淺談通信導(dǎo)致的信號故障分析

郭均鑫

摘 要：為實現(xiàn)地鐵的CBTC運營模式，信號設(shè)備廠家通過采用通信設(shè)備與信號設(shè)備結(jié)合的方式構(gòu)建了無縫的車-地傳輸環(huán)境，本文將簡要分析通信系統(tǒng)及各種通信設(shè)備故障導(dǎo)致的信號故障現(xiàn)象，為信號維保人員提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；信號系統(tǒng)；信號故障；DCS；車地通信

Abstract：In order to realize CBTC mode of metro， Signalling equipment manufacturers construct seamless train-ground communication environment via using signaling devices combine with commucation devices， this article briefs probe on commication system and signal-failure phenomenon caused by communication devices failure， which provides reference to signal workers.communicating procedures in signal system.

Key Words：Urban rail transit；signal system；signal-failure；DCS；train-ground communication

信號系統(tǒng)通常有以下子系統(tǒng)：聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATC子系統(tǒng)（ATO/ATP）、ATS子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（DCS）等，但信號維保人員對數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)了解較弱，本文簡要介紹現(xiàn)階段信號系統(tǒng)中所用到的通信設(shè)備及其故障情況下的現(xiàn)象。

1 信號系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常ATS子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)和ATP子系統(tǒng)間的信息交互均在一套主干網(wǎng)絡(luò)上完成。常見的方式是由信號系統(tǒng)獨立組建主干網(wǎng)絡(luò)，將信號系統(tǒng)的安全信息與非安全信息集中傳輸、交換、處理，其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在滿足國際標(biāo)準(zhǔn)通用型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上增加專用保護(hù)機(jī)制，確保信息傳輸?shù)母甙踩浴⒖煽啃浴⒓皶r性。

為方便描述及后文需要，本文根據(jù)設(shè)備屬性將信號系統(tǒng)分為四部分：

DCS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（I）、室內(nèi)信號設(shè)備（II）、室外信號設(shè)備（III）和車載信號設(shè)備（IV），其中“軌行區(qū)無線天線-車載無線天線”和“LEU信標(biāo)-信標(biāo)天線”為無線鏈路，如圖1所示：

1.2 DCS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（I）

主要包括：節(jié)點機(jī)、電交換機(jī)、光交換機(jī)、軌行區(qū)無線天線、車載無線天線、車載交換機(jī)。節(jié)點機(jī)將本聯(lián)鎖區(qū)范圍內(nèi)的各類數(shù)據(jù)傳輸至其他節(jié)點機(jī)，實現(xiàn)了總出口和總?cè)肟诘墓δ埽哂袛?shù)據(jù)吞吐量大的特點。

除此之外，節(jié)點機(jī)要識別、拆解、分發(fā)數(shù)據(jù)幀中本區(qū)域的所需數(shù)據(jù)包，節(jié)點機(jī)還要將不同目的地的同類數(shù)據(jù)分別聚合、封裝入數(shù)據(jù)幀，再送入傳輸通道。節(jié)點機(jī)根據(jù)技術(shù)不同分為：OTN節(jié)點機(jī)、SDH節(jié)點機(jī)、工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點機(jī)等。通常將節(jié)點機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，如圖2所示：

電交換機(jī)使得各信號設(shè)備互聯(lián)互通，同時作為橋梁連接節(jié)點機(jī)和各信號設(shè)備。光交換機(jī)將電信號轉(zhuǎn)化為光信號傳送至軌行區(qū)無線天線，同時，軌行區(qū)無線天線的光電轉(zhuǎn)化器完成了光電轉(zhuǎn)化再通過調(diào)制將載波信號發(fā)送出去，這為數(shù)據(jù)的無縫環(huán)境提供了前提，也為CBTC的功能實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

車載無線天線接受并解調(diào)載波信號，通過車載交換機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。軌行區(qū)無線天線和車載無線天線間的數(shù)據(jù)收發(fā)實現(xiàn)了無縫的車-地通信。

1.3 室內(nèi)信號設(shè)備（II）

主要包括集中站（聯(lián)鎖站）的室內(nèi)設(shè)備：聯(lián)鎖計算機(jī)、ATP計算機(jī)、ATS服務(wù)器，計軸計算機(jī)等關(guān)鍵信號設(shè)備。本層設(shè)備是實現(xiàn)信號功能的核心，各信號集中站可獨立實現(xiàn)本轄區(qū)包括聯(lián)鎖、點式和CBTC的信號全功能（分布式ATP控制），此處不做過多描述。

1.4 室外信號設(shè)備（III）

主要包括：轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸磁頭、信號機(jī)、信標(biāo)（應(yīng)答器）等設(shè)備，均分布在軌行區(qū)。該部分設(shè)備屬于輸入輸出類型，是信號系統(tǒng)的終端設(shè)備。轉(zhuǎn)轍機(jī)、計軸磁頭和信號機(jī)實現(xiàn)聯(lián)鎖功能，保障底層安全；信標(biāo)（應(yīng)答器）實現(xiàn)列車定位及點式下的進(jìn)路預(yù)告，此處不做過多描述。

1.5 車載設(shè)備（IV）

主要包括：車載控制器（ATP/ATO）、人機(jī)界面、編碼里程計、信標(biāo)（應(yīng)答器）天線、無線天線及其收發(fā)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等。車載控制器實現(xiàn)列車信號的核心功能，在保證以安全為底線的ATP功能時，通過ATO功能實現(xiàn)列車的最高效率運行；測速器、信標(biāo)（應(yīng)答器）天線位于車底，用于實時收取車輪數(shù)據(jù)和軌道應(yīng)答器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車的速度監(jiān)測及位置檢測；人機(jī)界面即信號顯示屏，顯示速度、前方進(jìn)路、車門、駕駛模式等諸多信息；無線天線及其收發(fā)設(shè)備實現(xiàn)了車地雙向通信，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備將車載各個設(shè)備連接在一起，同時實現(xiàn)列車雙端冗余。

2 DCS故障導(dǎo)致的信號故障

本章節(jié)內(nèi)容將模擬DCS設(shè)備故障后導(dǎo)致的信號故障現(xiàn)象，將根據(jù)介質(zhì)屬性分別對有線部分（網(wǎng)線/光纖）和無線部分進(jìn)行模擬。

2.1 DCS設(shè)備

有線設(shè)備主要有節(jié)點機(jī)、電交換機(jī)、光交換機(jī)、軌行區(qū)無線天線、車載無線天線和車載交換機(jī)。線路按介質(zhì)區(qū)分，有雙絞線（網(wǎng)線）和光纖。

網(wǎng)線將提供少于100米、最大1000Mbps的帶寬，主要連接節(jié)點機(jī)、電交換機(jī)、信號室內(nèi)設(shè)備等；光纖將提供至少300米、至少Gb級別帶寬，主要用于節(jié)點機(jī)與節(jié)點機(jī)、室內(nèi)信號設(shè)備與區(qū)間設(shè)備等距離遠(yuǎn)或帶寬大的連接。DCS有線設(shè)備和無線設(shè)備分別如圖3、圖4所示：

2.2 節(jié)點機(jī)間光纖斷裂

地鐵信號系統(tǒng)的骨干網(wǎng)一般由若干節(jié)點機(jī)成環(huán)相連。此處定義節(jié)點機(jī)A至F依次相連形成環(huán)網(wǎng)，定義節(jié)點機(jī)A-B相連和光纖為①、節(jié)點機(jī)A-F相連的光纖為②，見圖5：

若光纖①出現(xiàn)斷裂，環(huán)形組網(wǎng)方式將通過內(nèi)置的自愈機(jī)制保證B-C-D-E-F-A節(jié)點機(jī)的互聯(lián)互通；若光纖①②均出現(xiàn)斷裂，將觸發(fā)自愈機(jī)制：B-C-D-E-F節(jié)點機(jī)通信無障礙，但節(jié)點機(jī)A脫離環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，其承載的服務(wù)已脫離骨干網(wǎng)絡(luò)，即節(jié)點機(jī)下的聯(lián)鎖機(jī)和ATP計算機(jī)服務(wù)已離線，造成OCC部分灰顯及列車無法投入CBTC模式。

2.3 節(jié)點機(jī)故障

通常節(jié)點機(jī)有冗余雙通道設(shè)計，若為單通道故障，將不會導(dǎo)致信號系統(tǒng)故障；若節(jié)點機(jī)雙通道均故障，造成的結(jié)果與 “2.2”中光纖①②均出現(xiàn)斷裂的情況一致。

2.4 電交換機(jī)故障

通常電交換機(jī)為雙機(jī)冗余設(shè)計，單機(jī)故障一般不會造成信號系統(tǒng)故障，但需要注意其他子系統(tǒng)或系統(tǒng)程序是否有默認(rèn)交換機(jī)設(shè)置，這樣的設(shè)置可能會導(dǎo)致冗余失效；若交換機(jī)雙機(jī)故障，其相連的計軸計算機(jī)、ATP計算機(jī)、聯(lián)鎖計算機(jī)、ATS服務(wù)器等將不能互聯(lián)互通，交換機(jī)所承載的業(yè)務(wù)也不能上傳到節(jié)點機(jī)，即將傳給給列車的移動授權(quán)信息也不能傳遞給光交換機(jī)，列車因無法接入ATP服務(wù)器而觸發(fā)緊制，將無法投入CBTC模式。

2.5 光交換機(jī)故障

光交換機(jī)指在電交換機(jī)端口處增加光模塊，實線信號在光纖中的傳輸。通常光交換機(jī)為雙機(jī)冗余設(shè)計，對應(yīng)車-地的冗余無線網(wǎng)絡(luò)，單機(jī)故障將不會造成信號故障；若光交換機(jī)雙機(jī)故障，將直接造成與電交換機(jī)和軌行區(qū)無線天線的數(shù)據(jù)互通中斷，列車因無法接入ATP服務(wù)器而觸發(fā)緊制，將無法投入CBTC模式。

2.6 軌行區(qū)無線天線故障

軌行區(qū)無線天線由天線、光電轉(zhuǎn)換器、調(diào)制解調(diào)器構(gòu)成。通常為雙網(wǎng)冗余設(shè)計，若單網(wǎng)故障一般不導(dǎo)致信號故障，但需注意雙網(wǎng)的信號覆蓋強(qiáng)度不一定相同，若較差覆蓋率的信號被使用將增加網(wǎng)絡(luò)超時中斷的風(fēng)險，將導(dǎo)致列車緊制并無法投入CBTC模式；若不考慮其他天線的信號覆蓋，雙網(wǎng)故障將導(dǎo)致列車緊制，車-地通信徹底中斷，列車因無法接入ATP服務(wù)器而觸發(fā)緊制，并無法投入CBTC模式，點式模式下的車門聯(lián)動屏蔽門功能也將失效駛出該天線覆蓋區(qū)域?qū)⒒謴?fù)正常。

2.7 車載無線天線故障

為實現(xiàn)與軌旁天線的互聯(lián)互通，車載無線天線與軌旁天線構(gòu)成類似。通常為雙網(wǎng)冗余設(shè)計，若單網(wǎng)出現(xiàn)故障一般不導(dǎo)致信號故障；若雙網(wǎng)出現(xiàn)故障，車-地通信徹底中斷，列車因無法接入ATP服務(wù)器而觸發(fā)緊制，并無法投入CBTC模式，點式模式下的車門聯(lián)動屏蔽門功能也將失效。

2.8 車載交換機(jī)故障

車載交換機(jī)通常為冗余設(shè)計，對應(yīng)車載天線。若單機(jī)故障，不會造成信號故障；若雙機(jī)故障，車載交換機(jī)相連的車載控制器、信標(biāo)天線、編碼里程計和人機(jī)界面不能互聯(lián)互通，所承載的業(yè)務(wù)將直接中斷，造成車載控制器收不到附屬設(shè)備的所有信息，列車觸發(fā)緊制，本情況下列車只能切除ATP方可動車。

2.9 無線鏈路傳輸故障

車-地?zé)o線通信通常工作在2.4Ghz頻段（IEEE 802.11），我國有13個從2.412Ghz-2.472Ghz的信道。信號系統(tǒng)與行車相關(guān)，通常采用兩端的信道以實現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，例如2和13。實現(xiàn)802.11傳輸協(xié)議的有裂縫波導(dǎo)管、漏纜、無線定向天線等，其中波導(dǎo)管最穩(wěn)定但造價也最高。在隧道環(huán)境中，除其他系統(tǒng)外一般不會有2.4G無線設(shè)備；若在高架開放區(qū)域時，則很有可能受到附近的Wi-Fi信號干擾。當(dāng)無線信號強(qiáng)度太弱時，超過5秒仍通信中斷，車載控制器觸發(fā)列車緊制。可通過測算無線信號覆蓋強(qiáng)度的方式提前知曉并調(diào)整。2.4Ghz為開放頻段，故多種民用無線設(shè)備處于此頻段，例如便攜3G/4G路由器。若該類設(shè)備開啟較多，則會增加車-地通信的丟包率，增加列車因通信中斷而緊制的風(fēng)險。此類情況無法避免，只能通過正確引導(dǎo)乘客的上網(wǎng)習(xí)慣得以緩解，也能通過信號廠家修改無線工作頻段的方式大幅改善。

3 結(jié)語

基于CBTC的信號系統(tǒng)通常會采用通信設(shè)備與信號設(shè)備的結(jié)合來實現(xiàn)無縫的數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹了信號系統(tǒng)的通信設(shè)備，并通過通信設(shè)備的故障來分析信號故障，旨在清晰展示通信設(shè)備的冗余性和可靠性，并給信號維保人員提供通信方向分析故障的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何霖.廣州地鐵運營事業(yè)總部技術(shù)論文集[C].廣州：廣州地鐵運營事業(yè)總部技術(shù)部，2003.

[2] 鄭州2號線信號系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)絡(luò)文件及技術(shù)規(guī)格書.

[3] 大連地鐵2號線一期工程信號系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)絡(luò)文件及技術(shù)規(guī)格書.

[4] 青島地鐵3號線信號系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)絡(luò)文件及技術(shù)規(guī)格書.

[5] 廣州地鐵6號線信號系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)絡(luò)文件及技術(shù)規(guī)格書.