廣州地鐵CBTC系統(tǒng)信號車地通信故障改善研究

廣州地鐵集團有限公司 姚貫岳

在Seltrac?無線CBTC系統(tǒng)中，車地通信系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心關(guān)鍵設(shè)備，車地通信系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量直接影響行車效率。本文通過運用精益六西格瑪工具，以廣州地鐵14號線為例，開展車地通信故障改善研究。通過對車地通信系統(tǒng)故障進行測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因及質(zhì)量影響因素，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現(xiàn)車地通信系統(tǒng)質(zhì)量提升，降低故障率。

廣州地鐵目前十四號線號線采用的信號系統(tǒng)為Seltrac?無線CBTC系統(tǒng)（以下簡稱信號系統(tǒng)），車地通信是該系統(tǒng)的核心關(guān)鍵設(shè)備。若發(fā)生無線通信故障，則列車無法以CBTC模式運行，導致列車晚點，極大降低運營服務質(zhì)量。線路無線AP設(shè)備數(shù)量上千個，且部分區(qū)間長、高架區(qū)間多，初期運營階段存在車地通信丟失次數(shù)龐大、信號人員獲取故障信息繁瑣、無法精準定位故障點、設(shè)備維護困難等問題。因此，本文運用精益六西格瑪工具，通過測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現(xiàn)車地通信系統(tǒng)質(zhì)量提升，降低故障率。

1 車地通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

廣州市軌道交通十四號線一期及知識城支線正線信號系統(tǒng)采用了Seltrac?無線CBTC系統(tǒng)，該系統(tǒng)由ATP、計算機聯(lián)鎖、ATO、ATS、DCS、維護監(jiān)測等子系統(tǒng)組成。其中數(shù)據(jù)通信（DCS）子系統(tǒng)網(wǎng)絡由有線網(wǎng)絡及無線網(wǎng)絡部分組成，該系統(tǒng)為所有列車控制子系統(tǒng)提供IEEE802.3（以太網(wǎng)）接口，負責在一個控制子系統(tǒng)和另一個雷車控制子系統(tǒng)之間發(fā)送和接受IP報文，其中大多數(shù)列車控制子系統(tǒng)是移動的。

有線網(wǎng)絡采用單模光纖網(wǎng)絡，由高速交換機和單模光纖構(gòu)成，使用IEEE 802.3作為有線的通信標準，使用Hirschmann交換機和光纖進行站－站之間的數(shù)據(jù)傳輸；一段骨干網(wǎng)絡構(gòu)成了軌旁網(wǎng)絡，該軌旁網(wǎng)絡沿線路延伸。沿線車站設(shè)備室的ATC設(shè)備與軌旁網(wǎng)絡的網(wǎng)絡交換機連接。每個WRU包含一個無線接入點（AP）。

無線網(wǎng)絡是由軌旁無線網(wǎng)絡設(shè)備及車載無線網(wǎng)絡設(shè)備構(gòu)成，無線鏈路的一端是AP，而另外一端則在列車上，并連接到車載無線單元（OBRU），使用IEEE 802.11作為無線通信的標準。軌旁無線網(wǎng)絡設(shè)計－主要由WRU（軌旁無線單元）、單模光纖沿線路分布并形成，仍然是基于IEEE 802.3以太網(wǎng)標準的有線通信網(wǎng)絡。列車上的電臺適配器SA和地面的軌旁無線單元AP截取適合的報文并通過已經(jīng)建立的無線鏈接來傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)軌旁無線網(wǎng)絡如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)軌旁無線網(wǎng)絡

2 車底通信丟失故障分析

車地通信故障呈現(xiàn)故障點多，故障常常無明顯規(guī)律，偶發(fā)性強等特點，給查找故障帶來了很多的困擾。因此，為了系統(tǒng)科學全面的梳理出故障原因，通過精益六西格瑪工具快速找出引發(fā)故障的根本原因，并依據(jù)制定對應的改善方案。這個分析過程，可以分為測量和階段兩個階段。

2.1 測量階段

如圖2所示，根據(jù)車地通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及設(shè)備的位置，可以將該系統(tǒng)構(gòu)分成車載，軌旁及中央三部分，依據(jù)車地通信數(shù)據(jù)流向，樹立信息流通過哪些設(shè)備，形成了測量檢查流程圖，確定我們要系統(tǒng)檢查的設(shè)備及流程。

圖2 車地通信重要部件檢查處理的主要過程步驟進行梳理形成流程圖

2.2 分析階段

如圖3所示，通過IPO圖，確定了我們要研究設(shè)備的輸入輸出。通過故障樹來確定影響輸出的關(guān)鍵原因。如圖表1所示，再通過失效模式及效果分析FIMA圖，確定了引起車地通信故障關(guān)鍵因素的影響程度。通過系統(tǒng)全面的分析，得出了車底通信丟失重點主要是AP天線功率低、AP天線角度及位置，通信隧道超時，三層交換機網(wǎng)絡波動等重要因素。其中三層交換機網(wǎng)絡波動導致通信丟失的原因比較明確，可以直接修改三層交換機的協(xié)議，解決網(wǎng)絡波動的問題。而AP天線功率低、AP天線角度及位置、通信隧道超時需要進一步量化分析。

圖3 IPO圖識別輸入輸出變量

表1 車底通信丟失故障FIMA（失效模式及效果分析）圖

2.2.1 隧道建立超時分析

隧道建立超時指的是隧道建立超過一個小時，超過的時間越長，通信丟失的次數(shù)越多。如圖4所示，通過統(tǒng)計得出有部分隧道建立超時的情況，且普遍發(fā)生在每個列車上，而隧道超時導致丟通信達平均達25.38次，遠遠超過了日均1.8次，得出了隧道超時是重點影響因素。

圖4 發(fā)生隧道超時故障與平均丟通信次數(shù)對比圖

2.2.2 AP天線功率分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，超過95%的通信丟失發(fā)生在高架區(qū)間，對高架的AP天線的功率進行統(tǒng)計，功率未達標的AP占總數(shù)達17.39%，而丟通信較多區(qū)段普遍存在AP功率低于標準的情況，而高架段和地下段的區(qū)別主要是設(shè)備運行環(huán)境不同，有75%的天線功率偏低的原因是天線密閉性工藝不良進水導致。

2.2.3 AP天線角度及位置分析

通過讀取列車掃描到的AP場強進行分析，發(fā)現(xiàn)存在特定位置場強突然下降現(xiàn)象，列車收到的AP場強因素在排除AP天線和列車的距離及AP天線本身的功率強弱因素后，AP天線和列車天線正對的面積是影響車地通信關(guān)鍵因素所在。如圖5右圖所示，在排查過程中發(fā)現(xiàn)AP角度有明顯偏離的現(xiàn)象。

圖5 AP天線角度正確安裝示意圖

對于通信丟失的集中的具體位置及列車掃描到的異常點再進行分析，結(jié)合現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，該問題區(qū)段有高架橋的遮擋影響，從而導致了丟失異常多。

圖6 AP天線安裝位置遮擋示意圖

通過量化分析階段我們得出了通信隧道建立超時、AP天線進水導致功率下降，AP天線角度及位置直接影響車地通信質(zhì)量等四大主要原因。

3 車地通信丟失故障改善

3.1 通信隧道超時改善

通過修改軟件，若隧道超時未能自動建立導致丟包超過12s，則重新發(fā)起建立隧道命令，3s內(nèi)完成重建，避免長時間隧道未建立導致的通信丟失發(fā)生。通過軟件升級測試結(jié)果顯示，因隧道超時導致的通信丟失從平均丟25.38次降為2次以內(nèi)，下降幅度為92%。

3.2 AP天線功率改善

高架段軌旁無線AP天線、接口、功分器等密封性不佳，會導致天線功率下降，高架段已經(jīng)進水的AP天線更換成已經(jīng)完成封膠防水處理的AP，對未進水的AP天線進行封膠防水整治，避免可能的進水導致AP天線功率降低，從而改善了軌旁的場強覆蓋，提高列車掃到的場強質(zhì)量。并同時針對列車，進行了OBRU故障的排查、線纜進行緊固，并編制設(shè)備檢查工藝。

3.3 AP天線角度及位置改善

在排查過程中發(fā)現(xiàn)AP角度有明顯偏離的現(xiàn)象，按照圖5左側(cè)AP角度安裝方式調(diào)整，緊固螺絲，避免惡劣天氣引起角度轉(zhuǎn)動并增加防松措施，列車掃到的AP場強有著明顯的提高。對于部分AP位置不佳問題，如圖6所示區(qū)段，可通過移動AP位置或增加AP進行改善，并制定天線檢查工藝指引。

4 車地通信丟失故障控制

車地通信丟失故障及設(shè)備質(zhì)量改善后，可以通過以下措施對車地通信丟失故障進行控制。

（1）修訂完善管理規(guī)范，制定《DCS系統(tǒng)監(jiān)控規(guī)范》《車地通信日常巡視規(guī)范》《高架段車地通信設(shè)備維護標準》《車載無線設(shè)備檢查工藝》《軌旁AP天線檢查整改工藝》等規(guī)范，實現(xiàn)標準化防錯。

（2）制作AP天線功率測量工裝，提升測試工作效率。

（3）通過自主開發(fā)車地通信智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)車地通信數(shù)據(jù)可視化，直觀的分析數(shù)據(jù)，可視化場強分析、設(shè)備狀態(tài)變化趨勢分析等智能檢測功能，有效提高現(xiàn)場檢查效率，識別更多的故障類型。實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)化，統(tǒng)計。對已明確的異常數(shù)據(jù)和故障模型，系統(tǒng)可以自動檢測出結(jié)果，并確定故障位置，給出維護建議。對車地通信設(shè)備進行精準維修。

（4）開發(fā)車地通信設(shè)備巡檢系統(tǒng)，快速識別庫內(nèi)列車設(shè)備狀態(tài)，避免列車帶“病”上線。

結(jié)束語：本文運用精益六西格瑪工具，以廣州地鐵14號線為例對車地通信系統(tǒng)設(shè)備進行測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因及質(zhì)量影響因素，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現(xiàn)車地通信系統(tǒng)質(zhì)量提升，降低故障率。并結(jié)合廣州地鐵CBTC系統(tǒng)信號車地通信質(zhì)量改善的有效措施，總結(jié)提煉出出車地通信丟失故障控制措施，從而給信號維保人員科學開展車地通信系統(tǒng)質(zhì)量改善提供參考及方向。