線設備進行檢測；⑥ 了解無線通信的前沿技術，結合城市軌道交通實際的使用需求，為上海申通地鐵集團有限公司提供技術建議。

3.4 提升上海城市軌道交通電磁環境的監測能力

研究無線信號電磁環境的場強實時監測方案，在城市軌道交通線路運營期間，全方位、無死角地動態監測城市軌道交通線路軌行區間的無線電磁環境，記錄無線電頻譜資源的占用情況，供信號維護人員及時掌握線路沿線的無線電磁環境變化特點及風險。

成立上海城市軌道交通無線電監測處置小組，其職責主要包括：完善外部干擾源檢測的手段與方式；監測上海城市軌道交通范圍內的各種無線電頻段，尤其加強對關鍵系統同頻率信號干擾源的監測；針對監測發現的問題，及時定位外部干擾源的位置，并根據預案實施處置。

3.5 加強外部聯動合力攻堅

對接上海市有關職能部門，對影響城市軌道交通運營的外部干擾信號源，做好應急聯動處置工作。積極與相關單位進行溝通和聯系，及時了解更新已報備的潛在干擾源設備的具體位置及干擾范圍，結合干擾設備的技術特點針對性地完善相應范圍內城市軌道交通無線設備的抗干擾性能，并提前做好處置預案。

積極推進與上海市有關職能部門的合作交流，通過委托培養、共建隊伍等方式，強化上海城市軌道交通無線電監測處置小組人員的能力建設。聯合上海市有關職能部門，定期開展針對外部干擾的聯動應急實戰演練，并進行總結交流，以積累寶貴經驗，進一步修改、完善應急處置預案，全面提高故障的應急處置能力，最大限度降低故障對運營的影響。

4 結語

本文針對上海軌道交通9號線CBTC系統通信丟失故障案例，結合CBTC系統的無線通信機制，分析了故障案例的根本原因，并通過有效的整改措施，全面加強了上海城市軌道交通無線電的規劃和管理，進一步提升了上海城市軌道交通無線電發生突發干擾事件后的應對和處置能力，切實保障上海城市軌道交通無線電通信的安全、暢通、有序。