無(wú)線干擾測(cè)評(píng)為軌交安全運(yùn)行保駕護(hù)航

凌巍　黃儉　闞肖慶

截至2013年年底，上海地鐵日最高客流量已突破850萬(wàn)人次，日均客流在700萬(wàn)人次以上，承擔(dān)了全市35%的公共交通出行客流量，運(yùn)營(yíng)線路的總里程已經(jīng)達(dá)到538公里（不含磁懸浮示范線），截至2020年運(yùn)營(yíng)里程數(shù)將超過(guò)600公里。

在軌交的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展中，越來(lái)越多的軌道交通列車控制系統(tǒng)采用cBTc（communication Based Train control）無(wú)線通信系統(tǒng)，2013年年底采用CBTC的運(yùn)行線路達(dá)到8條，并且根據(jù)上海市規(guī)劃，在2020年將建成17條線路，通車?yán)锍虒⒊^(guò)500公里，應(yīng)用cBTc的線路也將有所增加。

軌交CBTC系統(tǒng)應(yīng)用

CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)即基于無(wú)線通信的列車控制系統(tǒng)，是一個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙向車地?cái)?shù)據(jù)通信和高精度列車定位等。它分為列車控制和信息傳輸兩大部分（見(jiàn)圖1）。

列車控制部分為ATc（Automatic Train control）系統(tǒng)，包括ATP（Automatlc Train Protection，列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）、ATS（Automatic Train supervision，列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)）、ATO（Automatic Train operation，列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）三個(gè)子系統(tǒng)，完成列車狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息的處理，并控制列車的運(yùn)行。

信息傳輸部分為Dcs（Distributed control system），采用無(wú)線通信系統(tǒng)，進(jìn)行連續(xù)雙向的車一地通信，完成列車向地面控制設(shè)備傳遞列車位置、速度及其他狀態(tài)等。

上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)采用了2.4GHz免授權(quán)頻段，采用了兩家供應(yīng)商系統(tǒng)設(shè)備。其中，上海自儀泰雷茲交通自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司承建五條軌交線路，即第6、7、8、9、11號(hào)線，卡斯柯信號(hào)有限公司承建四條軌交線路，即第10、12、13、16號(hào)線。這種免授權(quán)頻段雖然在很大程度上降低了建設(shè)成本，但是隨著此頻段內(nèi)WiFi、藍(lán)牙等應(yīng)用規(guī)模的指數(shù)型增加，對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾也呈現(xiàn)嚴(yán)重趨勢(shì)。

干擾兼容性研究的重要性

由于2 4GHz/ISM頻段為無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、無(wú)線接入系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)、無(wú)線電定位業(yè)務(wù)，以及工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）等非無(wú)線電設(shè)備的共用頻段，近來(lái)，隨著移動(dòng)通信和無(wú)線城市的建設(shè)，個(gè)人設(shè)備、公眾網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用也越來(lái)越普及，2G/3G+WLAN已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)建網(wǎng)模式，城市中WiFi熱點(diǎn)將越來(lái)越多，2.4GHz頻段的無(wú)線電磁環(huán)境呈現(xiàn)出惡化趨勢(shì)。

在移動(dòng)終端方面，手機(jī)擁有率不斷提升，在大中城市中已經(jīng)接近100%。在性能方面，智能終端的性能不斷提升，終端設(shè)備中的WiFi模塊早已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。在功能上，移動(dòng)終端不僅可通過(guò)2G/3G/WiFi實(shí)現(xiàn)本機(jī)上網(wǎng)業(yè)務(wù)，大多數(shù)智能終端還可通過(guò)啟動(dòng)“個(gè)人熱點(diǎn)”功能，實(shí)現(xiàn)附近多個(gè)WiFi設(shè)備的無(wú)線鏈接。除了智能移動(dòng)終端外，品種繁多的便攜式3G無(wú)線路由器（MiFi設(shè)備）也越來(lái)越普及，可以方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)WiFi終端隨時(shí)隨地通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)……以上種種情況都不利于軌交cBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。與此相對(duì)的是，軌道交通承擔(dān)的強(qiáng)大客流壓力，軌交區(qū)域成為城市安全運(yùn)行保障和重大災(zāi)害預(yù)防的重點(diǎn)之一。

2012年11月初，發(fā)生了深圳地鐵蛇口線采用CBTC的線路發(fā)生多次暫停運(yùn)營(yíng)事件。根據(jù)通信和無(wú)線電主管部門組織的多次調(diào)查，初步判斷是蛇口線的軌交信號(hào)系統(tǒng)因受到干擾，啟動(dòng)了自動(dòng)防護(hù)功能而產(chǎn)生緊急制動(dòng)。干擾原因已初步鎖定為由乘客攜帶的便攜式WiFi（MiFi設(shè)備）所導(dǎo)致。

由于深圳事故線路的CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)部分的提供商為卡斯柯信號(hào)有限公司，為上海軌交四條線路的承建商。上海市政府和國(guó)家無(wú)線電管理局責(zé)成上海市無(wú)線電管理局就上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾兼容性進(jìn)行專題研究。

2012年年底，上海市無(wú)線電管理局緊急啟動(dòng)了對(duì)上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾兼容性測(cè)試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。上海無(wú)管局與上海申通公司，在市建設(shè)交通委、市交通港口局、市經(jīng)濟(jì)信息化委等委辦局的支持下，確定了“存技術(shù)研究基礎(chǔ)上盡早形成對(duì)上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾防范措施，建立CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)安全的保障機(jī)制”的研究目標(biāo)。

2013年年初，國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心和電信科學(xué)技術(shù)第一研究所等單位，組成“上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾兼容性測(cè)試項(xiàng)目組”，開(kāi)展上海軌交CBTCS～線通信系統(tǒng)干擾兼容性測(cè)試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

四階段測(cè)試千擾兼容性

“上海軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾兼容性測(cè)試項(xiàng)目組”的工作目標(biāo)為從研究軌交各類干擾場(chǎng)景著手，對(duì)各類CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證、干擾模擬測(cè)試、軌交線路測(cè)試驗(yàn)證等工作，在此基礎(chǔ)上，對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾兼容性進(jìn)行評(píng)估。

測(cè)試分為仿真評(píng)估、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬測(cè)試、試車線環(huán)境測(cè)試和正線環(huán)境驗(yàn)證測(cè)試四階段，分別通過(guò)測(cè)試儀表和2.4GHz頻段的各類802.11x干擾設(shè)備模擬最惡劣干擾、嚴(yán)重干擾和正常運(yùn)行場(chǎng)景，測(cè)試被測(cè)系統(tǒng)抗干擾性能，以了解軌交DCS系統(tǒng)的干擾兼容性。

仿真評(píng)估。目的在于研究設(shè)備工作原理、抗干擾性能，確定實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬測(cè)試下的測(cè)試條件。主要工作內(nèi)容是通過(guò)搭建仿真測(cè)試環(huán)境，對(duì)各類2.4GHz無(wú)線電設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)對(duì)AP（Access Point，訪問(wèn)接入點(diǎn)）設(shè)備的干擾性能進(jìn)行仿真，研究熟悉干擾設(shè)備工作原理，確定模擬環(huán)境和軌交線路下的測(cè)試條件（見(jiàn)圖2）。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬測(cè)試。目的在于考察軌交CBTC無(wú)線通信單系統(tǒng)在2.4GHz內(nèi)有/無(wú)同頻干擾信號(hào)情況下的系統(tǒng)性能變化，在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下驗(yàn)證干擾性能，得出系統(tǒng)受到干擾的臨界點(diǎn)等指標(biāo)，確定軌交CBTC無(wú)線通信在實(shí)際環(huán)境下測(cè)試條件。主要工作內(nèi)容是通過(guò)搭建模擬測(cè)試環(huán)境，模擬測(cè)試各類干擾源設(shè)備對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾（見(jiàn)圖3）。

試車線測(cè)試。目的在于考察在軌交環(huán)境下，軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)在2.4GHz頻段內(nèi)有/無(wú)同頻干擾信號(hào)情況下的系統(tǒng)性能變化，確定軌交cBTC正線環(huán)境下測(cè)試條，件，進(jìn)一步為正線驗(yàn)證進(jìn)行指導(dǎo)。主要工作內(nèi)容是研究試車線/試驗(yàn)線場(chǎng)景下，2.4GHz頻段的無(wú)線電磁環(huán)境、在各類干擾源設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)不工作/工作情況下，測(cè)試CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)性能變化：如信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、系統(tǒng)受到干擾的臨界點(diǎn)以及DCS系統(tǒng)冗余度性能的測(cè)試評(píng)估（見(jiàn)圖4）。

正線驗(yàn)證測(cè)試。目的在于在模擬環(huán)境測(cè)試和試車線測(cè)試基礎(chǔ)上，在正線典型場(chǎng)景下對(duì)各類2.4GHz無(wú)線電設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，在有條.件下對(duì)線路的無(wú)線電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要工作內(nèi)容是研究各典型場(chǎng)景下，2.4GHz頻段的無(wú)線電磁環(huán)境、在各類干擾源設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)不工作/工作情況下，測(cè)試CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)性能變化：如信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、系統(tǒng)受到干擾的臨界點(diǎn)以及通過(guò)對(duì)不同線路無(wú)線電磁環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，研究每條線路的差異性。

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步對(duì)軌交CBTC.無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其中包括對(duì)軌交信號(hào)控制系統(tǒng)的信息安全測(cè)評(píng)、系統(tǒng)性的防范安全措施、工作頻率的安全性評(píng)估、對(duì)可能引發(fā)干擾的無(wú)線設(shè)備種類、數(shù)量級(jí)以及技術(shù)參數(shù)等方面工作，最終形成總體預(yù)判和措施建議。

四個(gè)階段的測(cè)試，分析了2.4G頻段內(nèi)各類無(wú)線電設(shè)備對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾，并考慮了今后4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，研究了LTE設(shè)備TDFi對(duì)軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾可能性。根據(jù)干擾源數(shù)量、種類、連接速率等各種組合，制定了多種干擾模型對(duì)CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行干擾測(cè)試，測(cè)出其在不同情況下的抗干擾性能。

軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)干擾兼容性的優(yōu)良與軌交安全息息相關(guān)，運(yùn)用測(cè)試方法對(duì)軌交無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)管并完成技術(shù)上的提升，是積極且必要的途徑之一。相信隨著業(yè)界對(duì)該項(xiàng)目的研究和測(cè)試，有關(guān)的數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估工作不斷完善，能夠?yàn)橹鞴懿块T提供有效的決策依據(jù)，為軌交CBTC無(wú)線通信系統(tǒng)安全提供保障，進(jìn)而為軌交安全運(yùn)行提供更多一層保障，為市民安全出行打下良好基礎(chǔ)。