上海城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)研究*

朱 俊 張羽中 張 郁 曾貴華

(1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司， 201103， 上海； 2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上海；3.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 200240， 上海∥第一作者， 工程師)

1 背景與現(xiàn)狀分析

無線通信系統(tǒng)作為城市軌道交通中的重要系統(tǒng)之一，在列車運(yùn)行時(shí)起著無可替代的作用。一旦無線通信受到干擾，很有可能會導(dǎo)致列車晚點(diǎn)和清客，甚至嚴(yán)重影響乘客的出行。

隨著近年來無線技術(shù)的飛速發(fā)展，空間電磁環(huán)境日益復(fù)雜。對于無線技術(shù)高速發(fā)展準(zhǔn)備不足以及對電磁兼容性管理不夠重視，導(dǎo)致無線頻譜的使用缺乏長期而有效的監(jiān)測手段，城市軌道交通沿線的各種無線干擾對城市軌道交通各類無線系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了影響。為了保證上海城市軌道交通范圍內(nèi)各類無線通信系統(tǒng)的安全、有效運(yùn)行，建立完善的城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)已迫在眉睫。

1.1 上海城市軌道交通無線通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

上海城市軌道交通主要使用的無線通信系統(tǒng)頻譜如表1所示。在各類無線通信系統(tǒng)中，CBTC(基于通信的列車控制)車地?zé)o線通信子系統(tǒng)和LTE-M(城市軌道交通用長期演進(jìn))系統(tǒng)由于和行車控制直接相關(guān)，若受到無線干擾更易造成重大的運(yùn)營影響。CBTC車地?zé)o線通信子系統(tǒng)的工作頻段為2.4 GHz。由于2.4 GHz是完全公開的，任何運(yùn)營商、企事業(yè)單位和個(gè)人用戶均可使用該頻段，從而導(dǎo)致了2.4 GHz頻段的潛在干擾風(fēng)險(xiǎn)極大。LTE-M系統(tǒng)的工作頻段為1 785～1 805 MHz，其中：1 800～1 805 MHz的5 MHz頻段是上海城市軌道交通的專用頻段，剩余的15 MHz頻段是公共頻段。LTE-M雖然比CBTC車地?zé)o線通信子系統(tǒng)所在的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段的干擾風(fēng)險(xiǎn)小很多，但發(fā)生各種無線干擾的可能性仍不容忽視。

表1 上海城市軌道交通主要無線通信系統(tǒng)頻譜劃分

1.2 上海城市軌道交通既有無線通信系統(tǒng)的問題分析

近年來，由于上海城市軌道交通區(qū)域內(nèi)無線干擾事件頻繁發(fā)生，龐大的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)受到了巨大的運(yùn)營壓力。然而，上海城市軌道交通無線干擾監(jiān)測的手段卻十分匱乏，僅有幾臺手持式監(jiān)測設(shè)備和少數(shù)精通無線監(jiān)測的人員，這跟繁重的監(jiān)測任務(wù)相比顯得捉襟見肘。

由于沒有長期且有效的無線環(huán)境監(jiān)測手段，無法實(shí)時(shí)監(jiān)測城市軌道交通區(qū)域內(nèi)及周邊沿線的電磁環(huán)境，導(dǎo)致了上海城市軌道交通運(yùn)維人員只有在發(fā)生無線干擾引發(fā)無線通信系統(tǒng)故障的情況下才能確認(rèn)干擾的存在。此時(shí)再通過現(xiàn)場人員手持設(shè)備對干擾源進(jìn)行排查，并與相關(guān)部門溝通協(xié)商解決故障，導(dǎo)致故障的處置時(shí)間較長。

2020年7月1日，9號線松江新城站—佘山站區(qū)段內(nèi)列車發(fā)生CBTC信號通信丟失故障。該故障直接影響9號線的晚高峰運(yùn)營，多個(gè)車站因客流積壓采取了大客流管控措施。整個(gè)故障處置歷時(shí)9 h 43 min，通過多家單位聯(lián)合排查，才最終找到位于洞涇站西南方向的干擾源。

這種被動(dòng)且低效的方法顯然已無法適應(yīng)上海城市軌道交通超大規(guī)模運(yùn)營的要求。面對越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境，為了能夠更快速地應(yīng)對可能出現(xiàn)的故障，必須結(jié)合實(shí)際的運(yùn)維條件，對無線環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)和手段做出相應(yīng)的改進(jìn)。

2 上海城市軌道交通無線監(jiān)測的整體架構(gòu)及功能需求

2.1 城市軌道交通無線監(jiān)測的特點(diǎn)

無線環(huán)境監(jiān)測一般分為固定監(jiān)測和移動(dòng)監(jiān)測2方面。由于城市軌道交通無線通信系統(tǒng)呈線狀覆蓋，如果使用固定監(jiān)測，即采用在沿線新增大量設(shè)備以覆蓋全線區(qū)域的方式，不僅設(shè)備的安裝位置很難規(guī)劃，還會造成極大的資源浪費(fèi)。而如果只在若干重點(diǎn)站安裝監(jiān)測設(shè)備，實(shí)際取得的監(jiān)測效果并不理想。因此，在選擇無線監(jiān)測設(shè)備時(shí)應(yīng)主要考慮以移動(dòng)監(jiān)測為主，快速落實(shí)重點(diǎn)頻段電客列車車載監(jiān)測設(shè)備的配備。這樣既可為干擾的應(yīng)急響應(yīng)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，也能為后續(xù)逐步完善無線環(huán)境監(jiān)測體系打下重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 城市軌道交通無線監(jiān)測的整體架構(gòu)

基于以無線移動(dòng)監(jiān)測為主的原則，上海城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 上海城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖

移動(dòng)監(jiān)測主要采用在每條線路的電客列車上配備電客列車車載監(jiān)測設(shè)備的方式來收集日常的各種無線參數(shù)數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)以無線電專業(yè)化團(tuán)隊(duì)為核心成立無線監(jiān)測處置小組，以無線監(jiān)測車和人員手持便攜式監(jiān)測設(shè)備作為應(yīng)急故障搶修和精確定位干擾源的手段，由無線監(jiān)測處置小組統(tǒng)一管理和使用。所有收集到的數(shù)據(jù)都將上傳至無線監(jiān)測服務(wù)器，最終上傳至智能運(yùn)維系統(tǒng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存與分析處理。

2.3 城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求

CBTC系統(tǒng)利用雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信功能對列車實(shí)施連續(xù)、自動(dòng)的運(yùn)行控制。高架、隧道線路的任何區(qū)間故障都有可能影響全線的運(yùn)行秩序，所以無線監(jiān)測需要完成對沿線所有區(qū)間的無線環(huán)境監(jiān)測，而且需要結(jié)合高架和隧道線路的不同需求，進(jìn)行有針對性的專項(xiàng)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

1) 無線通用指標(biāo)監(jiān)測功能：雖然對高架和隧道線路有著不同的監(jiān)測需求，但是有許多通用指標(biāo)是監(jiān)測中必不可少的，如無線頻段掃描、信號強(qiáng)度測量、通信協(xié)議解析、信號覆蓋分析、無線干擾分析、空口報(bào)文監(jiān)測、無線環(huán)境記錄等。

2) 高架區(qū)間專項(xiàng)監(jiān)測功能：高架線路的無線環(huán)境較為復(fù)雜，外部無線信號較多，容易影響車地通信系統(tǒng)的正常運(yùn)作，所以高架線路的專項(xiàng)監(jiān)測主要以外部信號的辨識、解析為主，如外部同頻信號解析、外部鄰頻信號解析、外部強(qiáng)干擾定位等。

1)船舶到達(dá)率(單位時(shí)間到達(dá)航道入口的航道數(shù)量)是描述航道入口處船舶到達(dá)頻率的一項(xiàng)參數(shù)，船舶到達(dá)率越大，航道內(nèi)船舶密度越高，船舶發(fā)生減速的可能性會提升。

3) 隧道區(qū)間專項(xiàng)監(jiān)測功能：隧道沿線的無線信號會出現(xiàn)大量的反射和多徑效應(yīng)，進(jìn)而影響信號質(zhì)量。因此，在隧道線路內(nèi)的監(jiān)測以識別內(nèi)部信號干擾和設(shè)備工作狀態(tài)為主，如識別天線傾角變化、檢測信號切換異常等。

3 無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用測試和效果分析

3.1 無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用場景

在移動(dòng)監(jiān)測體系搭建完成后，通過在電客車上部署無線監(jiān)測裝置，可以準(zhǔn)確地檢測出覆蓋和干擾問題。然后基于無線監(jiān)測裝置收集到的數(shù)據(jù)，通過初步的處理和分析就可以直接應(yīng)用到上海城市軌道交通的現(xiàn)有環(huán)境中，降低上海地鐵無線通信系統(tǒng)被干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

1) 構(gòu)建無線環(huán)境指紋庫：通過對收集到的隧道、車站、高架等線路區(qū)段的無線環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理，可以及時(shí)了解無線環(huán)境的變化，保證各無線通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2) 外部無線干擾快速定位：在突發(fā)無線干擾時(shí)，通過城市軌道交通線路高架區(qū)段的專項(xiàng)監(jiān)測，利用干擾定位算法和無線環(huán)境指紋庫可快速定位干擾的來源和方位，進(jìn)而有效縮短排除干擾故障的時(shí)間。

3) 內(nèi)部無線干擾排查：由于城市軌道交通內(nèi)部有許多系統(tǒng)使用的頻段十分接近，尤其是在隧道內(nèi)和站臺上，會有很多互相干擾的現(xiàn)象發(fā)生?？梢允褂盟淼绤^(qū)間專項(xiàng)監(jiān)測技術(shù)，對車地?zé)o線通信空口報(bào)文數(shù)量和長度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對可能存在的內(nèi)部無線干擾進(jìn)行定位和排查。

3.2 無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用測試

在上海軌道交通5號線的電客列車上裝載了無線監(jiān)測設(shè)備，通過對5號線銀都路站—北橋站區(qū)段進(jìn)行無線監(jiān)測系統(tǒng)的在線測試，用以驗(yàn)證無線環(huán)境指紋庫構(gòu)建功能和在線監(jiān)測功能。無線監(jiān)測系統(tǒng)的測試功能模塊如圖2所示。

注：AP——接入點(diǎn)；LTE——長期演進(jìn)；Wi-Fi——無線保真。

3.2.1 無線環(huán)境指紋信息測試

1) 測試概述：采集測試區(qū)間每個(gè)網(wǎng)格的無線環(huán)境數(shù)據(jù)，并寫入無線環(huán)境指紋庫。

2) 測試流程：將北橋站—銀都路站區(qū)段線路劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進(jìn)行編號。通過電客列車車載監(jiān)測設(shè)備對每1個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行無線特征信息采集，并上傳至無線監(jiān)測系統(tǒng)，生成無線環(huán)境指紋信息庫。

3) 測試結(jié)果：無線環(huán)境指紋信息測試結(jié)果示例如表2所示。

表2 無線環(huán)境指紋信息測試結(jié)果示例

3.2.2 軌旁無線設(shè)備異常監(jiān)測

1) 測試概述：隨機(jī)關(guān)閉軌旁1個(gè)LTE-M基站和1個(gè)Wi-Fi(無線保真)的AP，無線監(jiān)測系統(tǒng)將產(chǎn)生相關(guān)告警信息，并在地圖上直觀顯示出告警基站和AP的位置。

2) 測試流程：關(guān)閉軌旁沿線的某個(gè)AP和LTE-M基站；隨后，在列車通過該測試區(qū)段時(shí)，無線監(jiān)測系統(tǒng)通過將實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)和該區(qū)段的歷史網(wǎng)格指紋信息進(jìn)行比對分析，能快速識別出被關(guān)閉的軌旁AP和LTE-M基站，并產(chǎn)生相關(guān)告警信息，在地圖上直觀顯示告警基站和AP。

3) 測試結(jié)果：軌旁無線設(shè)備異常告警信息測試結(jié)果示例如圖3所示。

a) 設(shè)備告警信息

b) 設(shè)備告警發(fā)生地

3.2.3 無線干擾的測量及定位

1) 測試概述：發(fā)送2.4 GHz和1.8 GHz干擾信號，無線監(jiān)測系統(tǒng)將產(chǎn)生相關(guān)告警信息，并在地圖上直觀顯示干擾源位置。

2) 測試流程：針對2.4 GHz頻段，本次測試采用2.40～2.48 GHz全頻段無線干擾器，通過發(fā)送寬頻白噪聲來干擾軌旁AP的正常通信；針對1.8 GHz頻段，本次測試通過外部測試基站發(fā)射同頻干擾信號來干擾軌旁LTE-M基站的正常通信。測試列車經(jīng)過該干擾測試區(qū)域后，車載監(jiān)測測試設(shè)備能快速發(fā)現(xiàn)來自外部的強(qiáng)干擾信號，并產(chǎn)生相關(guān)告警信息。同時(shí)，無線監(jiān)測系統(tǒng)迅速啟動(dòng)反向干擾定位功能，計(jì)算干擾源的位置，并在地圖上直觀顯示干擾源位置。

3) 測試結(jié)果：無線干擾告警信息測試結(jié)果示例如圖4所示。

b) 外部干擾設(shè)備位置

3.3 無線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用效果分析

根據(jù)現(xiàn)有的無線環(huán)境維護(hù)規(guī)程，線路維護(hù)人員需進(jìn)行日常維護(hù)和定期巡檢。在無線監(jiān)測系統(tǒng)部署后，線路上可以實(shí)現(xiàn)無線環(huán)境自動(dòng)巡檢，進(jìn)而減少了維護(hù)人員攜帶測試儀表的工作量，降低了設(shè)備維護(hù)成本。

同時(shí)，無線監(jiān)測系統(tǒng)的持續(xù)使用可以積累大量數(shù)據(jù)。通過歷史數(shù)據(jù)的對比和分析算法，可以快速定位突發(fā)干擾，縮短因發(fā)生干擾導(dǎo)致的故障的修復(fù)時(shí)間，并對無線環(huán)境劣化進(jìn)行預(yù)警。

此外，無線監(jiān)測設(shè)備還可以監(jiān)測CBTC車地?zé)o線通信的狀態(tài)，并針對軌旁設(shè)備和車載設(shè)備進(jìn)行設(shè)備健康度分析。由于信號大修改造周期較長，如果設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測不完備，通常需要定期替換全部在用信號設(shè)備。而通過使用無線監(jiān)測設(shè)備對CBTC設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，能有效評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和劣化趨勢，由此只需替換或者維修部分問題設(shè)備即可。

4 結(jié)語

本文對上海城市軌道交通無線監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，并對無線監(jiān)測系統(tǒng)的測試設(shè)備進(jìn)行了測試驗(yàn)證。通過配置移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，上海城市軌道交通可以在短期內(nèi)建立起一個(gè)快速、有效的無線監(jiān)測體系，從而減少因無線受干擾引發(fā)故障的情況，改善上海城市軌道交通的運(yùn)維環(huán)境。