CBTC系統(tǒng)車載設(shè)備常見故障原因分析及解決方案

張 燚

(成都地鐵運營有限公司，610058，成都 ∥ 高級工程師)

1 信號系統(tǒng)車載設(shè)備常見故障統(tǒng)計

成都地鐵1號線、2號線信號系統(tǒng)是眾合科技的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，已投入使用約8～9年。該CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備主要由司機(jī)顯示屏(TOD)、ATP/ATO(列車自動保護(hù)/列車自動運行)機(jī)籠、查詢器主機(jī)(TI)、信標(biāo)讀取天線、移動無線設(shè)備(MR)及天線、模擬加速度計、數(shù)字加速度計、速度傳感器、電源濾波板(BCB)、安全繼電器等組成。

從成都地鐵1號線、2號線近3年信號故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，車載設(shè)備故障約占信號系統(tǒng)故障總數(shù)的75%，占比最高。2017年1月至2019年6月成都地鐵1號線、2號線車載故障原因分類統(tǒng)計如圖1所示。由圖1可見，車地?zé)o線通信中斷、車地?zé)o線通信鏈路異常、丟失信標(biāo)(讀取信標(biāo)失敗)、加速度計自鎖是車載信號設(shè)備故障中最為常見的故障，因此，解決這四大難題是迫在眉睫的任務(wù)，做好這四大常見故障的深入分析和整改尤為重要。

圖1 2017年1月至2019年6月成都地鐵1號線、2號線車載故障原因分類統(tǒng)計圖

2 車地?zé)o線通信中斷原因分析及解決方案

車地雙向通信網(wǎng)絡(luò)是溝通車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的渠道，實現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用IEEE 802.11 g的WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)。發(fā)生車地?zé)o線通信雙網(wǎng)中斷超過3 s時，ZC(區(qū)域控制中心)發(fā)給該列車的移動授權(quán)會被回收，列車定位丟失，進(jìn)而導(dǎo)致緊急制動(EB)，列車以非ATO模式運行；無線通信恢復(fù)后，可升級為ATO模式運行。

2.1 車地?zé)o線通信中斷原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，造成車地?zé)o線通信中斷的主要原因是無線干擾，其干擾形式主要是阻塞干擾和交調(diào)干擾。

1) 阻塞干擾：是由通信運營商的通信基站發(fā)射的高功率E頻段造成的阻塞干擾。通過測試分析發(fā)現(xiàn)，中國移動的2.3 GHz頻段4G(第4代移動通信技術(shù))信號和2.5 GHz頻段5G(第5代移動通信技術(shù))信號，對信號系統(tǒng)使用的2.4 GHz頻段均有顯著的影響，抬升了CBTC系統(tǒng)中車地?zé)o線通信2.4 GHz頻段的空口占用率，超過了空口占有率小于20%的要求。

2) 交調(diào)干擾：中國移動的2.3 GHz頻段4G信號和2.5 GHz頻段5G信號同時存在時，產(chǎn)生的交調(diào)信號對CBTC系統(tǒng)中車地?zé)o線通信2.4 GHz頻段的空口占用率影響較大，尤其是當(dāng)運營商的無線通信基站安裝在區(qū)間的POI(多系統(tǒng)合路平臺)處時，空口占用率抬升約20%～30%。

2.2 無線干擾問題解決方案

根據(jù)多起案例分析和現(xiàn)場處理情況，目前主要是通過調(diào)整軌旁AP(無線接入點)速率、加裝濾波器、調(diào)整優(yōu)化AP位置和功率等方式解決無線干擾的問題。

1) 調(diào)整車地?zé)o線通信設(shè)備參數(shù)。通過將干擾區(qū)域軌旁AP速率由9.0 Mbit/s調(diào)至5.5 Mbit/s,將車載MR調(diào)整為9.0 Mbit/s和5.5 Mbit/s，提高抗干擾能力。表1為成都地鐵2號線某站車載MR與軌旁AP速率調(diào)整前后信噪比值對比表。由表1可見，調(diào)整后的信噪比(SNR)小于20 dB的次數(shù)明顯減少。

表1 成都地鐵2號線某站車載MR和軌旁AP速率調(diào)整前后SNR值對比表

2) 在車載MR和軌旁AP上加裝帶通濾波器，放大2.400～2.483 GHz間的信號，濾除其他頻段的信號，減少阻塞干擾，提高抗干擾能力。

3) 在通信運營商POI設(shè)備上加裝帶阻濾波器，同時協(xié)調(diào)運營商，適當(dāng)降低鄰近地鐵線路基站的發(fā)射功率，以減小對車地?zé)o線通信的影響。

4) 在地鐵車站和列車客室內(nèi)引入公共服務(wù)Wi-Fi熱點，減少個人熱點源的干擾。

3 車地?zé)o線通信鏈路異常原因分析及解決方案

車地通信鏈路主要是ZC與車載CC(車載控制器)主機(jī)間數(shù)據(jù)通信鏈路，路徑為：車載CC主機(jī)→MR及MR天線→AP天線及饋線→AP及光電轉(zhuǎn)換器→接入和骨干交換機(jī)→光傳輸平臺→骨干交換機(jī)等→ZC。車地通信鏈路中的高發(fā)故障主要是車載CC主機(jī)與MR間、MR與AP間通信異常。當(dāng)車地通信鏈路雙網(wǎng)中斷超過3 s時，ZC發(fā)給該列車的移動授權(quán)會被收回，同樣會導(dǎo)致列車EB，信號模式不可用。車地通信鏈路異常時恢復(fù)通信的概率非常小，故障后列車以非ATO模式運行，常常引起列車晚點，影響運營效率。

3.1 車地通信鏈路異常原因分析

判斷CC主機(jī)與MR間是否通信不良時，常常通過Frontam(數(shù)據(jù)存儲單元)工作站調(diào)閱ESE(車載交換板)、MR等是否有報警信息的方式來確認(rèn)。通過TOD上顯示的異常圖標(biāo)或報警提示，也可分析判斷CC主機(jī)與MR通信是否中斷。其中ESE板宕機(jī)是CC主機(jī)與MR通信異常的主要原因。

MR與AP間通信異常時，常常通過測試AP功率、丟包率、無線場強(qiáng)等方式，并會同車載日志綜合分析，確定MR與AP間通信是否異常。AP輸出功率低會直接降低車地通信質(zhì)量，而無線場強(qiáng)覆蓋不均也會使MR關(guān)聯(lián)AP受影響。AP天線長期在室外工作，受環(huán)境、震動等影響，天線方向可能會出現(xiàn)偏移，天線腐蝕可能會導(dǎo)致性能降低，這些因素常常會降低車地通信質(zhì)量。

零部件的老化會造成車載各板件、軌旁AP設(shè)備的電氣性能降低，從而導(dǎo)致車地通信質(zhì)量降低。同時車載復(fù)雜電磁干擾、板件上灰塵等微小顆粒物也會加大板卡異常工作的概率。

3.2 車地通信鏈路異常問題解決方案

在處理車地通信鏈路故障中，主要通過優(yōu)化AP功率、調(diào)整AP位置或技改升級換代等方式解決。

1) 軌旁AP位置和功率優(yōu)化。根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場場景，優(yōu)化調(diào)整地面AP點的位置。AP分布間距為200 m左右，彎道處分布間距約150 m，高架、共線路段、線路交叉坡道路段等環(huán)境，根據(jù)實際情況確定AP數(shù)量和間距。同時，調(diào)整AP功率達(dá)到無線場強(qiáng)全覆蓋。在地下“一洞雙線”區(qū)域，調(diào)整上下行AP功率，防止無線場強(qiáng)覆蓋不均導(dǎo)致的上下行互擾。

2) 定期重啟MR和AP。MR通過列車停運后斷電已達(dá)到重啟目標(biāo)。定期重啟AP，防止出現(xiàn)“假死”狀態(tài)，提高AP可靠性。

3) 均衡分配AP注冊控制器數(shù)量?？刂破髦心承┳訟P數(shù)量較多，導(dǎo)致控制器CPU和內(nèi)存占有率均較高，影響設(shè)備穩(wěn)定性。

4) 當(dāng)測試發(fā)現(xiàn)某一個或離散幾個AP通信質(zhì)量降低時，調(diào)整AP八木天線方向和角度，可部分解決車地通信質(zhì)量低的問題。當(dāng)Frontam工作站出現(xiàn)ESE板卡報警時，重新刷寫板卡程序，可部分解決ESE板程序宕機(jī)的問題。

5) 車地通信功能和性能是城市軌道交通所面臨的挑戰(zhàn)，目前LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))技術(shù)已日趨成熟，如條件允許可將早期WLAN技術(shù)替代為LTE-M技術(shù)。

6) 制定車地?zé)o線通信相關(guān)設(shè)備的大中修規(guī)程，及時對關(guān)鍵零部件進(jìn)行更換或換代。定期對CC機(jī)籠和AP箱內(nèi)進(jìn)行除塵，同時做好屏蔽地線的測試和檢查，確保環(huán)境良好。

4 丟失信標(biāo)原因分析及解決方案

信標(biāo)是安裝在軌道沿線并反映線路絕對位置的物理標(biāo)志。信標(biāo)通過接收車載天線傳遞的載頻能量獲得電能使地面信標(biāo)中的信號發(fā)生器工作，將存儲在信標(biāo)中的數(shù)據(jù)報文發(fā)送至列車上。丟失信標(biāo)(即讀取信標(biāo)失敗)會導(dǎo)致列車定位丟失，導(dǎo)致列車EB，影響運營效率。

4.1 丟失信標(biāo)原因分析

丟失信標(biāo)主要原因為TI及信標(biāo)讀取天線(TIA)輸出特性變化導(dǎo)致其無法正常讀取地面信標(biāo)指示的絕對位置，當(dāng)列車不確定度大于30 m時產(chǎn)生EB。根據(jù)車載讀標(biāo)工作原理分析可知，輸出功率變化的原因主要涉及到TI、衰減器、同軸電纜和TIA硬件電氣和機(jī)械特性不良。

TI不良的主要原因是內(nèi)部電子設(shè)備老化且受車載電磁干擾，電氣特性發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出載波功率頻率發(fā)生變化，TI發(fā)射功率會超過20～40 W標(biāo)準(zhǔn)。衰減器不良的主要原因是其內(nèi)部電容老化，輸出特性波動、輸出功率超標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致地面信標(biāo)天線接收到信號后，線圈產(chǎn)生的電壓不足以驅(qū)動信號發(fā)生器發(fā)送報文。TIA不良的主要原因是輸出阻抗不匹配導(dǎo)致輸出功率降低，同時TIA機(jī)械特性不良，如安裝高度不滿足(300±10) mm，天線中心線與車輛中心線誤差超過±5 mm、縱向發(fā)射夾角小于120°，橫向發(fā)射夾角小于90°，以及安裝工藝不達(dá)標(biāo)等變化也會導(dǎo)致讀取距離不符合要求。對于同軸電纜，主要是其接頭工藝不符要求導(dǎo)致輸出特性變化，無法與地面信標(biāo)正常通信。

4.2 丟失信標(biāo)問題解決方案

由上述分析可見，有必要對TI及TIA輸出功率變化、輸出頻率變化和讀標(biāo)距離這3個參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，提前對設(shè)備工作狀態(tài)做出預(yù)判，達(dá)到降低故障的目的。當(dāng)無法實施監(jiān)測時，可定期對其進(jìn)行電氣特性和機(jī)械特性測試，并結(jié)合車載日志進(jìn)行趨勢分析。根據(jù)趨勢分析結(jié)果，適當(dāng)進(jìn)行零部件更換或?qū)嵤┐笾行?，從而提高讀標(biāo)性能。

5 加速度計自鎖原因分析及解決方案

加速度計為兩套，兩套互為冗余，每套由兩個不同類型的加速度計組成。CC在接收加速度信息時，需要通過這兩套設(shè)備交叉檢查測量來保證數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)安全性。當(dāng)加速度測量無效時，CC能繼續(xù)測量列車的速度和列車的位移。在滑行情況下，不能以加速計測量的方式進(jìn)行速度補(bǔ)償，因為這會嚴(yán)重影響CC對列車位置不確定度的計算，不確定度超過閾值時，列車定位丟失、發(fā)生EB。

5.1 加速度計自鎖原因分析

車載子系統(tǒng)選用模擬加速度計(AACC)和數(shù)字加速度計(SACC)兩種類型，兩種加速度計各自測量結(jié)果通過科學(xué)的融合算法整合為列車加速度。當(dāng)加速度計模塊失效時，列車定位誤差無法修正；當(dāng)定位誤差較大時，即出現(xiàn)列車定位丟失。加速度計測速值校驗?zāi)K工作原理如圖2所示。

圖2 加速度計測速值校驗?zāi)K工作原理圖

一套加速度計模塊由2個AACC和2個SACC組成，如圖3所示。根據(jù)加速度計容錯機(jī)制，任意一個加速度計故障不會導(dǎo)致整個加速度計模塊失效，而當(dāng)2個加速度計同時故障時，可能會導(dǎo)致整個加速度計模塊失效。根據(jù)加速度計模塊內(nèi)部組合原理，當(dāng)2個加速度計同時故障的組合方式不是AACC1和SACC2、AACC2和SACC1、AACC1和SACC1時會導(dǎo)致加速度計模塊失效。

圖3 加速度計模塊實物

5.2 加速度計自鎖問題解決建議

根據(jù)以上分析，提出3點解決加速度計自鎖問題的建議：一是建議取消加速度計模塊，選用其它更為可靠方式替代加速度計模塊的非線性功能；二是實現(xiàn)4個加速度計的在線監(jiān)測，以預(yù)防此類故障發(fā)生；三是優(yōu)化加速度計內(nèi)部組合及算法，提高加速度計的可靠性。