上海轨道交通11号线基于通信的列车控制系统车-地通信故障分析

张 捷

（上海地铁维护保障有限公司，200070，上海∥工程师）

上海轨道交通11号线基于通信的列车控制系统车-地通信故障分析

张 捷

（上海地铁维护保障有限公司，200070，上海∥工程师）

基于通信的列车控制（CBTC）系统采用独立于轨道的车-地双向通信设备，与列车的精确定位技术相结合，实现移动闭塞的功能。分析了上海轨道交通11号线使用CBTC系统运营以来，车-地通信设备发生的主要故障状态及故障查找方式，介绍了具体的故障处理方法和预防措施，从预防性维护的角度对网络管理系统提出了一个分析软件的需求。

基于通信的列车控制系统；车地通信；故障分析

Author's address Shanghai Metro Maintenance Co.，Ltd.，200070，Shanghai，China

目前，基于通信的列车控制（CBTC）系统代表着世界城市轨道交通信号控制技术的发展方向，并成为我国城市轨道交通信号系统的主流制式。CBTC系统采用独立于轨道的车-地双向通信设备，与列车的精确定位技术相结合，实现移动闭塞的功能。列车上的车载控制器通过探测轨道上的应答器，查找它们在数据库中的方位，并通过测量自前一个探测到的应答器起已行驶的距离，确定列车位置。列车车载控制器通过车-地的双向通信，向轨旁CBTC设备报告本列列车的位置。轨旁CBTC设备根据各列车的当前位置、速度及运行方向等因素，同时考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向列车发送移动授权极限（即列车可以走多远、多快），从而保证列车间的安全间隔。车-地双向连续通信方式作为CBTC系统的关键技术之一，其稳定性和可靠性决定了信号系统的性能。

1　数据通信子系统

上海轨道交通11号线数据通信系统（DCS）由有线及无线部分组成，原理如图1所示。CBTC系统的各个部分通过冗余的光纤骨干网互相连接起来。一段骨干网络构成了轨旁网络，该轨旁网络沿线路延伸。ATS（列车自动监控）网络为冗余的局域网，通过冗余的网络交换机连接到骨干网。沿线车站设备与轨旁网络的交换机连接。AP（无线接入点）沿线路安装，大约每250 m安装1个AP。每个AP无线装置一般都有2个定向天线，分别面向线路的相反方向。为实现信号的冗余覆盖，相邻AP的信号可以重叠覆盖整个进路，部署间距设计为小于或等于AP的覆盖半径。这样，即使单个AP（N）出现故障，相邻的AP（N-1）和AP（N+1）的信号依然能覆盖到AP（N）的空缺范围，从而保障无线信号连续不中断。

列车的两端各装备1个包含移动无线电台（MR）的车载无线单元（OBRU）。每个MR都连接到2个定向车载天线。因为重叠覆盖，所以任何时候每端的MR都能搜索到至少2个AP信号。

图1　DCS子系统原理图

上海轨道交通11号线于2009年12月31日开通CBTC后备模式运营，2010年11月15日升级到CBTC信号系统，2011年3月16日实现CBTC列车自动驾驶，是上海轨道交通采用CBTC技术的经典线路。11号线开通至今，经过数次升级改造，目前运行质量有了很大提升，但由于设备可靠性和技术制式原因，常常会出现列车运行模式丢失的情况。其原因主要由车载控制器（VOBC）与本地移动授权单元（MAU）通信丢失造成。由于列车通信不畅，联动失效，引起列车紧急制动，降低了列车运行效率。图2为2011年1月至2014年5月通过网络运营设施设备故障接报系统（OA）平台统计的故障总数，可以看出，3年来，CBTC系统车载故障总数不断降低，但通信丢失造成模式丢失故障总数基本维持原状，因此近两年由通信丢失引起的模式丢失故障占车载故障的比例逐渐增大。本文就车-地通信故障做详细的说明。

图2　CBTC系统相关车载故障统计

2.1故障情况

VOBC与本地MAU通信丢失是CBTC系统常见的故障，发生频率较高。发生该故障后，列车会立刻实施紧急制动（EB），行驶模式由ATPM/ATO（列车自动防护模式/列车自动运行）降级为RMF（限制人工向前），进路由LMA（移动授权）变为AMT（人工列车授权）进路，列车包络线扩大，后续列车移动授权将退回至该通信丢失列车占用区段外。列车停车后需切换到WSP（轨旁信号保护）模式，进路无法自动触发。如果前方车站需要跳停时，此跳停信息将会丢失，列车将在跳停车站停车。此故障对正线运营产生影响，极易造成列车晚点。图3、图4分别为列车通信丢失后ATS面板与TOD（车载显示单元）显示状态。

图3　ATS显示状态

图4　TOD显示状态

2.2故障分析与查找

（1）列车两端的MR设备同时故障。维护人员通过NMS（网络管理系统）查看SD_VOBC（车载控制器加密解密装置）确定车载MR设备状态，如图5所示。如果车载MR设备故障，则NMS上将出现对应车辆报警提示，维护人员根据提示进行处理。

（2）轨旁相邻2个AP设备同时故障，造成该覆盖区域无线信号中断。维护人员通过NMS查看AP Ring确定轨旁AP设备状态，如图6所示。如果轨旁AP设备故障，则NMS上将出现对应轨旁AP设备报警提示，维护人员根据提示进行处理。

（3）轨旁单个AP或车载单个MR设备故障时，VOBC与本地MAU通信丢失。多数情况下，通信丢失是由于轨旁AP设备定向天线的发射功率过低或定向天线的方向及仰角有所偏移造成无线覆盖出现盲区；少数情况下表现为轨旁AP设备“假死”，即设备仍在工作，但已经无法与列车正常通信，一旦相邻两个AP均处于“假死”状态或一个处于“假死”状态而另一个故障，通信丢失是必然的结果。以上情况轨旁AP设备在NMS上均显示状态正常，无故障报警，维护人员在VOBC与本地MAU通信丢失后，利用一辆通信列车对故障区域进行Roaming测试，以判断故障AP设备位置、信号强度及工作状态。

图5　车载MR设备状态

图6　轨旁AP设备状态

3　通信丢失的处理方法

（1）车载设备处理：车载无线单元（OBRU）重启。当列车一端MR设备通信中断，通知就近维护人员上车重启MR设备。维护人员打开VOBC机柜，按压OBRU子架SD（加密解密装置）模块的RST键，2～3 min重启成功，通知OCC（运营控制中心）维护人员观测NMS上设备状态。

（2）轨旁设备处理：AP重启。当AP设备失去通信，轮询该设备一直显示超时之后，根据AP的编号找到其所在车站，从室内重启该AP。打开电源屏下方柜门，按照空气开关下方的标签找到故障AP的空气断路器，拉下开关等待2 min后再合上开关，通知OCC维护人员观测NMS上设备状态。

（3）运营处理方法：①若TOD面板显示模式正常，司机缓解EB，以正常模式继续运行；②若列车在ATPM/ATO模式下多次由于通信丢失造成列车施加EB，司机报行调，切除“ATC（列车自动控制）切除”旁路动车；③若TOD面板显示模式状态“┈”，司机报行调，建立WSP模式动车。

4　预防措施

目前，上海轨道交通已有6条CBTC运行线路采用了无线AP设备，还有5条ATC线路在停车场、车站等处采用了无线AP设备，而无线通信相关监测还是空白，尤其在地下空间范围内，缺乏有效的信号质量监测系统。国内外在这方面的研究不多，通常采用频谱分析仪、无线信号分析仪进行信号质量的定期检测。Agilent和Tektronix公司走在前列，其大中型设备在信号的路测、路检方面有应用，但因地铁隧道信号传输模式、反射、多径效应复杂，车辆正常走行时对信号的影响无法通过路测仪进行检测。

AP设备位于轨旁，包括AP、天线（包含安装支架）、同轴电缆、放大器、功分器、电源和其它附件。其中AP的日常维护主要是测试AP天线的发射功率。维护时，利用电脑和配置AP的串口编程电缆登录疑似故障AP，进入诊断模式，选择任意固定频点使AP连续发射射频信号，随后将扫柄天线和频谱分析仪正确连接，将扫柄天线的天线面紧贴AP天线，观察频谱分析仪测试出的天线输出功率是否符合标准。

为有效控制由列车两端的MR设备均故障及相邻轨旁AP设备故障引起的VOBC与本地MAU通信丢失的故障，维护人员经过几年的经验累积，采取了基于Roaming测试的预防性维护策略。即通过周期性的进行Roaming测试，收集轨旁AP设备信号强度数据，并对数据进行对比分析，如发现有数据异常，则及时查找原因并进行排除，从而有效降低因无线覆盖盲区造成的通信丢失的概率。Roaming测试作为现阶段检查通信的首要手段，主要用于验证线路沿线的无线信号覆盖。它需要测量每个无线设备的RSSI值，以此证明整个线路上的列车都被AP传播的无线信号所覆盖，同时要检查OBRU与AP之间的通信并验证可以接受。

对于由AP“假死”引起的通信丢失故障的预防维护，可通过定期查看MNS工作站上AP与列车的通信状态来进行，比较简单却繁琐。如上海轨道交通11号线全线共有15个AP子环，616个AP，即每个子环有近40个AP；如果要观察每个AP与列车的通信状态，一个AP需要5 min来判断其运行状态，则每天无法覆盖所有AP状态判断，因此维护难度较高。针对这种情况，信号系统供应商曾提供过一个解决方案：在NMS工作站上增加一个软件脚本，对所有AP的数据交换状态进行轮询监控，轮询一定时间后，如发现长时间没有与列车进行数据交换的AP，则对其进行强制重启。但此方案有一定的风险，例如，多个AP同时重启可能会造成网络波动；SD硬件问题会引起主备机互切，导致某个或多个集中站的ZC（区域控制器）跳红，运行模式降为后备模式。

从维护需求出发，现阶段需要一个针对NMS上的日志信息建立日志分析的软件，要求能提供日期、AP编号、车站等信息的筛选功能，故障程度也能用颜色来区分。

5　结语

CBTC是一种比较新型的信号设备，经受考验的年份不长，不断有新问题出现，这给维护人员的日常工作提出了更高的要求。为降低设备故障发生的频率，需结合设备的实际使用情况，不断积累经验，摸索各种有效的故障排查方法，通过预防性维护的技术策略与管理手段，有效提高设备的维护质量。

［1］ 冯丽娟.CBTC系统车载信号常见故障分析［J］.现代城市轨道交通，2011（2）：39.

［2］ 刘志涛.地铁车辆CBTC系统车载信号常见故障归类分析［J］.科技创新与应用，2013（15）：121.

［3］ 肖彦博.谈城轨交通CBTC系统故障归类及其设计应对策略［J］.现代城市轨道交通，2011（3）：12.

［4］ 刘晓娟.城市轨道交通CBTC系统关键技术研究［D］.兰州：兰州交通大学，2009.

［5］ 孙思南.轨道交通基于通信的列车控制无线系统干扰性研究［D］.上海：上海交通大学，2007.

Analysis of Vehicle/Ground Communication Fault of Shanghai Metro Line 11 Based on CBTCSystem

Zhang Jie

CBTCsystem adopts vehicle/ground bi-directional communication equipment independent of the track，which combines with the precise location technology of trains and realizes the moving block function.In this paper，the state of main faults and the detection method of the vehicle/ground communication equipment after the opening of Shanghai metro Line 11 installed with CBTCsystem are analyzed，the troubleshooting methods and the preventive measures are introduced.From the angle of preventive maintenance for NMS（network management system），a requirement for analysis software is proposed.

CBTCsystem；vehicle/ground communication；fault analysis

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2015.07.019

2014-06-20）