天津地铁3号线信号系统TWC故障分析

天津市地下铁道运营有限公司 史文彬

1 系统概述

天津地铁3号线信号系统采用庞巴迪CITYFLO 650列车自动控制系统，为基于通信的列车自动控制系统（CBTC）。

在庞巴迪信号系统中，数据通信子系统（DCS）为信号业务的传输提供了一个专用数据通道。DCS系统主要包括数据传输系统（DTS）和车地通信系统（TWC）。DTS是数据传输网络，用于为信号系统提供专有有线信息传输，为中心与车站之间、车站与车站之间、控制中心设备之间、车站设备之间提供信息的高速通道，确保信息的安全、可靠、及时传输。TWC为车地无线传输网络，用于轨旁设备与车载设备的无线信息传输。本项目使用的TWC系统使用漏缆传输网络进行车-地双向通信，基于ISM的2.4G开放频段，利用轨旁网络无线组件（WNRA），构建一个高可靠性、高可用性和高维护性的车地无线通信网络。[1]

在车地通信过程中，无线通信处理器（RCP） 作为 RATP 机柜装配的一部分，作为信息传输的始端，相关的 RATP 和 RATO 计算机将数据打包成一个 ATC 数据包。此数据包通过设置在区域站信号设备室的DTS核心网络交换机，经过交换、路由过程发送至轨旁TWC网络中，TWC网络通过信息识别发送至特定的WNRA中，后者再将数据发送至车载信号设备中，此过程是双向的，通过 UDP/IP 协议实现的。

2 TWC系统故障原因及应对措施

从天津地铁3号线五年的运营故障数据统计分析来看，TWC系统故障主要分为以下四类：WNRA电台故障、漏缆及馈线故障和TWC网络故障。下面将从对上述三个方面做详尽的分析总结。

2.1 WNRA电台故障

本项目中，在每个无线区域有两个WNRA，一个为主WNRA（A），一个是次WNRA（B）。在每个区域的主选和次选WNRA工作在相同的频段上。“A”或“B” WNRA均可与列车通信，但不同时进行。如果使用“A”WNRA，则“B”WNRA处于热备状态，并监测A和B WNRA的无线射频信道的状态。典型的安装为沿着每侧轨道设置Radiax漏缆，并由一对冗余的WNRA 驱动。由于跨隧道采用Heliax电缆是不现实的，因此每个隧道都有自己的WNRA，信号耦合器将WNRA和漏缆天线系统连接在一起。

电台为WNRA的核心部件，用于发射和接收数据。单个电台故障不影响信号系统正常运营，但存在相当大的运行隐患，需要及时处理。经过分析，将WNRA日常巡视标准规范，从TWC网络拓扑图、ATS无线网络监测和数据采集器（Data Collector）三个点位进行监测可及时发现故障，尤其是Data Collector最为直观，WNRA位置对应的是黄色的说明没有数据传输，显示绿色的说明有列车经过此组WNRA，如果有列车经过但是不显示绿色说明该WNRA通信异常，一般为电台故障，需要处理。通过专业WNRA配置工具箱对电台进行配置，停运后更换。

2.2 漏缆及馈线故障

本项目中，用于TWC系统的无线传输与 802.11是不兼容的。与802.11系统不同，TWC系统无线信息传输的完成不是基于IP地址。每一安装有ATC设备的车厢在系统中具有其自身唯一的列车和车辆地址，该地址用于区域和车辆ATC之间的信息传输。无线区域之间的切换由ATC设备执行，而不是由无线网络执行。列车和车辆地址的使用替代了IP地址，并由移动无线设备完成一个频率区域至另一个频率区域的传递，以提高系统性能和稳定性。

在抗干扰方面，TWC网络的无线通信设备为商业通用设备，它并不同于802.11“Wi-Fi”设备。它使用了唯一用于庞巴迪列车控制应用的私有协议，由Afar公司开发的专用于庞巴迪的客户解决方案。它不具备802.11x兼容性，这就避免了与其他通用设备的通信。客户定制协议的另外一个好处就是它允许轨旁区域根据车载ATC而非无线设备软件的的控制进行机动切换。庞巴迪方案还实现了经由轨旁无线的广播，而不需要固定设备和移动设备之间存在IP连接。这一方法具有优秀的切换特性，并且在一定程度上限制了数据通信系统对于级联故障或者网络入侵的敏感性。往年的无线电委员会测试结果也印证了TWC网络在抗干扰性方面具有很大的优势。

出现该类故障时，主要故障现象为列车在故障地点出现频繁换端，掉模式的情况。通过以上分析，可排除信号干扰的原因，通常情况下为漏缆或馈线问题，主要是漏缆衰耗过大，馈线安装不良，需要对漏缆的信号辐射强度、漏缆及馈线的衰耗、馈线和连接件进行测量、检查，以排查相应的故障点。

在测量漏缆信号辐射强度时，通过设置WNRA工作状态，使用天馈线测试仪外接车载漏缆天线，模拟列车经过，量测漏缆的信号辐射强度。整个信号发射接收过程为WNRA电台经过FSJ4馈线、连接件、信号耦合器、漏缆，车载漏缆天线、连接件、车载电台。WNRA电台信号辐射强度为20dBm，在整个过程中包含漏缆的传输衰减、耦合损耗、系统损耗，FSJ4的馈线损耗、连接件及功分器的损耗，车体的屏蔽作用和吸收损耗，环境因素等[2]。通过大量的测试及故障案例分析得出一个经验数值：用该种方法测量到的参考值为-70dBm左右，列车车载信号天线可容忍信号接收强度为-90dBm，而当该数值为-100dBm时车地通信质量急剧下降，列车就会出现频繁换端的情况，此时就应考虑对漏缆、馈线和连接件进行紧固或更换，以此来达到更好的辐射效果。

在本项目中该类故障主要集中在冬季的地上站，说明气温对漏缆的辐射效果有一定的影响。同时，在地上站采用LOS天线的天津地铁2号线，信号辐射强度较为稳定，运营五年来未发生过该类故障。综上所述，在地上站不适合采用漏缆辐射的方式做为传输媒介，更易采用LOS天线。对于该类问题，在信号系统的设计联络阶段就应提出地上站需采用LOS天线方式，为减少后期信号系统故障发生率及设备的维护量打下良好的基础。

2.3 TWC网络故障

该类故障发生的原因一般是由于TWC系统升级、检修维护不当导致。从故障统计来看，该故障发生率不高，但影响较大，会导致列车在某些区域降级运行，只能以NRM模式行车。

一组WNRA包含WNRA A和WNRA B两个，互为主备。如图1所示，TWC网络一般采用A与A或B与B的连接方式组成冗余网络（环路1和环路2），但某些点位也会采用A和B一起连接的方式（环路3），以图中虚线为分界点，数据流分别向两个方向传输，当环路上单个交换机故障时，数据流将从另外一侧传输，构成冗余网络。环路3的缺点在于，当两个交换机的端口同时故障时，该端口上的所有WNRA的数据将无法传输，而该环路上又连接了某区域的所有WNRA，导致列车与地面无法通信，经过此区域时将无法采用RTP/RATO模式行车，只能以NRM模式行车，对列车正常运营造成重大影响。

图1

从技术手段上，可以对该问题进行预防性检测以此来避免故障的发生，具体方法为：每次升级或维护检修之后，对DTS维护工作站的超级终端（Hyper Terminal）进行设置，通过远程登录的方式对每个环路进行检查，对电台发送UDP数据，检测每个WNRA电台的数据收发，如果电台无数据流则说明交换机端口没有启动或故障、亦或网络链路上的光纤或网线松动，需要对相应的交换机端口进行重启、紧固光纤或网线等操作（见图1）。

3 结束语

列车控制系统技术发展日新月异，目前基于通信的移动闭塞列车控制系统（CBTC）为主流，而未来基于车车通信的列控系统是下一代列控系统的发展方向。无论哪种列控系统，TWC系统作为信号系统中重要的一部分有着不可替代的作用。本文通过分析讨论，对TWC系统故障进行分类并提出相应的故障处理方法和预防性措施，为信号系统设计、维护提供了一定的经验。

[1]徐金祥 冲蕾.城市轨道交通信号基础[M].北京:中国铁道出版社,2010.

[2]周杭.漏泄电缆功能分析及其选择要素——漏缆在地铁无线通信中的运用[J].现代城市轨道交通,2007(04).