淺析既有線信號(hào)系統(tǒng)車地?zé)o線通信漏纜優(yōu)化整治應(yīng)用

彭章碩，謝列文，廖庭，楊晶，黃建超，肖敏，雷天龍，彭智湘

（1.長(zhǎng)沙市軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410129）

長(zhǎng)沙2 號(hào)線一期采用了CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，得益于高速大容量的雙向無線通信，信號(hào)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地進(jìn)行列車自動(dòng)控制，達(dá)到安全、高效、靈活的目的。但在運(yùn)行過程中，既有信號(hào)系統(tǒng)多次出現(xiàn)了無線通信丟失的故障，造成列車保護(hù)性緊急制動(dòng)，影響了運(yùn)營(yíng)行車和服務(wù)質(zhì)量。本文就該故障的相關(guān)排查分析以及解決方案作具體說明。

1 故障分析與排查

1.1 故障現(xiàn)象

當(dāng)列車運(yùn)行在區(qū)間發(fā)生無線通信丟失時(shí)，車載ATP采取保護(hù)性措施，實(shí)施緊急制動(dòng)。通常無線故障會(huì)自行恢復(fù)，或者列車以點(diǎn)式出站在區(qū)間自行恢復(fù)無線通信。當(dāng)列車在站臺(tái)發(fā)生無線通信丟失時(shí)，站臺(tái)作業(yè)完畢后無線故障會(huì)自行恢復(fù)，或者列車以點(diǎn)式出站在區(qū)間自行恢復(fù)無線通信。

1.2 原理分析

既有信號(hào)系統(tǒng)的無線通信部分與系統(tǒng)的BP 有關(guān)聯(lián)。每個(gè)BP 區(qū)會(huì)配置兩個(gè)獨(dú)立的無線信道，與轄區(qū)內(nèi)的列車通信。兩個(gè)信道的無線模塊相間配置，間隔不大于300m。系統(tǒng)無線通信構(gòu)架如圖1。

圖1 系統(tǒng)無線通信構(gòu)架

1.3 問題分析排查

（1）統(tǒng)計(jì)分析。通過對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步歸納出該故障表現(xiàn)出來的一些特征。①大部分無線通信丟失能自動(dòng)恢復(fù)，無須重啟設(shè)備，有時(shí)需列車行駛一段距離恢復(fù)；對(duì)故障列車和軌旁無線設(shè)備檢查無異常；②故障地點(diǎn)隨機(jī)，但某些區(qū)域明顯高于其他區(qū)域，尤其是幾個(gè)高發(fā)的站臺(tái)區(qū)域；③故障時(shí)間隨機(jī)，但早晚高峰時(shí)段故障高發(fā)；④故障列車隨機(jī)，但部分列車略高于平均故障率；⑤客流量較大的月份，故障率較高。

（2）應(yīng)用層日志分析。通過對(duì)通信故障過程的BP與車載通信日志的分析，發(fā)現(xiàn)多為無線通信丟失超過規(guī)定時(shí)間，導(dǎo)致列車無法收到新的移動(dòng)授權(quán)，車載ATP 采取保護(hù)措施進(jìn)行緊急制動(dòng)。

（3）無線通信日志分析。查看車載無線通信的日志，發(fā)現(xiàn)無線通信丟失時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較弱（但在手冊(cè)規(guī)定工作范圍內(nèi)）,車載系統(tǒng)會(huì)嘗試進(jìn)行無線模塊的切換，這種切換有時(shí)候成功有時(shí)候不成功。結(jié)合列車的位置和無線場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在某些站臺(tái)切換不成功的概率較大。

（4）原因的推斷和排查。通過前述分析，初步推斷認(rèn)為，在某些地點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)較弱是導(dǎo)致無線通信不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)很多次的故障如遵循圖2的過程。

圖2 列車與軌旁無線連接方式

在特定的位置，列車與地面的無線連接存在4 種可能。①列車頭端無線模塊連接列車頭端方向的軌旁無線模塊（簡(jiǎn)稱頭頭連接）；②列車頭端無線模塊連接列車尾端方向的軌旁無線模塊（簡(jiǎn)稱頭尾連接）；③列車尾端無線模塊連接列車頭端方向的軌旁無線模塊（簡(jiǎn)稱尾頭連接）；④列車尾端無線模塊連接列車尾端方向的軌旁無線模塊（簡(jiǎn)稱尾尾連接）。通過通信日志數(shù)據(jù)的深入分析發(fā)現(xiàn)，在四種連接方式中，頭頭連接和尾尾連接基本符合先前鏈路計(jì)算所預(yù)測(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值，可以滿足300m以上的無線通信,但尾頭連接和頭尾連接兩者的信號(hào)超過80m 信號(hào)強(qiáng)度就很快衰減到臨界值附近，不再能穩(wěn)定通信。此時(shí)，車載設(shè)備會(huì)嘗試進(jìn)行切換，但有時(shí)切換后的連接仍然不成功，如從頭尾連接切換到尾頭連接。當(dāng)車載設(shè)備進(jìn)行來回切換的時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間后，就會(huì)導(dǎo)致無線通信丟失。通過現(xiàn)場(chǎng)排查推斷，列車車頂天線與軌旁無線AP 之間的直線鏈路在車頂上方被其他設(shè)備阻擋，導(dǎo)致信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)急劇下降。

（5）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?；谝陨贤茰y(cè)，現(xiàn)場(chǎng)選取一個(gè)故障高發(fā)站臺(tái)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)：①在無車體阻擋時(shí)，使用同樣的車載天線和無線模塊，測(cè)得軌旁特定AP信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)極端值尚有40dB 以上的余量，與理論計(jì)算的結(jié)果一致；②用電客車停在該站臺(tái)，模擬車體阻擋的情況下，列車無線模塊無法接收到該AP 的信號(hào)。通過該測(cè)試表明，車體阻擋因素確實(shí)是會(huì)造成無線通信信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)低于預(yù)期。

1.4 問題原因總結(jié)

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)合日志分析以及原理分析，將問題產(chǎn)生的機(jī)理歸納為：（1）外部同頻干擾日趨強(qiáng)烈；（2）在某些情況下，通信鏈路因受到車頂設(shè)備阻擋影響，場(chǎng)強(qiáng)較弱；（3）不合理的冗余切換機(jī)制。

2 解決方案

由于外在干擾難以消除，而切換機(jī)制限制于設(shè)備內(nèi)在特性，因此將解決方案的重點(diǎn)放在鏈路改善，主要采取漏纜整治方案。如圖3 所示，將特定站臺(tái)區(qū)域的無線通信介質(zhì)由自由波天線改為漏纜。

圖3 站臺(tái)改漏纜方案示意圖

2.1 可行性分析

（1）漏纜傳輸可以接入系統(tǒng)。在本項(xiàng)目中，無線通信對(duì)于上層應(yīng)用（BP 和車載ATP 之間的通信）是透明的，只要邏輯鏈路是通的，通信可以通過任何信道、軌旁無線AP 或通信介質(zhì)（如無線天線或漏纜）進(jìn)行。只要成功建立連接并維持連接或切換到可用的連接，即可滿足應(yīng)用的無線通信需求。

（2）漏纜傳輸解決問題的工作機(jī)制。根據(jù)設(shè)備手冊(cè)，車載無線模塊的接收端信號(hào)大于-88dBm 即可保證傳輸。實(shí)際使用記錄表明，當(dāng)信號(hào)大于-70dBm 時(shí)，故障概率較小；當(dāng)信號(hào)小于-80dBm 時(shí)，極易導(dǎo)致通信故障；當(dāng)信號(hào)在-70 ～-80dBm 時(shí)，有一定概率出現(xiàn)通信故障。漏纜傳輸理論上能確保區(qū)域內(nèi)無線信號(hào)保持在均勻的可靠場(chǎng)強(qiáng)值，相較天線，具有明顯改進(jìn)效果。現(xiàn)有軌旁無線模塊的設(shè)計(jì)原則是同信道AP 以500m 作為間隔。考慮到漏纜傳輸不受車體阻擋影響，即使在一個(gè)站臺(tái)附近只接入一個(gè)信道，仍然可以起到明顯的改進(jìn)效果。當(dāng)列車以A 信道進(jìn)入站臺(tái)時(shí)，不存在車體阻擋的問題；如果列車以B 信道進(jìn)入站臺(tái)，由于B 信道沒有接入漏纜，可能會(huì)出現(xiàn)車體阻擋，但只要車載無線通信切換控制器切換到A 信道，則可以避免切換不成功的問題。

2.2 干擾評(píng)估

在本項(xiàng)目中，無線系統(tǒng)的內(nèi)部相容性的說明如下。

（1）在同一BP 區(qū)內(nèi)，地面具備兩個(gè)互不重疊的信道。同信道的AP 之間和不同信道之間的AP 均不存在相互干擾的問題。同信道的AP 通過分時(shí)通信避免相互干擾，不論天線距離遠(yuǎn)近；不同信道的AP 采用頻道隔離和窄帶通信技術(shù)，因此不存在相互干擾的可能。

（2）相鄰BP 區(qū)，采用的不同于本BP 區(qū)的另外的兩個(gè)互不重疊的信道，因此相鄰BP 區(qū)之間的AP 相互之間，也不存在被系統(tǒng)內(nèi)其他AP 所干擾的問題。鑒于該無線解決方案的特點(diǎn)，此次施工的僅改變無線AP 的覆蓋特性，而不對(duì)信道等做出調(diào)整。在個(gè)別地方將之前的無線AP 自由波天線改為漏纜，經(jīng)計(jì)算評(píng)估，將改善列車的接收的信號(hào)質(zhì)量，尤其是規(guī)避由于車體阻擋導(dǎo)所誘發(fā)的無線通信故障的問題。

2.3 漏纜情況分析

設(shè)想漏纜在最極端的情況，信號(hào)切換場(chǎng)景的推演如下：如果列車進(jìn)入該站間時(shí)，工作在無線AP 信道，雖然漏纜信道信號(hào)很強(qiáng)，但是不會(huì)發(fā)生切換。此時(shí)，如果列車在無線AP 信道工作遇到困難，比如，通信丟失發(fā)生切換，由于漏纜信道信號(hào)很強(qiáng)，可以確保車載切換成功。當(dāng)列車進(jìn)入站間時(shí)，如果列車正在使用漏纜信道，并且該信道的信號(hào)最強(qiáng)，則車載無線設(shè)備可以持續(xù)使用該信道。在這種情況下，其他AP 可能不會(huì)負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，但整個(gè)簇仍能正常工作，始終通過信號(hào)最強(qiáng)的軌旁AP 與列車進(jìn)行通信。從理論分析來看，漏纜能滿足無線通信系統(tǒng)的要求。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

（1）現(xiàn)場(chǎng)說明。通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，為確保整治效果，采取7/8 同軸電纜與AP 箱的連接處，7/8 同軸電纜與13/8 同軸電纜連接處，7/8 同軸電纜與新敷設(shè)的漏纜連接，均采用連接器進(jìn)行連接，并在漏纜末端加負(fù)載。漏纜整改連接示意圖如圖4。

圖4 漏纜整改連接示意圖

（2）分析說明。①漏纜接入點(diǎn)選取。經(jīng)分析和試驗(yàn)，考慮從既有AP 到漏纜起點(diǎn)敷設(shè)的同軸電纜衰耗等情況，選取就近設(shè)備作為介入點(diǎn)。②漏纜終端選取。據(jù)目前評(píng)估，現(xiàn)有漏纜覆蓋有效范圍不小于之前AP1903 的覆蓋范圍，且覆蓋距離需完全覆蓋站臺(tái)范圍，不會(huì)受到車體阻擋的影響。

2.5 設(shè)備安裝

（1）矩形隧道安裝如圖5 所示。

圖5 設(shè)備安裝位置示意圖

（2）鉆孔和卡具安裝。使用φ8mm 鉆頭在墻體上垂直鉆孔，孔深建議為53mm，孔眼要求平直，不得成喇叭狀，孔距建議為1m，裝入膨脹螺栓，使用扳手緊固螺母。按順序安裝螺桿或固定座、卡具，隧道內(nèi)卡具安裝要牢固，注意卡具開口的方向，防火卡具間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求（每9 個(gè)普通卡具安裝一個(gè)防火卡具）。

2.6 線纜布設(shè)

根據(jù)原有施工藍(lán)圖，現(xiàn)場(chǎng)先將新漏纜卡具安裝完成后，再進(jìn)行漏纜的上架固定，漏纜敷設(shè)離地面約3950mm，待漏纜敷設(shè)安裝完成后，再敷設(shè)13/8 同軸電纜，13/8 同軸電纜布設(shè)在原有的光纜安裝支架上（從上往下第1 層），嚴(yán)禁彎曲和盤圈。同軸電纜用固定線夾固定在隧道壁上，最小彎曲半徑為130mm，同軸電纜與無線設(shè)備箱連接處進(jìn)行防水處理，在連接器裸露部分采用熱縮套管和電氣防水膠帶進(jìn)行纏繞包裹防護(hù)。

漏纜的彎曲半徑不得小于100mm，盡可能不與其他線纜交叉，如無法避免時(shí)，應(yīng)將漏纜敷設(shè)在外側(cè)，避免其他線纜阻擋漏纜的信號(hào)覆蓋。

3 設(shè)備檢查及驗(yàn)證

3.1 設(shè)備安裝檢查

設(shè)備安裝完成后，對(duì)所安裝的設(shè)備和既有設(shè)備進(jìn)行檢查，確保設(shè)備安裝正確。

3.2 靜態(tài)調(diào)試

斷開既有AP 箱體到無線天線的同軸電纜，將新的7/8 電纜接入AP1903 上，上電后在無線、有線網(wǎng)管上檢查AP 設(shè)備是否顯示正常，在地面模擬車地通信，看設(shè)備場(chǎng)強(qiáng)是否符合要求(距離AP1903 的310m 位置，無線模塊接收到的場(chǎng)強(qiáng)宜≥-70db)，如有異常，則將原有同軸電纜恢復(fù)。

3.3 動(dòng)態(tài)調(diào)試

靜態(tài)調(diào)試完成后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。在列車查看車載與地面漏纜連接后，場(chǎng)強(qiáng)值是否穩(wěn)定、AP 是否能正常接入、信道是否可正常切換，以及驗(yàn)證列車運(yùn)行安全功能。如測(cè)試異常，則恢復(fù)原有天線；如達(dá)到測(cè)試目的，可按新設(shè)備啟用的標(biāo)準(zhǔn)程序投入使用。

3.4 應(yīng)用效果評(píng)估

上述漏纜優(yōu)化整治方案目前已在長(zhǎng)沙2 號(hào)線正式啟用3 個(gè)站點(diǎn)，啟用后均可以達(dá)到預(yù)期效果，極大地減少了試點(diǎn)區(qū)域故障發(fā)生的概率。某站下行通信丟失故障整改前后對(duì)比圖如圖6。

圖6 某站下行通信丟失故障整改前后對(duì)比圖

4 結(jié)語

通過問題排查和解決方案應(yīng)用測(cè)試，本研究明確了造成通信問題的原因是在進(jìn)行鏈路規(guī)劃時(shí)未充分考慮車體等阻擋因素，同時(shí)切換機(jī)制不合理，在干擾環(huán)境下，導(dǎo)致無線信號(hào)不穩(wěn)定。通過漏纜優(yōu)化改進(jìn)無線覆蓋，可以有效地提高通信質(zhì)量，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。