西安机场城际线列车因移动授权超时而引发紧急制动故障的分析

房 瑛

（陕西城际铁路有限公司，710038，西安∥高级工程师）

西安机场城际轨道交通线（简称“城际线”）采用基于通信的列车控制（CBTC）系统，数据信号子系统（DCS）采用基于开放的业界标准，其有线通信部分采用IEEE 802.3 以太网标准，无线通信部分采用LTE（长期演进）技术。LTE 车地无线通信采用综合承载方式设置，A、B 网冗余双网设计，两张网络完全独立，并行工作。A 网承载CBTC 业务、PIS（乘客信息系统）业务、车载CCTV（闭路电视）业务、列车运行状态信息以及紧急信息文本下发等业务；B 网单独承载CBTC 业务，确保可靠传输CBTC 业务。列车在线路开通运营前的单A 网、单B 网模式运行测试期间，曾多次出现由移动授权超时导致的紧急制动故障。

1 移动授权简介

在CBTC 系统中，通过为每列车生成一个合理安全的移动授权（MA），来确保列车在系统控制的线路内高密度地安全运行。MA 的距离是指从列车的车尾起到前方终点障碍物的这部分线路［3］。区域控制器（ZC）根据列车当前位置、行驶方向、进路开放及锁闭状态、前方列车属性、前方列车位置等信息，为车载ATP（列车自动防护）实时计算并确定每列列车的MA，MA 经安全通信协议封装后，通过无线设备连续发送给车载ATP 执行。

在生成MA 过程中，ZC 将处理多种类型障碍物，按照一定规则从中选取能作为列车当前周期运行终点的终点障碍物［4］。终点障碍物既有可能是静态障碍物，例如道岔、进路终点等，又有可能是动态障碍物，例如前方列车MA。

当列车在受控线路区域内按照正常时刻表移动时，VOBC（车载控制器）将列车的位置与方向发送给ZC，并且列车的MA 将由ZC 发送给VOBC。ZC也向VOBC 发送列车所在MA 内的道岔和信号机状态，从而使VOBC 能够根据这些状态监控列车。MA 原理如图1 所示。

如图2 所示，联锁子系统将进路、道岔、信号的状态发送给ZC；ZC 结合联锁子系统信息计算列车MA，并将MA 经过有线网发送至控制中心LTE 核心网交换机；再经过车站BBU（基带处理单元）、轨旁RRU（射频拉远单元）上传至漏缆，通过无线传输至车载天线；车载天线将MA 发送至TAU（车载接入单元），再经TAU 发送给车载ATP，列车按照MA实现安全运行。

图1 MA 原理示意图

图2 MA 数据传输示意图

2 MA 超时故障原因分析

在2019 年6 月期间，收集分析全线信号车载日志数据发现，造成列车紧急制动原因为“MA 超时”，主要集中发生在1 车、6 车、7 车、9 车、10 车、14 车共6 列车上。原因分为LTE 系统网络问题和信号设备板件故障两大类，现从硬件、软件入手对此两大类故障进行分析。

2.1 LTE 系统网络的问题分析及调整

2.1.1 区间网络优化

西安机场城际线列车运行最高设计速度为100 km/h，在应对多普勒效应、小区切换等技术上要求更高。西安机场城际线区间采用漏缆敷设，区间线路长度均大于1 000 m，考虑到RRU 覆盖范围有限，根据轨道交通工程应用实践，区间1.2 km 布设1 个RRU，每个RRU 向大小里程方向各覆盖600 m，因此存在2 个RRU 之间的切换问题。

根据信号传输特性，综合考虑漏缆损耗、接头损耗、耦合损耗，距离、容差等因素，结合西安机场城际线RRU 布置情况，根据有关工程规范RRU 至600 m 处最小场强值参考值约为-90 dB。工程实施中通过网管调节RRU 场强，使其场强值达到参考值范围，目的是保证列车通过2 个RRU 平滑切换来提高业务性能。

测试期间，列车在艺术中心站—空港新城站区间出现多次紧急制动故障。经实地检测，该区间的RRU 布置距离空港新城站约500 m，空港新城站内也布置了RRU。这2 个RRU 都属于空港新城站BBU 管理。因此，实际上艺术中心站—空港新城站区间的RRU 只覆盖250 m，所以把RRU 功率降到最低，根据250 m 的漏缆距离计算得到艺术中心站—空港新城站区间RRU 覆盖终点场强约为-76.25 dB。此数值远大于小区切换数值-90 dB，结果造成RRU 过覆盖，最终导致2 个RRU 切换时不平顺而产生丢包，造成列车紧急制动故障。

针对此现象，综合考虑区间长度，将空港新城站的RRU 与艺术中心站—空港新城站区间的RRU合并为超级小区，调整后进行验证，测试数据已满足要求，规避了近距离2 个RRU 之间切换造成的列车紧急制动故障。

2.1.2 区间漏缆接头驻波比超标引起“MA 超时”而产生紧急制动问题

天线驻波比检测是通过检测天线口实际发射功率和天线口实际反射功率，然后由驻波比公式计算出天线口实时驻波比。在实际工程施工中，由于接头工艺质量问题导致反射功率过大，最终造成了发射功率与反射功率的干扰，使得RRU 场强和信噪比过低而导致无线性能下降。当一个RRU 产生驻波，使场强和信噪比下降后，与相邻RRU 的切换带就发生变化。如A、B 处2 个RRU 之间各覆盖600 m，切换带就在600 m 处，如A 点RRU 产生驻波后场强降低，B 点的RRU 就需要补充A 点RRU 降低的那部分场强，在保持B 点RRU 功率不变的情况下，B 点RRU 无法过覆盖去补充故障RRU 的场强，则会造成切换时性能下降，最终产生丢包而导致列车紧急制动故障的发生。

驻波比理想值为1，按照工程标准漏缆驻波比应小于2.0。在LTE 无线系统网络优化阶段，经测试发现部分漏缆接头驻波比值超过了标准值。经过处理漏缆接头，将驻波比降到标准值范围内后，消除了因为驻波比超标引起“MA 超时”所导致的列车紧急制动的故障问题。

2.1.3 室外邻线干扰

西安机场城际线北客站站-渭河南站区间为地面区间，且紧邻西安地铁4 号线草滩停车场，西安地铁4 号线草滩停车场也采用TD-LTE（时分-长期演进）技术承载CBTC 业务。西安机场城际线与地铁4 号线同时在使用国家无线电委员会批复的专用频段1 785 Hz ～1 805 Hz：西安机场城际线A网频段为1 785 ～1 795 MHz，B 网频段为1 795 ～1 800 MHz；地铁4 号线A 网频段为1 785 ～1 800 MHz，B网频段为1 800 ～1 805 MHz，4 号线A 网与西安机场城际线A 网使用的无线频谱重叠。

两条线路的网络在无线制式上相同，双方基站时钟同步，配比相同的子帧，上下行时隙亦同步。在西安机场城际线和地铁4 号线A 网频段的重叠区域，如果两家天线在相隔较近距离时则会产生同频干扰。

在西安机场城际线调试期间，列车行驶至北客站站—渭河南站区间时，单网情况下会频繁出现MA 超时而引起的紧急制动故障。现场实际测量发现：西安机场城际线北客站站—渭河南站区间与4号线草滩停车场在物理空间上无隔离，两线之间最小距离为80 m，西安地铁4 号线采用天线覆盖，西安机场城际线采用漏缆覆盖。实地测试发现，4 号线定向天线方位角有一部分打入西安机场城际线，经协商后，4 号线调整了定向天线方位角并降低该基站功率。为了确保2 个网络无同频干扰，西安机场城际线再次进行测试并进行详细分析，具体结果如下。

地铁4 号线和西安机场城际线在北客站站—渭河南站区间的基站使用GPS（全球定位系统）时钟源授时，实现时钟同步，并配比相同子帧、相同时隙且冻结无线性能配置数据等相关参数。在此工况下，测试西安地铁4 号线和西安机场城际线的LTE 基站按分别单独开启和同时开启共分三步进行。根据测试结果，依据《LTE-M 系统需求规范》进行推算分析可得：

1）西安机场城际线和地铁4 号线最小场强值为-81 dBm，大于容许的最小场强-95 dBm。

2）信噪比17 dB，大于容许的最小信噪比3 dB。

3）最大时延42 ms，小于容许值150 ms。

4）丢包率为0.01%，小于容许值1%。

5）干扰裕量根据《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）规范》的要求，LTE-M 信噪比指标全线在3 以上，结合工程经验可要求信噪比指标大于6。由此，根据西安机场城际线与地铁4 号线现场实际，为避免产生同频干扰，两个网络必须保证隔离度为12.02 dB，即干扰裕量需大于12.02 dB。干扰裕量=有用信号强度-干扰信号强度+8 dB（障碍物阻挡的损耗）-8 dB（屏蔽门阻挡损耗）。地铁4 号线关闭、西安机场城际线开启时，在草滩停车场的4 号线干扰裕量为24 dB；西安机场城际线关闭、4 号线开启时在草滩停车场的机场线干扰裕量为20 dB。

干扰裕量24 dB 和20 dB 都大于12 dB，均满足规范要求。

通过现场调整、测试及验证，两家LTE 无线通信各项技术指标在北客站站—渭河南站区间的草滩停车场均满足《LTE-M 系统需求规范》的设计需求和实际需求，解决了西安机场城际线MA 超时而引发的紧急制动故障。

2.2 信号设备故障排除及调整

车载ATP 设备在车头、车尾各设置一套，头尾两端通过通信线缆相连，以实现头尾两端设备间的通信及车地无线通信的双路冗余。车头、车尾的车载ATP 设备自成系统，一端的车载系统控制不依赖于另一端的终端设备。车载ATP 单端设备采用“二乘二取二”的安全冗余技术，以确保车载设备的安全性、可靠性及可用性。车载ATP 设备如图3 所示。

图3 车载ATP 设备示意图

列车车头、车尾各安装1 套TRU，两端互为冗余。TRU 与TAU 接口通过车地无线通信网络发送和接收CBTC 车地无线通信数据。TRU 通过以太网连接与车载ATP/ATO 设备进行数据传输，TRU 通过车地无线通信传输列车编号、位置信息、MA 等。

2.2.1 地址解析协议报文无应答导致TAU 地址解析失败

按照地址解析协议（ARP），VOBC 需要在接收TAU 的广播请求后进行回复。VOBC 不回复TAU定时、定向的单播ARP 请求，连续忽略3 次后TAU判断ARP 老化，开始重新广播ARP 请求。

查看车载监控板日志ARP 报文发现，TAU 定期向VOBC 发起的单播ARP 请求没有收到回复，连续3 次后TAU 发起广播请求1 次或者多次后才得到VOBC 回复。ARP 报文无应答会导致TAU 地址解析失败，造成列车紧急制动降级。此故障曾多次发生，回顾多次紧急制动前后日志，发现VOBC 多次出现不回复广播ARP 请求的情况。

查看发生该故障时段的完整日志发现，此时由于ARP 老化，使地址为20.50.5.102 的VOBC 处于单通状态，TAU 无法找到地址为20.50.5.102 的VOBC，并无法转发报文，造成网络中断2 s，导致列车降级（此时处在单网行车）。

针对此故障，通过采取优化通信协议措施后，收发数据正常，解决了此类故障。

2.2.2 LRE（远程以太网）功率因数过小导致通信延时

分析单网运行数据结果，在排除由LTE 网络通信质量问题引起的MA 超时后，从信号板卡设备所处车载电磁环境、高温耐受情况及抗干扰等方面入手，对不同功率参数进行实验室测试并验证效果。

列车头尾两端通过通信线缆相连，并分别设置LRE 转换器进行数模/模数转换，以实现头尾两端长距离设备通信，以及车地无线通信的双路冗余。通过分析故障数据，确认1 车及14 车信号头尾通信不稳定，有数据丢包现象。更换1 车及14 车LRE 板卡后，未复现丢包现象，故确定为LRE 单板故障。

1）车载网络链路整体排查。为验证信号车载通信质量是否受车辆外部干扰影响，对车辆VVVF（变压—变频）等设备在不同负载下的通信质量进行试验。收集A 网车辆在不同负载情况下的车载通信网络的通信质量波形并进行对比。通过对比发现，在A网下，不同功率参数的测试结果相同，信号波形无明显变化。这就证明车载通信网络对车辆运行中产生辐射的抗性较强，通信质量未受明显影响。

2）高温环境测试情况。将发生故障的LRE 板卡返厂后，分别在55 ℃～85 ℃环境下进行测试，并使用通信软件监控通信结果。测试数据显示，LRE板卡通信正常，通信0 丢包。为验证高温是否对LRE板卡有影响，继续提高温度进行测试`，当测试温度达到93 ℃时，板卡死机，无法进行通信。当降至室温后，板卡仍无法自愈，必须手动重启才能恢复。对现场LRE 板卡进行内部温度测量时，未见有50 ℃高温以上的，因此排除高温原因对板卡的影响。

3）抗干扰测试及调整。对故障的LRE 板卡在改变功率参数、内部添加抗干扰元件、更换接地方式等的不同情况下进行板卡抗干扰性能测试，同时在板卡旁用电机不断启停模拟干扰。测试结果显示，LRE 板卡受外界环境影响出现丢包情况，原因是LRE 功率因数过小导致通信延时，从而影响列车运行。为提高抗干扰性能，综合考虑通信效果，并结合工程实践经验，对LRE 板卡采用调大功率参数、添加内部抗干扰磁环、优化接地方式等措施。

2.2.3 ZC 设备故障

ZC 设备是CBTC 系统地面核心控制设备，是地—车信息交互的枢纽。ZC 与CBI、ATS、车载ATP、相邻ZC、维护设备接口等设备，可根据通信列车所发来的位置信息、联锁进路信息和轨旁设备提供的轨道占用/空闲信息，为控制范围内的通信列车计算生成MA，并通过无线通信系统传输给ATP 车载子系统，保证其控制区域内通信列车的安全运行。ZC 是计算列车MA 的主要设备，相邻ZC 通信超时或ZC 板卡故障，都将导致MA 发送失败。

西安机场城际线的ZC 在集中站设置，调试中发生过两类偶发故障：一类是空港新城站下行、摆旗寨站上行（ZC 交接区）站台作业完成后，与接管的ZC 建立连接较慢，故障现象为无推荐速度或推荐速度起来较慢；另一类是秦宫站ZC 出现备系离线情况。针对列车在ZC 管辖区移交边界处发生延迟与接管的ZC 建立链接的问题，根据日志数据分析如下：

1）建立链路滞后的原因：列车在站台完成作业后，ZC 发送给列车的MA 只到移交边界处，列车没有及时和接管的ZC 建立连接，导致MA 无法延伸进入接管的ZC，交互信息中ZC 未收到信息包，造成列车主动断开链接。

2）备系离线原因：主系向备系发送同步数据时出错，备系3 个周期同步失败导致宕机。

对以上两类故障，可通过优化ZC 软件来解决。新版软件在西安机场城际线培训中心拷机试验60 d，未出现异常情况后对原软件进行升级，更新后新版软件各项功能正常，测试结果良好，解决了上述问题。

2.2.4 车载ATP 板卡故障

MA 信息经过交换机板、无线板发送至ATP 主控板进行计算，交换机板、无线板卡故障后，信息无法传递到ATP 主控板，导致列车MA 超时。其解决办法为更换车载ATP 板卡。

3 结语

通过上述故障原因分析可知，因MA 超时导致列车的紧急制动故障是由于LTE 网络及信号设备故障综合形成的结果。故对全线线路和设备采取了如下具体措施：①针对LTE 故障，全线排查馈线、电桥接头等硬件并进行相应测试，场强满足设计要求后动车试验，结果均符合要求。②将全部列车的车载信号LRE 板卡进行功率参数调整并进行静态测试，使其达到有效抗外部干扰信号的要求。③更换故障板卡，并对有关车载软件、ZC 软件进行升级。采取以上措施后，截至目前，通过收集大量数据验证，因MA 超时导致紧急制动的故障未再出现。

无线网络优化是无线网络工程交付和运营维护的一个重要过程，可划分为工程优化和运维优化两个阶段。在工程建设期间，需要综合采取优化网络设置、提高施工质量、提升设备性能等手段，并按实际建设工程数据，对存在的业务指标和业务性能相关问题，通过项目工程参数调整及优化网络相关参数，以达到解决问题、提升或改善网络质量、确保无线网络安全的目的；运营开始后，仍要结合存在问题和设备故障，定期进行无线网络性能测试，及时地处理故障、排除外界干扰、改善网络质量，以确保行车安全。