天津地鐵3號線信號系統TWC故障分析

天津市地下鐵道運營有限公司 史文彬

1 系統概述

天津地鐵3號線信號系統采用龐巴迪CITYFLO 650列車自動控制系統，為基于通信的列車自動控制系統（CBTC）。

在龐巴迪信號系統中，數據通信子系統（DCS）為信號業務的傳輸提供了一個專用數據通道。DCS系統主要包括數據傳輸系統（DTS）和車地通信系統（TWC）。DTS是數據傳輸網絡，用于為信號系統提供專有有線信息傳輸，為中心與車站之間、車站與車站之間、控制中心設備之間、車站設備之間提供信息的高速通道，確保信息的安全、可靠、及時傳輸。TWC為車地無線傳輸網絡，用于軌旁設備與車載設備的無線信息傳輸。本項目使用的TWC系統使用漏纜傳輸網絡進行車-地雙向通信，基于ISM的2.4G開放頻段，利用軌旁網絡無線組件（WNRA），構建一個高可靠性、高可用性和高維護性的車地無線通信網絡。[1]

在車地通信過程中，無線通信處理器（RCP） 作為 RATP 機柜裝配的一部分，作為信息傳輸的始端，相關的 RATP 和 RATO 計算機將數據打包成一個 ATC 數據包。此數據包通過設置在區域站信號設備室的DTS核心網絡交換機，經過交換、路由過程發送至軌旁TWC網絡中，TWC網絡通過信息識別發送至特定的WNRA中，后者再將數據發送至車載信號設備中，此過程是雙向的，通過 UDP/IP 協議實現的。

2 TWC系統故障原因及應對措施

從天津地鐵3號線五年的運營故障數據統計分析來看，TWC系統故障主要分為以下四類：WNRA電臺故障、漏纜及饋線故障和TWC網絡故障。下面將從對上述三個方面做詳盡的分析總結。

2.1 WNRA電臺故障

本項目中，在每個無線區域有兩個WNRA，一個為主WNRA（A），一個是次WNRA（B）。在每個區域的主選和次選WNRA工作在相同的頻段上。“A”或“B” WNRA均可與列車通信，但不同時進行。如果使用“A”WNRA，則“B”WNRA處于熱備狀態，并監測A和B WNRA的無線射頻信道的狀態。典型的安裝為沿著每側軌道設置Radiax漏纜，并由一對冗余的WNRA 驅動。由于跨隧道采用Heliax電纜是不現實的，因此每個隧道都有自己的WNRA，信號耦合器將WNRA和漏纜天線系統連接在一起。

電臺為WNRA的核心部件，用于發射和接收數據。單個電臺故障不影響信號系統正常運營，但存在相當大的運行隱患，需要及時處理。經過分析，將WNRA日常巡視標準規范，從TWC網絡拓撲圖、ATS無線網絡監測和數據采集器（Data Collector）三個點位進行監測可及時發現故障，尤其是Data Collector最為直觀，WNRA位置對應的是黃色的說明沒有數據傳輸，顯示綠色的說明有列車經過此組WNRA，如果有列車經過但是不顯示綠色說明該WNRA通信異常，一般為電臺故障，需要處理。通過專業WNRA配置工具箱對電臺進行配置，停運后更換。

2.2 漏纜及饋線故障

本項目中，用于TWC系統的無線傳輸與 802.11是不兼容的。與802.11系統不同，TWC系統無線信息傳輸的完成不是基于IP地址。每一安裝有ATC設備的車廂在系統中具有其自身唯一的列車和車輛地址，該地址用于區域和車輛ATC之間的信息傳輸。無線區域之間的切換由ATC設備執行，而不是由無線網絡執行。列車和車輛地址的使用替代了IP地址，并由移動無線設備完成一個頻率區域至另一個頻率區域的傳遞，以提高系統性能和穩定性。

在抗干擾方面，TWC網絡的無線通信設備為商業通用設備，它并不同于802.11“Wi-Fi”設備。它使用了唯一用于龐巴迪列車控制應用的私有協議，由Afar公司開發的專用于龐巴迪的客戶解決方案。它不具備802.11x兼容性，這就避免了與其他通用設備的通信?？蛻舳ㄖ茀f議的另外一個好處就是它允許軌旁區域根據車載ATC而非無線設備軟件的的控制進行機動切換。龐巴迪方案還實現了經由軌旁無線的廣播，而不需要固定設備和移動設備之間存在IP連接。這一方法具有優秀的切換特性，并且在一定程度上限制了數據通信系統對于級聯故障或者網絡入侵的敏感性。往年的無線電委員會測試結果也印證了TWC網絡在抗干擾性方面具有很大的優勢。

出現該類故障時，主要故障現象為列車在故障地點出現頻繁換端，掉模式的情況。通過以上分析，可排除信號干擾的原因，通常情況下為漏纜或饋線問題，主要是漏纜衰耗過大，饋線安裝不良，需要對漏纜的信號輻射強度、漏纜及饋線的衰耗、饋線和連接件進行測量、檢查，以排查相應的故障點。

在測量漏纜信號輻射強度時，通過設置WNRA工作狀態，使用天饋線測試儀外接車載漏纜天線，模擬列車經過，量測漏纜的信號輻射強度。整個信號發射接收過程為WNRA電臺經過FSJ4饋線、連接件、信號耦合器、漏纜，車載漏纜天線、連接件、車載電臺。WNRA電臺信號輻射強度為20dBm，在整個過程中包含漏纜的傳輸衰減、耦合損耗、系統損耗，FSJ4的饋線損耗、連接件及功分器的損耗，車體的屏蔽作用和吸收損耗，環境因素等[2]。通過大量的測試及故障案例分析得出一個經驗數值：用該種方法測量到的參考值為-70dBm左右，列車車載信號天線可容忍信號接收強度為-90dBm，而當該數值為-100dBm時車地通信質量急劇下降，列車就會出現頻繁換端的情況，此時就應考慮對漏纜、饋線和連接件進行緊固或更換，以此來達到更好的輻射效果。

在本項目中該類故障主要集中在冬季的地上站，說明氣溫對漏纜的輻射效果有一定的影響。同時，在地上站采用LOS天線的天津地鐵2號線，信號輻射強度較為穩定，運營五年來未發生過該類故障。綜上所述，在地上站不適合采用漏纜輻射的方式做為傳輸媒介，更易采用LOS天線。對于該類問題，在信號系統的設計聯絡階段就應提出地上站需采用LOS天線方式，為減少后期信號系統故障發生率及設備的維護量打下良好的基礎。

2.3 TWC網絡故障

該類故障發生的原因一般是由于TWC系統升級、檢修維護不當導致。從故障統計來看，該故障發生率不高，但影響較大，會導致列車在某些區域降級運行，只能以NRM模式行車。

一組WNRA包含WNRA A和WNRA B兩個，互為主備。如圖1所示，TWC網絡一般采用A與A或B與B的連接方式組成冗余網絡（環路1和環路2），但某些點位也會采用A和B一起連接的方式（環路3），以圖中虛線為分界點，數據流分別向兩個方向傳輸，當環路上單個交換機故障時，數據流將從另外一側傳輸，構成冗余網絡。環路3的缺點在于，當兩個交換機的端口同時故障時，該端口上的所有WNRA的數據將無法傳輸，而該環路上又連接了某區域的所有WNRA，導致列車與地面無法通信，經過此區域時將無法采用RTP/RATO模式行車，只能以NRM模式行車，對列車正常運營造成重大影響。

圖1

從技術手段上，可以對該問題進行預防性檢測以此來避免故障的發生，具體方法為：每次升級或維護檢修之后，對DTS維護工作站的超級終端（Hyper Terminal）進行設置，通過遠程登錄的方式對每個環路進行檢查，對電臺發送UDP數據，檢測每個WNRA電臺的數據收發，如果電臺無數據流則說明交換機端口沒有啟動或故障、亦或網絡鏈路上的光纖或網線松動，需要對相應的交換機端口進行重啟、緊固光纖或網線等操作（見圖1）。

3 結束語

列車控制系統技術發展日新月異，目前基于通信的移動閉塞列車控制系統（CBTC）為主流，而未來基于車車通信的列控系統是下一代列控系統的發展方向。無論哪種列控系統，TWC系統作為信號系統中重要的一部分有著不可替代的作用。本文通過分析討論，對TWC系統故障進行分類并提出相應的故障處理方法和預防性措施，為信號系統設計、維護提供了一定的經驗。

[1]徐金祥 沖蕾.城市軌道交通信號基礎[M].北京:中國鐵道出版社,2010.

[2]周杭.漏泄電纜功能分析及其選擇要素——漏纜在地鐵無線通信中的運用[J].現代城市軌道交通,2007(04).