天津地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)TWC故障分析

天津市地下鐵道運(yùn)營有限公司 史文彬

1 系統(tǒng)概述

天津地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)采用龐巴迪CITYFLO 650列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，為基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）。

在龐巴迪信號(hào)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）為信號(hào)業(yè)務(wù)的傳輸提供了一個(gè)專用數(shù)據(jù)通道。DCS系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（DTS）和車地通信系統(tǒng)（TWC）。DTS是數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于為信號(hào)系統(tǒng)提供專有有線信息傳輸，為中心與車站之間、車站與車站之間、控制中心設(shè)備之間、車站設(shè)備之間提供信息的高速通道，確保信息的安全、可靠、及時(shí)傳輸。TWC為車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于軌旁設(shè)備與車載設(shè)備的無線信息傳輸。本項(xiàng)目使用的TWC系統(tǒng)使用漏纜傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車-地雙向通信，基于ISM的2.4G開放頻段，利用軌旁網(wǎng)絡(luò)無線組件（WNRA），構(gòu)建一個(gè)高可靠性、高可用性和高維護(hù)性的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)。[1]

在車地通信過程中，無線通信處理器（RCP） 作為 RATP 機(jī)柜裝配的一部分，作為信息傳輸?shù)氖级?，相關(guān)的 RATP 和 RATO 計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)打包成一個(gè) ATC 數(shù)據(jù)包。此數(shù)據(jù)包通過設(shè)置在區(qū)域站信號(hào)設(shè)備室的DTS核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，經(jīng)過交換、路由過程發(fā)送至軌旁TWC網(wǎng)絡(luò)中，TWC網(wǎng)絡(luò)通過信息識(shí)別發(fā)送至特定的WNRA中，后者再將數(shù)據(jù)發(fā)送至車載信號(hào)設(shè)備中，此過程是雙向的，通過 UDP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。

2 TWC系統(tǒng)故障原因及應(yīng)對(duì)措施

從天津地鐵3號(hào)線五年的運(yùn)營故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來看，TWC系統(tǒng)故障主要分為以下四類：WNRA電臺(tái)故障、漏纜及饋線故障和TWC網(wǎng)絡(luò)故障。下面將從對(duì)上述三個(gè)方面做詳盡的分析總結(jié)。

2.1 WNRA電臺(tái)故障

本項(xiàng)目中，在每個(gè)無線區(qū)域有兩個(gè)WNRA，一個(gè)為主WNRA（A），一個(gè)是次WNRA（B）。在每個(gè)區(qū)域的主選和次選WNRA工作在相同的頻段上?！癆”或“B” WNRA均可與列車通信，但不同時(shí)進(jìn)行。如果使用“A”WNRA，則“B”WNRA處于熱備狀態(tài)，并監(jiān)測A和B WNRA的無線射頻信道的狀態(tài)。典型的安裝為沿著每側(cè)軌道設(shè)置Radiax漏纜，并由一對(duì)冗余的WNRA 驅(qū)動(dòng)。由于跨隧道采用Heliax電纜是不現(xiàn)實(shí)的，因此每個(gè)隧道都有自己的WNRA，信號(hào)耦合器將WNRA和漏纜天線系統(tǒng)連接在一起。

電臺(tái)為WNRA的核心部件，用于發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。單個(gè)電臺(tái)故障不影響信號(hào)系統(tǒng)正常運(yùn)營，但存在相當(dāng)大的運(yùn)行隱患，需要及時(shí)處理。經(jīng)過分析，將WNRA日常巡視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從TWC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、ATS無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集器（Data Collector）三個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，尤其是Data Collector最為直觀，WNRA位置對(duì)應(yīng)的是黃色的說明沒有數(shù)據(jù)傳輸，顯示綠色的說明有列車經(jīng)過此組WNRA，如果有列車經(jīng)過但是不顯示綠色說明該WNRA通信異常，一般為電臺(tái)故障，需要處理。通過專業(yè)WNRA配置工具箱對(duì)電臺(tái)進(jìn)行配置，停運(yùn)后更換。

2.2 漏纜及饋線故障

本項(xiàng)目中，用于TWC系統(tǒng)的無線傳輸與 802.11是不兼容的。與802.11系統(tǒng)不同，TWC系統(tǒng)無線信息傳輸?shù)耐瓿刹皇腔贗P地址。每一安裝有ATC設(shè)備的車廂在系統(tǒng)中具有其自身唯一的列車和車輛地址，該地址用于區(qū)域和車輛ATC之間的信息傳輸。無線區(qū)域之間的切換由ATC設(shè)備執(zhí)行，而不是由無線網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行。列車和車輛地址的使用替代了IP地址，并由移動(dòng)無線設(shè)備完成一個(gè)頻率區(qū)域至另一個(gè)頻率區(qū)域的傳遞，以提高系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

在抗干擾方面，TWC網(wǎng)絡(luò)的無線通信設(shè)備為商業(yè)通用設(shè)備，它并不同于802.11“Wi-Fi”設(shè)備。它使用了唯一用于龐巴迪列車控制應(yīng)用的私有協(xié)議，由Afar公司開發(fā)的專用于龐巴迪的客戶解決方案。它不具備802.11x兼容性，這就避免了與其他通用設(shè)備的通信。客戶定制協(xié)議的另外一個(gè)好處就是它允許軌旁區(qū)域根據(jù)車載ATC而非無線設(shè)備軟件的的控制進(jìn)行機(jī)動(dòng)切換。龐巴迪方案還實(shí)現(xiàn)了經(jīng)由軌旁無線的廣播，而不需要固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備之間存在IP連接。這一方法具有優(yōu)秀的切換特性，并且在一定程度上限制了數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)于級(jí)聯(lián)故障或者網(wǎng)絡(luò)入侵的敏感性。往年的無線電委員會(huì)測試結(jié)果也印證了TWC網(wǎng)絡(luò)在抗干擾性方面具有很大的優(yōu)勢。

出現(xiàn)該類故障時(shí)，主要故障現(xiàn)象為列車在故障地點(diǎn)出現(xiàn)頻繁換端，掉模式的情況。通過以上分析，可排除信號(hào)干擾的原因，通常情況下為漏纜或饋線問題，主要是漏纜衰耗過大，饋線安裝不良，需要對(duì)漏纜的信號(hào)輻射強(qiáng)度、漏纜及饋線的衰耗、饋線和連接件進(jìn)行測量、檢查，以排查相應(yīng)的故障點(diǎn)。

在測量漏纜信號(hào)輻射強(qiáng)度時(shí)，通過設(shè)置WNRA工作狀態(tài)，使用天饋線測試儀外接車載漏纜天線，模擬列車經(jīng)過，量測漏纜的信號(hào)輻射強(qiáng)度。整個(gè)信號(hào)發(fā)射接收過程為WNRA電臺(tái)經(jīng)過FSJ4饋線、連接件、信號(hào)耦合器、漏纜，車載漏纜天線、連接件、車載電臺(tái)。WNRA電臺(tái)信號(hào)輻射強(qiáng)度為20dBm，在整個(gè)過程中包含漏纜的傳輸衰減、耦合損耗、系統(tǒng)損耗，F(xiàn)SJ4的饋線損耗、連接件及功分器的損耗，車體的屏蔽作用和吸收損耗，環(huán)境因素等[2]。通過大量的測試及故障案例分析得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值：用該種方法測量到的參考值為-70dBm左右，列車車載信號(hào)天線可容忍信號(hào)接收強(qiáng)度為-90dBm，而當(dāng)該數(shù)值為-100dBm時(shí)車地通信質(zhì)量急劇下降，列車就會(huì)出現(xiàn)頻繁換端的情況，此時(shí)就應(yīng)考慮對(duì)漏纜、饋線和連接件進(jìn)行緊固或更換，以此來達(dá)到更好的輻射效果。

在本項(xiàng)目中該類故障主要集中在冬季的地上站，說明氣溫對(duì)漏纜的輻射效果有一定的影響。同時(shí)，在地上站采用LOS天線的天津地鐵2號(hào)線，信號(hào)輻射強(qiáng)度較為穩(wěn)定，運(yùn)營五年來未發(fā)生過該類故障。綜上所述，在地上站不適合采用漏纜輻射的方式做為傳輸媒介，更易采用LOS天線。對(duì)于該類問題，在信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)階段就應(yīng)提出地上站需采用LOS天線方式，為減少后期信號(hào)系統(tǒng)故障發(fā)生率及設(shè)備的維護(hù)量打下良好的基礎(chǔ)。

2.3 TWC網(wǎng)絡(luò)故障

該類故障發(fā)生的原因一般是由于TWC系統(tǒng)升級(jí)、檢修維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致。從故障統(tǒng)計(jì)來看，該故障發(fā)生率不高，但影響較大，會(huì)導(dǎo)致列車在某些區(qū)域降級(jí)運(yùn)行，只能以NRM模式行車。

一組WNRA包含WNRA A和WNRA B兩個(gè)，互為主備。如圖1所示，TWC網(wǎng)絡(luò)一般采用A與A或B與B的連接方式組成冗余網(wǎng)絡(luò)（環(huán)路1和環(huán)路2），但某些點(diǎn)位也會(huì)采用A和B一起連接的方式（環(huán)路3），以圖中虛線為分界點(diǎn)，數(shù)據(jù)流分別向兩個(gè)方向傳輸，當(dāng)環(huán)路上單個(gè)交換機(jī)故障時(shí)，數(shù)據(jù)流將從另外一側(cè)傳輸，構(gòu)成冗余網(wǎng)絡(luò)。環(huán)路3的缺點(diǎn)在于，當(dāng)兩個(gè)交換機(jī)的端口同時(shí)故障時(shí)，該端口上的所有WNRA的數(shù)據(jù)將無法傳輸，而該環(huán)路上又連接了某區(qū)域的所有WNRA，導(dǎo)致列車與地面無法通信，經(jīng)過此區(qū)域時(shí)將無法采用RTP/RATO模式行車，只能以NRM模式行車，對(duì)列車正常運(yùn)營造成重大影響。

圖1

從技術(shù)手段上，可以對(duì)該問題進(jìn)行預(yù)防性檢測以此來避免故障的發(fā)生，具體方法為：每次升級(jí)或維護(hù)檢修之后，對(duì)DTS維護(hù)工作站的超級(jí)終端（Hyper Terminal）進(jìn)行設(shè)置，通過遠(yuǎn)程登錄的方式對(duì)每個(gè)環(huán)路進(jìn)行檢查，對(duì)電臺(tái)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)，檢測每個(gè)WNRA電臺(tái)的數(shù)據(jù)收發(fā)，如果電臺(tái)無數(shù)據(jù)流則說明交換機(jī)端口沒有啟動(dòng)或故障、亦或網(wǎng)絡(luò)鏈路上的光纖或網(wǎng)線松動(dòng)，需要對(duì)相應(yīng)的交換機(jī)端口進(jìn)行重啟、緊固光纖或網(wǎng)線等操作（見圖1）。

3 結(jié)束語

列車控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，目前基于通信的移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)（CBTC）為主流，而未來基于車車通信的列控系統(tǒng)是下一代列控系統(tǒng)的發(fā)展方向。無論哪種列控系統(tǒng)，TWC系統(tǒng)作為信號(hào)系統(tǒng)中重要的一部分有著不可替代的作用。本文通過分析討論，對(duì)TWC系統(tǒng)故障進(jìn)行分類并提出相應(yīng)的故障處理方法和預(yù)防性措施，為信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、維護(hù)提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。

[1]徐金祥 沖蕾.城市軌道交通信號(hào)基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

[2]周杭.漏泄電纜功能分析及其選擇要素——漏纜在地鐵無線通信中的運(yùn)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2007(04).