地铁列车以太网电缆传输优化研究

李保霞

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京 210036）

以太网技术作为未来列车通信网络的重要技术之一，在地铁车辆上应用越来越广泛。一般100 M性能的以太网作为车载设备通信网络时，不管是控制数据传输时延还是状态数据传输时延均达到列车通信网络对时延的要求。因此，列车电缆需要满足百兆通信要求。某地铁车辆在2端各配置了1台车载无线电主机，2台车载无线电主机之间经常发生通信故障，数次触发列车紧急制动，对行车影响较大。由于车载设备均已按照电磁兼容等要求完成相应的型式试验，因此，为分析设备之外的电缆通信性能，本文选取无线电主机和中继器之间通信的物理介质以太网电缆为测试对象，先采用地面模拟试验的方法对设备之外的配线性能参数进行测试，验证几种方案下连接设备之间的物理介质对以太网传输的影响，并根据模拟试验所得的修正方案对现车进行实车测试。通过对列车电缆连接进行优化，有效的解决了通信传输问题，提高了列车可靠性。

1 车辆以太网布置方案

列车为6节编组，将每节车按图1编号：A1-B1-C1-C2-B2-A2。整车以太网配线如图2所示，具体布置方案如下。

（1）无线电主机设置在A1、A2车一位端列车自动驾驶控制系统（ATC）柜中，采用LEMO连接器。

图1 列车编号示意图

图2 整车以太网配线示意图

（2）中继器设置在C1车二位端低压柜中部，车上线束由端部连接器CFATCJC2经过座椅下端子排TB02C2AL和低压柜下部航空圆形连接器CM03C2AL，最后通过M12D的4芯连接器CMRPT1/CMRPT2与中继器相连。

（3）每节车的两端均设置端部连接器（A1、A2车仅二位端有），2节车之间均由跨接电缆相连（采用NEXANS的4芯星绞线），跨接电缆端部的连接器均为Harting矩形连接器。

为分析设备之外的电缆通信性能，选取最具代表性且最恶劣的工况，即现车长度最长、转接点（连接器、端子排）最多的线路（由C1车至A2车的设备连接电缆）进行以太网配线分析。为方便后续处理描述，将转接点成对进行编号，如图3所示。

为了查找问题根本原因，先开展地面试验测试，研究不同工艺条件下电缆传输性能，然后进行实车试验测试。

2 地面试验测试

对影响电缆通信的电缆绞合、端子排影响、连接器替代等情况开展电缆传输性能测试。研究不同工艺条件下的电缆传输性能。测试环境为模拟现车地面试验，准备相应的电缆、端子排、连接器以及工具，按照现车连接器状况进行制作并开展测试。试验采用福禄克公司的网络电缆测试仪DTX1800设备开展测试获得数据。测试结果如表1所示，具体测试过程如下。

表1 地面试验测试结果 dB

2.1 电缆不绞合

按照最接近现车的模拟配线方式进行检测，全部转接点处的电缆都未绞合。测试车载无线电主机到中继器之间的电缆通信性能，测试结果见表1中测试顺序 1。

图3 最长区段列车配线示意图

对比现车测试结果，数据与图形大致相同，达到模拟现车的预期结果，但测试结果不通过，不满足百兆通信介质要求。

2.2 电缆绞合

考虑到理论上通过电缆绞合，可以减小分布电容提高抗干扰度，因此对每个转接点、对电缆依次进行绞合处理并测试。电缆绞合处理具体情况如表2所示，测试结果见表1中测试顺序2～9。

对整段无线电线路的全部转接点经过绞合处理后，回波损耗、近端串扰指标依旧未能达标。因此，采用福禄克公司的高精度时域串扰分析仪器HDTDX定位串扰最大发生的位置，测试结果如图4所示。

表2 电缆绞合处理后的情况

图4 串扰位置测试图

根据定位确认串扰最大发生在距离主机30.67 m的转接点②处和87.55 m的转接点⑦处。此时按照预案，分析不同绞接率对电缆传输性能的影响。考虑增大绞接率，重新对转接点②、转接点⑦处的连接器尾部线芯进行绞合处理，处理后测试结果见表1中测试顺序10～11。

虽然测试结果有所改善，但近端串扰仍未通过，下一步重点分析减少转接点对传输性能的影响。

2.3 隔离端子排、连接器测试

依照C1车连接器CMRPT2至A2车连接器CM02RCS的线路长度情况，重新摆放连接器，使用一段电缆跨过转接点⑦端子排TB02C2AL。测试结果见表1中测试顺序12。3项指标均能通过，串扰指标有大幅度改善，由-0.2 dB改善为4.0 dB。

用一段电缆跨过2个转接点（转接点⑦端子排TB02C2AL和转接点⑧圆形航空连接器CM/CF03C2AL）。测试结果见表1中测试顺序13。近端串扰指标进一步改善，减少节点的措施使传输性能取得明显改善效果。

2.4 使用WAGO连接器替代端子排

分析不同节点对电缆传输性能的影响，考虑使用其他连接件，如使用WAGO连接器（图5）替代端子排，测试结果见表1中测试顺序14～15。测试结果表明，采用WAGO连接器比采用端子排能够明显改善传输性能，使传输性能达标。

3 实车试验测试

根据地面测试情况，通过电缆绞合等措施可以有效改善现车线路的回波损耗与近端串扰问题，实车试验第一步实施电缆绞合方法，如果仍未通过，考虑替代端子排节点等有效措施改善传输性能。

在列车上进行实车试验测试，如图6所示。首先分别对C1车中继器到A1、A2车无线电主机的线路进行测试，然后逐段处理后进行测试，测试结果如表3所示，具体测试过程如下。

图5 WAGO连接器

图6 实车试验测试

3.1 连接器电缆绞合处理对比测试

对车下无线电电缆涉及的全部连接器进行绞合处理后，再分别对整车两段无线电线路进行测试，对比处理前后测试结果见表3中测试顺序1～4。

经过车下20个Harting连接器线芯的绞合处理后，3项指标都有明显改善，但是回波与串扰未能通过测试。

3.2 端子排电缆绞合测试

在车下连接器绞合处理的基础上，再对端子排TB02C2AL上的无线电主机电缆进行绞合处理，并分别对A1车的连接器CM02RCS至C1车的连接器CMRPT1以及A2车的连接器CM02RCS至C1车的连接器CMRPT2进行测试，测试结果见表3中测试顺序 5 ～ 6。

回波损耗与近端串扰指标进一步改善。

3.3 电缆替代连接器测试

通过HDTDX分析仪定位，定位串扰最大发生的位置如图7所示。近端串扰最大发生在距离CM02PRT1、CM02PRT2连接器3.5 m处，大约在低压柜⑧圆形航空连接器CM/CF03C2AL处。

使用一段电缆将圆形航空连接器⑧CM/CF03C2AL跨过CM02PRT1、CM02PRT2连接器直接接至端子排TB02C2AL处。测试结果见表3中测试顺序 7～8。

通过以上处理，测试3项指标均能通过。

3.4 连接器替代端子排测试

恢复圆形航空连接器连接，使用地面测试方案中WAGO连接器替换端子排TB02C2AL进行测试，A2车至C1车测试结果见表3中测试顺序9，测试结果很接近但仍未通过。

3.5 减少节点测试

用一段电缆跨过⑧圆形航空连接器CM/CF03C2AL，并且使用WAGO连接器替换端子排TB02C2AL。对A2车的连接器CM02RCS至C1车的连接器CMRPT2的电缆进行测试，结果见表3中测试顺序10。对比只有电缆替代连接器测试方案（测试顺序 8），近端串扰有2.7 dB的改善。

表3 实车试验测试结果 dB

图7 HDTDX定位数据图

最终，对项目的全部列车按照上述方案进行了全面整改和测试验证，列车上2个单元的无线电设备与中继器之间的通信介质均达到了百兆以太网通信要求。试验结果表明采取合理的工艺措施可以提高通信的可靠性，而有效提高连接介质性能指标的主要技术措施至少有如下3种：

（1）将以太网线端头处电缆进行成对绞合处理；

（2）将端子排换为连接器（如WAGO连接器）；

（3）减少节点，去除C车二位端端子排和中继器之间的航空插头。

经过3个月的统计，实际故障率降低了70%；剩余的30%故障锁定与设备通信数据处理有关。对无线电设备通信软件进行升级后没有发生因通信故障导致紧急制动的问题，无线电主机设备通信问题得到了有效解决，获得了业主的充分认可。

4 结语

目前，国内外轨道交通行业都在研究发展基于以太网的列车通信网络。随着列车以太网设备应用越来越广泛，有必要对贯通列车以太网电缆的连接和制作工艺进行深入研究。本文通过专用设备对以太网电缆进行准确的测试，可以清晰的将传输问题锁定到设备或电缆，有针对性的对相关问题进行分析解决，并通过合理的工艺措施提高了通信的可靠性。该成果也可以应用到类似工程中的其他电缆。