浅析既有线信号系统车地无线通信漏缆优化整治应用

彭章硕，谢列文，廖庭，杨晶，黄建超，肖敏，雷天龙，彭智湘

（1.长沙市轨道交通运营有限公司，湖南 长沙 410014；2.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410129）

长沙2 号线一期采用了CBTC 信号系统，得益于高速大容量的双向无线通信，信号系统可以实时精准地进行列车自动控制，达到安全、高效、灵活的目的。但在运行过程中，既有信号系统多次出现了无线通信丢失的故障，造成列车保护性紧急制动，影响了运营行车和服务质量。本文就该故障的相关排查分析以及解决方案作具体说明。

1 故障分析与排查

1.1 故障现象

当列车运行在区间发生无线通信丢失时，车载ATP采取保护性措施，实施紧急制动。通常无线故障会自行恢复，或者列车以点式出站在区间自行恢复无线通信。当列车在站台发生无线通信丢失时，站台作业完毕后无线故障会自行恢复，或者列车以点式出站在区间自行恢复无线通信。

1.2 原理分析

既有信号系统的无线通信部分与系统的BP 有关联。每个BP 区会配置两个独立的无线信道，与辖区内的列车通信。两个信道的无线模块相间配置，间隔不大于300m。系统无线通信构架如图1。

图1 系统无线通信构架

1.3 问题分析排查

（1）统计分析。通过对发生的故障进行统计分析，初步归纳出该故障表现出来的一些特征。①大部分无线通信丢失能自动恢复，无须重启设备，有时需列车行驶一段距离恢复；对故障列车和轨旁无线设备检查无异常；②故障地点随机，但某些区域明显高于其他区域，尤其是几个高发的站台区域；③故障时间随机，但早晚高峰时段故障高发；④故障列车随机，但部分列车略高于平均故障率；⑤客流量较大的月份，故障率较高。

（2）应用层日志分析。通过对通信故障过程的BP与车载通信日志的分析，发现多为无线通信丢失超过规定时间，导致列车无法收到新的移动授权，车载ATP 采取保护措施进行紧急制动。

（3）无线通信日志分析。查看车载无线通信的日志，发现无线通信丢失时信号场强较弱（但在手册规定工作范围内）,车载系统会尝试进行无线模块的切换，这种切换有时候成功有时候不成功。结合列车的位置和无线场强数据发现，在某些站台切换不成功的概率较大。

（4）原因的推断和排查。通过前述分析，初步推断认为，在某些地点场强较弱是导致无线通信不稳定的关键因素。进一步分析，发现很多次的故障如遵循图2的过程。

图2 列车与轨旁无线连接方式

在特定的位置，列车与地面的无线连接存在4 种可能。①列车头端无线模块连接列车头端方向的轨旁无线模块（简称头头连接）；②列车头端无线模块连接列车尾端方向的轨旁无线模块（简称头尾连接）；③列车尾端无线模块连接列车头端方向的轨旁无线模块（简称尾头连接）；④列车尾端无线模块连接列车尾端方向的轨旁无线模块（简称尾尾连接）。通过通信日志数据的深入分析发现，在四种连接方式中，头头连接和尾尾连接基本符合先前链路计算所预测的场强值，可以满足300m以上的无线通信,但尾头连接和头尾连接两者的信号超过80m 信号强度就很快衰减到临界值附近，不再能稳定通信。此时，车载设备会尝试进行切换，但有时切换后的连接仍然不成功，如从头尾连接切换到尾头连接。当车载设备进行来回切换的时间超过规定时间后，就会导致无线通信丢失。通过现场排查推断，列车车顶天线与轨旁无线AP 之间的直线链路在车顶上方被其他设备阻挡，导致信号场强急剧下降。

（5）现场测试。基于以上推测，现场选取一个故障高发站台进行对比测试。测试发现：①在无车体阻挡时，使用同样的车载天线和无线模块，测得轨旁特定AP信号场强较强，对应极端值尚有40dB 以上的余量，与理论计算的结果一致；②用电客车停在该站台，模拟车体阻挡的情况下，列车无线模块无法接收到该AP 的信号。通过该测试表明，车体阻挡因素确实是会造成无线通信信号场强低于预期。

1.4 问题原因总结

通过现场测量，结合日志分析以及原理分析，将问题产生的机理归纳为：（1）外部同频干扰日趋强烈；（2）在某些情况下，通信链路因受到车顶设备阻挡影响，场强较弱；（3）不合理的冗余切换机制。

2 解决方案

由于外在干扰难以消除，而切换机制限制于设备内在特性，因此将解决方案的重点放在链路改善，主要采取漏缆整治方案。如图3 所示，将特定站台区域的无线通信介质由自由波天线改为漏缆。

图3 站台改漏缆方案示意图

2.1 可行性分析

（1）漏缆传输可以接入系统。在本项目中，无线通信对于上层应用（BP 和车载ATP 之间的通信）是透明的，只要逻辑链路是通的，通信可以通过任何信道、轨旁无线AP 或通信介质（如无线天线或漏缆）进行。只要成功建立连接并维持连接或切换到可用的连接，即可满足应用的无线通信需求。

（2）漏缆传输解决问题的工作机制。根据设备手册，车载无线模块的接收端信号大于-88dBm 即可保证传输。实际使用记录表明，当信号大于-70dBm 时，故障概率较小；当信号小于-80dBm 时，极易导致通信故障；当信号在-70 ～-80dBm 时，有一定概率出现通信故障。漏缆传输理论上能确保区域内无线信号保持在均匀的可靠场强值，相较天线，具有明显改进效果。现有轨旁无线模块的设计原则是同信道AP 以500m 作为间隔。考虑到漏缆传输不受车体阻挡影响，即使在一个站台附近只接入一个信道，仍然可以起到明显的改进效果。当列车以A 信道进入站台时，不存在车体阻挡的问题；如果列车以B 信道进入站台，由于B 信道没有接入漏缆，可能会出现车体阻挡，但只要车载无线通信切换控制器切换到A 信道，则可以避免切换不成功的问题。

2.2 干扰评估

在本项目中，无线系统的内部相容性的说明如下。

（1）在同一BP 区内，地面具备两个互不重叠的信道。同信道的AP 之间和不同信道之间的AP 均不存在相互干扰的问题。同信道的AP 通过分时通信避免相互干扰，不论天线距离远近；不同信道的AP 采用频道隔离和窄带通信技术，因此不存在相互干扰的可能。

（2）相邻BP 区，采用的不同于本BP 区的另外的两个互不重叠的信道，因此相邻BP 区之间的AP 相互之间，也不存在被系统内其他AP 所干扰的问题。鉴于该无线解决方案的特点，此次施工的仅改变无线AP 的覆盖特性，而不对信道等做出调整。在个别地方将之前的无线AP 自由波天线改为漏缆，经计算评估，将改善列车的接收的信号质量，尤其是规避由于车体阻挡导所诱发的无线通信故障的问题。

2.3 漏缆情况分析

设想漏缆在最极端的情况，信号切换场景的推演如下：如果列车进入该站间时，工作在无线AP 信道，虽然漏缆信道信号很强，但是不会发生切换。此时，如果列车在无线AP 信道工作遇到困难，比如，通信丢失发生切换，由于漏缆信道信号很强，可以确保车载切换成功。当列车进入站间时，如果列车正在使用漏缆信道，并且该信道的信号最强，则车载无线设备可以持续使用该信道。在这种情况下，其他AP 可能不会负责发送数据，但整个簇仍能正常工作，始终通过信号最强的轨旁AP 与列车进行通信。从理论分析来看，漏缆能满足无线通信系统的要求。

2.4 现场安装

（1）现场说明。通过现场勘测，为确保整治效果，采取7/8 同轴电缆与AP 箱的连接处，7/8 同轴电缆与13/8 同轴电缆连接处，7/8 同轴电缆与新敷设的漏缆连接，均采用连接器进行连接，并在漏缆末端加负载。漏缆整改连接示意图如图4。

图4 漏缆整改连接示意图

（2）分析说明。①漏缆接入点选取。经分析和试验，考虑从既有AP 到漏缆起点敷设的同轴电缆衰耗等情况，选取就近设备作为介入点。②漏缆终端选取。据目前评估，现有漏缆覆盖有效范围不小于之前AP1903 的覆盖范围，且覆盖距离需完全覆盖站台范围，不会受到车体阻挡的影响。

2.5 设备安装

（1）矩形隧道安装如图5 所示。

图5 设备安装位置示意图

（2）钻孔和卡具安装。使用φ8mm 钻头在墙体上垂直钻孔，孔深建议为53mm，孔眼要求平直，不得成喇叭状，孔距建议为1m，装入膨胀螺栓，使用扳手紧固螺母。按顺序安装螺杆或固定座、卡具，隧道内卡具安装要牢固，注意卡具开口的方向，防火卡具间距应符合设计要求（每9 个普通卡具安装一个防火卡具）。

2.6 线缆布设

根据原有施工蓝图，现场先将新漏缆卡具安装完成后，再进行漏缆的上架固定，漏缆敷设离地面约3950mm，待漏缆敷设安装完成后，再敷设13/8 同轴电缆，13/8 同轴电缆布设在原有的光缆安装支架上（从上往下第1 层），严禁弯曲和盘圈。同轴电缆用固定线夹固定在隧道壁上，最小弯曲半径为130mm，同轴电缆与无线设备箱连接处进行防水处理，在连接器裸露部分采用热缩套管和电气防水胶带进行缠绕包裹防护。

漏缆的弯曲半径不得小于100mm，尽可能不与其他线缆交叉，如无法避免时，应将漏缆敷设在外侧，避免其他线缆阻挡漏缆的信号覆盖。

3 设备检查及验证

3.1 设备安装检查

设备安装完成后，对所安装的设备和既有设备进行检查，确保设备安装正确。

3.2 静态调试

断开既有AP 箱体到无线天线的同轴电缆，将新的7/8 电缆接入AP1903 上，上电后在无线、有线网管上检查AP 设备是否显示正常，在地面模拟车地通信，看设备场强是否符合要求(距离AP1903 的310m 位置，无线模块接收到的场强宜≥-70db)，如有异常，则将原有同轴电缆恢复。

3.3 动态调试

静态调试完成后，进行动态调试。在列车查看车载与地面漏缆连接后，场强值是否稳定、AP 是否能正常接入、信道是否可正常切换，以及验证列车运行安全功能。如测试异常，则恢复原有天线；如达到测试目的，可按新设备启用的标准程序投入使用。

3.4 应用效果评估

上述漏缆优化整治方案目前已在长沙2 号线正式启用3 个站点，启用后均可以达到预期效果，极大地减少了试点区域故障发生的概率。某站下行通信丢失故障整改前后对比图如图6。

图6 某站下行通信丢失故障整改前后对比图

4 结语

通过问题排查和解决方案应用测试，本研究明确了造成通信问题的原因是在进行链路规划时未充分考虑车体等阻挡因素，同时切换机制不合理，在干扰环境下，导致无线信号不稳定。通过漏缆优化改进无线覆盖，可以有效地提高通信质量，确保系统稳定运行。