上海地铁泰雷兹CBTC系统车地通信故障原因及对策

汤春燕

(上海地铁维护保障有限公司，上海 200070）

自2007 年12 月29 日，泰雷兹CBTC 系统在上海地铁试运行后，CBTC 系统得到迅速发展和普遍应用。自该系统投用以来，已有十多个年头，随之而来的是设备老化导致的故障频发，特别是AP设备，大部分故障都集中发生在高架段，设备暴露在露天环境中日晒雨淋，无疑加剧了设备老化的速度，因此在维护方面需要投入更多的人力物力。同时，在CBTC 实际运用中由于地铁线路电磁环境的复杂化，造成车地之间的无线通信故障频繁，致使地铁安全运行问题受到了社会各界的广泛关注。

1 车地通信系统简介

在线路上行进的列车会通过连续的无线连接与AP 进行通信，IEEE 802.11 通过其MAC 设备进行链接鉴定、MR 的连接和再连接，以期与轨旁（有线）网络进行通信。这意味着列车能够在轨旁无线覆盖区域间移动，而不丢失与轨旁网络的连通性。在列车以高达100 km/h 的速度沿着线路运行时，AP 与AP 交接时报文丢失率可降至0.5%。所丢失的报文可以根据IEEE 802.11 协议简单重新传送。DCS 允许同一区域（通常由一个AP 或者几个相连的AP 确定）内有多列车，还可以通过标准网络层（IP）功能，支持对一列车、一组列车或者所有列车有选择地进行通信，如图1 所示。

图1 车－地无线网络架构Fig.1 Train-ground wireless network architecture

每个AP 无线装置一般都有两个定向天线，并分别面向线路的相反方向，即相邻WRU 的信号可以重叠覆盖整个进路，如图2 所示。这种重叠提供了轨旁无线信号的冗余，如果一个WRU 或者隔一个WRU 交替发生故障，都能确保连续的无线覆盖。这种对每个列车方向的冗余确保列车在所有情况下不会受到临近线路上运行列车的不利影响。

图2 冗余无线覆盖Fig.2 Redundant wireless coverage

2 车地通信系统现状

上海地铁6、7、8、9、11 号线采用泰雷兹CBTC 信号系统，信号系统车地通信业务采用基于IEEE 802.11 协议的2.4 GHz 公用频段自由无线覆盖方案；线路轨旁AP 设备共2 126 套，架设在露天段的AP 设备525 套。通过对大数据平台进行统计分析，从而掌握运营过程中车地通信稳定性及对运营的影响，现将2017 年11 月至2018 年3 月发生的车地通信故障数据分析汇总，如表1 所示。

表1 通信丢失及运营影响统计图Tab.1 Statistical chart of communication loss and operation impact

从数据分析可以发现车地通信不畅的情况在泰雷兹各CBTC 线路均有发生，且对运营都造成了一定程度的影响，主要集中在露天段。

3 车地通信丢失的主要原因

3.1 设备性能降低

轨旁AP 设备硬件故障率逐年提升，主要为在露天段AP 天线、功分器、射频缆接头等设备在经历常年的日晒雨淋、气温变化等环境因素影响下，其设备密封性能变差造成设备内部积水，腐蚀等问题，从而对轨旁AP 设备的各项性能指标产生较大影响，近年来由于车地通信不畅导致各类影响运营的故障频繁发生。

3.2 外界干扰

由于上海地铁CBTC 无线通信系统使用的是2.4 GHz 频段属于非牌照频段，该频段对大量短距离微功率通信系统、微波炉、专用医疗器械开放，因此随着智能终端和Wi-Fi 接入的普及，该频段电磁环境承载压力巨大。对于上海地铁数据通信系统造成干扰的主要干扰源为其他运营商的基站，其基站紧邻高架段轨道两侧，线路地下段的其他运营商基站更是与地铁AP 设备并列分布在隧道壁上，如图3、4 所示，根本无法彻底切断干扰。2018 年上海11 号线（以下简称11 号线）发生多次由于外界无线信号干扰造成的轨旁AP 设备热重启现象，导致列车通过该区域车地通信不畅。

4 故障对策

4.1 提高设备性能

图3 其他运营商的基站 （高架段）Fig.3 Base stations of other operators (elevated section)

图4 其他运营商的基站 （隧道内）Fig.4 Base stations of other operators (in tunnel)

对高架线路处的AP 发射功率偏低的设备进行整治维护，对明显存在设备老化造成的各类硬件问题更换AP 天线、同轴电缆等硬件，预防故障发生，提高轨旁AP 设备可用性，确保车地无线通信质量。以11 号线嘉定新城至白银路区段为例，如图5 所示，对该区段AP 逐一排查，进行AP 整治。

对相应AP 进行整改维修：AP0309 关联数70，更换600 缆，拆除衰减器。AP0313 关联数正常但是warm start 重启数40，拆除衰减器，并更换radio 板卡。AP0401 基础数据正常，但从网络抓包看数据实际传输量少，更换交换机和radio 板卡。AP0312 现场radio 端频率偏小，天线端频率正常，后更换其radio 板卡。整治前后AP 的关联数有较大改善，如表2 所示。

多数AP 在整改之后，其热重启数和关联数均有不同程度的改善。但个别AP 经过整改后，其信号接收能力提升，同时也更容易接收到干扰信号，导致整改后这些AP 的热重启次数上升，对此需进一步进行干扰信号测试，保证地铁信号稳定。

4.2 过滤外部干扰源

通过对NMS 日志分析，针对热重启次数较多的AP，且每天发生热重启的地点固定，可判断为内部radio 板卡老化或是周围存在其他供应商基站干扰，导致AP 频繁重启而引起车地通信问题。以超过20次/天的列为跟踪对象，其中AP2415 的热重启次数最多，其次则为AP3304 和AP2701，如表3 所示。

目前采用对AP 安装带通滤波器来过滤外部信号，利用频谱仪对改进后的设备进行测量记录，数据如图6 所示，AP3304 热重启次数明显下降，区段通信丢失也大幅降低。

从上述说明可以看出，即使采用抗干扰能力较强的IEEE 802.11 协议FHSS 调频方案的车地通信，在面对电磁场环境恶化或强干扰源时，也会发生信号丢失，因此加强线路无线CBTC 系统电磁环境的监测, 制定预案，有助于更好的提高CBTC 信号系统的运行稳定性。

4.3 增加arp协议优化通信质量

对AP 交 换 机 增 加arp 协 议（Rate Limit 设置），将无线网络中所有设备（轨旁AP 与车载SA）的IP 和MAC 地址对应关系添加到防火墙中，实现静态地址绑定，固定数据的传输流向，避免数据传输时“走多余的路”。从而保证通讯数据的网络畅通，降低其他因素的影响，VOBC 与MAU 之间丢失通信从之前两小时384 次降低到如今一天只有26次，很大程度上提高了车地通信成功率。

4.4 建立数据分析长效机制

利用网络管理系统（NMS）中记录的AP 日志，通过建立数据模型，结合故障趋势，可以预判设备状态，提前维护存在隐患的设备，形成AP 设备的长效维护机制，进一步预防故障的发生。每月分析AP 热重启情况，根据日均重启次数将AP 设备分为3 个等级（20 ～50 次为三级，50 ～80 次为二级，80 次以上为一级），重点监控高等级区域，并建立问题跟踪机制。以上海地铁11 号线为例，设备情况具体如表4 所示。

通过NMS 日志将2019 年12 月数据与上一个月的数据对比，发现AP0311、AP0804、AP1101、AP1616 连续多月热重启数过多，呈上升趋势，需进行整治；AP0310、AP0409、AP0602、AP1118 热重启次数有明显增加且呈上升趋势，需对这些AP进行PICO 测试；AP0726 热重启次数从22 日起突然猛增，此AP 位于洞下段可加装滤波器改善问题。这套维护机制运作一年多，2019 年全年此类故障数较2018 年下降了93%，设备稳定性大大提升。

图5 嘉定新城至白银路线路图Fig.5 Jiading New Town-Baiyin Road line diagram

表2 嘉定新城至白银路AP关联数整治前后对比Tab.2 Comparison of AP correlation number of Jiading New Town-Baiyin Road before and after treatment

表3 AP热重启统计表Tab.3 Statistics of AP hot restart

图6 AP3304热重启趋势图Fig.6 Hot restart trend of AP3304

5 结束语

地铁作为城市轨道交通系统的一部分，对缓解城市交通压力、实现列车高速、可靠、安全的运行起着重要的作用。轨道交通设置列车自动控制系统的目的：一是确保运行安全；二是提高运营效率。本文对当前上海地铁泰雷兹信号系统的CBTC 线路车地通信故障进行研究分析，通过硬件、软件、电磁环境等方面的改进，以期在目前技术基础上，提高上海地铁信号系统的安全和可靠性，满足城市轨道交通信号系统应用及发展的需要，对节约轨道交通建设的投资、提高运输效率、提高运营品质等方面都具有重大意义。

表 4 各车站热重启等级
Tab.4 Hot restart level of the stations

热重启等级 AP 车站一级 AP1616 上海西站二级AP0311 白银路站AP0726 昌吉东路站AP0804 上海赛车场站三级AP0107 嘉定北站AP0212 嘉定西站AP0213 嘉定西站AP0214 嘉定西站AP0302 白银路站AP0306 白银路站AP0310 白银路站AP0407 嘉定新城站AP0409 嘉定新城站AP0411 嘉定新城站AP0602 上海汽车城站AP0903 马陆站AP0913 马陆站AP1101 陈翔公路站AP1114 南翔站AP1118 南翔站AP3104 浦三路站AP4102 兆丰路站AP4103 兆丰路站APTT16 川杨河试车线

[3]陶小婧.上海轨道交通CBTC 系统无线车地通信研究及通信异常分析[J].上海工程技术大学学报，2017，31(2)：149-153.Tao Xiaojing. Analysis on Wireless TWC and Abnormal Communication for CBTC System of Shanghai Rail Transit[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2017, 31(2):149-153.

[4]连健.城市轨道交通通信系统设计[J].科技资讯，2010(2):30.

[5]黄文彦.浅谈CBTC 系统中的车-地通信技术[J].铁路通信信号工程技术，2009，6（2）：38-40.Huang Wenyan. Discussion on Train-Track Communication of CBTC System[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2009,6(2): 38-40.

[6]顾裕.城市轨道交通车地无线通信的应用初探[J].当代化工研究，2017(12):144-145.Gu Yu. The Preliminary Application of Vehicle-Ground Wireless Communication in Urban Rail Transit[J]. Modern Chemical Research, 2017(12):144-145.

[7]李伟，杨淼，戴慧玲.浅析地铁CBTC 无线系统受Wi-Fi 干扰带来的启示[J].数字通信世界，2014(8):60-63.Li Wei, Yang Sen, Dai Huiling. An Analysis of the Enlightenment from CBTC Wireless System in Urban Subway Interfered by Wi-Fi[J]. Digital Communication World, 2014(8): 60-63.

[8]汤璐诘，钱剑敏，梁鉴如.基于无线通信技术的CBTC 信号系统[J].上海工程技术大学学报，2011，25（3）：217-220.Tang Lujie, Qian Jianmin, Liang Jianru.CBTC Signalling System Based on Mobile Communication Technology[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2011, 25(3):217-220.