西安機場城際線列車因移動授權超時而引發緊急制動故障的分析

房 瑛

（陜西城際鐵路有限公司，710038，西安∥高級工程師）

西安機場城際軌道交通線（簡稱“城際線”）采用基于通信的列車控制（CBTC）系統，數據信號子系統（DCS）采用基于開放的業界標準，其有線通信部分采用IEEE 802.3 以太網標準，無線通信部分采用LTE（長期演進）技術。LTE 車地無線通信采用綜合承載方式設置，A、B 網冗余雙網設計，兩張網絡完全獨立，并行工作。A 網承載CBTC 業務、PIS（乘客信息系統）業務、車載CCTV（閉路電視）業務、列車運行狀態信息以及緊急信息文本下發等業務；B 網單獨承載CBTC 業務，確保可靠傳輸CBTC 業務。列車在線路開通運營前的單A 網、單B 網模式運行測試期間，曾多次出現由移動授權超時導致的緊急制動故障。

1 移動授權簡介

在CBTC 系統中，通過為每列車生成一個合理安全的移動授權（MA），來確保列車在系統控制的線路內高密度地安全運行。MA 的距離是指從列車的車尾起到前方終點障礙物的這部分線路［3］。區域控制器（ZC）根據列車當前位置、行駛方向、進路開放及鎖閉狀態、前方列車屬性、前方列車位置等信息，為車載ATP（列車自動防護）實時計算并確定每列列車的MA，MA 經安全通信協議封裝后，通過無線設備連續發送給車載ATP 執行。

在生成MA 過程中，ZC 將處理多種類型障礙物，按照一定規則從中選取能作為列車當前周期運行終點的終點障礙物［4］。終點障礙物既有可能是靜態障礙物，例如道岔、進路終點等，又有可能是動態障礙物，例如前方列車MA。

當列車在受控線路區域內按照正常時刻表移動時，VOBC（車載控制器）將列車的位置與方向發送給ZC，并且列車的MA 將由ZC 發送給VOBC。ZC也向VOBC 發送列車所在MA 內的道岔和信號機狀態，從而使VOBC 能夠根據這些狀態監控列車。MA 原理如圖1 所示。

如圖2 所示，聯鎖子系統將進路、道岔、信號的狀態發送給ZC；ZC 結合聯鎖子系統信息計算列車MA，并將MA 經過有線網發送至控制中心LTE 核心網交換機；再經過車站BBU（基帶處理單元）、軌旁RRU（射頻拉遠單元）上傳至漏纜，通過無線傳輸至車載天線；車載天線將MA 發送至TAU（車載接入單元），再經TAU 發送給車載ATP，列車按照MA實現安全運行。

圖1 MA 原理示意圖

圖2 MA 數據傳輸示意圖

2 MA 超時故障原因分析

在2019 年6 月期間，收集分析全線信號車載日志數據發現，造成列車緊急制動原因為“MA 超時”，主要集中發生在1 車、6 車、7 車、9 車、10 車、14 車共6 列車上。原因分為LTE 系統網絡問題和信號設備板件故障兩大類，現從硬件、軟件入手對此兩大類故障進行分析。

2.1 LTE 系統網絡的問題分析及調整

2.1.1 區間網絡優化

西安機場城際線列車運行最高設計速度為100 km/h，在應對多普勒效應、小區切換等技術上要求更高。西安機場城際線區間采用漏纜敷設，區間線路長度均大于1 000 m，考慮到RRU 覆蓋范圍有限，根據軌道交通工程應用實踐，區間1.2 km 布設1 個RRU，每個RRU 向大小里程方向各覆蓋600 m，因此存在2 個RRU 之間的切換問題。

根據信號傳輸特性，綜合考慮漏纜損耗、接頭損耗、耦合損耗，距離、容差等因素，結合西安機場城際線RRU 布置情況，根據有關工程規范RRU 至600 m 處最小場強值參考值約為-90 dB。工程實施中通過網管調節RRU 場強，使其場強值達到參考值范圍，目的是保證列車通過2 個RRU 平滑切換來提高業務性能。

測試期間，列車在藝術中心站—空港新城站區間出現多次緊急制動故障。經實地檢測，該區間的RRU 布置距離空港新城站約500 m，空港新城站內也布置了RRU。這2 個RRU 都屬于空港新城站BBU 管理。因此，實際上藝術中心站—空港新城站區間的RRU 只覆蓋250 m，所以把RRU 功率降到最低，根據250 m 的漏纜距離計算得到藝術中心站—空港新城站區間RRU 覆蓋終點場強約為-76.25 dB。此數值遠大于小區切換數值-90 dB，結果造成RRU 過覆蓋，最終導致2 個RRU 切換時不平順而產生丟包，造成列車緊急制動故障。

針對此現象，綜合考慮區間長度，將空港新城站的RRU 與藝術中心站—空港新城站區間的RRU合并為超級小區，調整后進行驗證，測試數據已滿足要求，規避了近距離2 個RRU 之間切換造成的列車緊急制動故障。

2.1.2 區間漏纜接頭駐波比超標引起“MA 超時”而產生緊急制動問題

天線駐波比檢測是通過檢測天線口實際發射功率和天線口實際反射功率，然后由駐波比公式計算出天線口實時駐波比。在實際工程施工中，由于接頭工藝質量問題導致反射功率過大，最終造成了發射功率與反射功率的干擾，使得RRU 場強和信噪比過低而導致無線性能下降。當一個RRU 產生駐波，使場強和信噪比下降后，與相鄰RRU 的切換帶就發生變化。如A、B 處2 個RRU 之間各覆蓋600 m，切換帶就在600 m 處，如A 點RRU 產生駐波后場強降低，B 點的RRU 就需要補充A 點RRU 降低的那部分場強，在保持B 點RRU 功率不變的情況下，B 點RRU 無法過覆蓋去補充故障RRU 的場強，則會造成切換時性能下降，最終產生丟包而導致列車緊急制動故障的發生。

駐波比理想值為1，按照工程標準漏纜駐波比應小于2.0。在LTE 無線系統網絡優化階段，經測試發現部分漏纜接頭駐波比值超過了標準值。經過處理漏纜接頭，將駐波比降到標準值范圍內后，消除了因為駐波比超標引起“MA 超時”所導致的列車緊急制動的故障問題。

2.1.3 室外鄰線干擾

西安機場城際線北客站站-渭河南站區間為地面區間，且緊鄰西安地鐵4 號線草灘停車場，西安地鐵4 號線草灘停車場也采用TD-LTE（時分-長期演進）技術承載CBTC 業務。西安機場城際線與地鐵4 號線同時在使用國家無線電委員會批復的專用頻段1 785 Hz ～1 805 Hz：西安機場城際線A網頻段為1 785 ～1 795 MHz，B 網頻段為1 795 ～1 800 MHz；地鐵4 號線A 網頻段為1 785 ～1 800 MHz，B網頻段為1 800 ～1 805 MHz，4 號線A 網與西安機場城際線A 網使用的無線頻譜重疊。

兩條線路的網絡在無線制式上相同，雙方基站時鐘同步，配比相同的子幀，上下行時隙亦同步。在西安機場城際線和地鐵4 號線A 網頻段的重疊區域，如果兩家天線在相隔較近距離時則會產生同頻干擾。

在西安機場城際線調試期間，列車行駛至北客站站—渭河南站區間時，單網情況下會頻繁出現MA 超時而引起的緊急制動故障。現場實際測量發現：西安機場城際線北客站站—渭河南站區間與4號線草灘停車場在物理空間上無隔離，兩線之間最小距離為80 m，西安地鐵4 號線采用天線覆蓋，西安機場城際線采用漏纜覆蓋。實地測試發現，4 號線定向天線方位角有一部分打入西安機場城際線，經協商后，4 號線調整了定向天線方位角并降低該基站功率。為了確保2 個網絡無同頻干擾，西安機場城際線再次進行測試并進行詳細分析，具體結果如下。

地鐵4 號線和西安機場城際線在北客站站—渭河南站區間的基站使用GPS（全球定位系統）時鐘源授時，實現時鐘同步，并配比相同子幀、相同時隙且凍結無線性能配置數據等相關參數。在此工況下，測試西安地鐵4 號線和西安機場城際線的LTE 基站按分別單獨開啟和同時開啟共分三步進行。根據測試結果，依據《LTE-M 系統需求規范》進行推算分析可得：

1）西安機場城際線和地鐵4 號線最小場強值為-81 dBm，大于容許的最小場強-95 dBm。

2）信噪比17 dB，大于容許的最小信噪比3 dB。

3）最大時延42 ms，小于容許值150 ms。

4）丟包率為0.01%，小于容許值1%。

5）干擾裕量根據《城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）規范》的要求，LTE-M 信噪比指標全線在3 以上，結合工程經驗可要求信噪比指標大于6。由此，根據西安機場城際線與地鐵4 號線現場實際，為避免產生同頻干擾，兩個網絡必須保證隔離度為12.02 dB，即干擾裕量需大于12.02 dB。干擾裕量=有用信號強度-干擾信號強度+8 dB（障礙物阻擋的損耗）-8 dB（屏蔽門阻擋損耗）。地鐵4 號線關閉、西安機場城際線開啟時，在草灘停車場的4 號線干擾裕量為24 dB；西安機場城際線關閉、4 號線開啟時在草灘停車場的機場線干擾裕量為20 dB。

干擾裕量24 dB 和20 dB 都大于12 dB，均滿足規范要求。

通過現場調整、測試及驗證，兩家LTE 無線通信各項技術指標在北客站站—渭河南站區間的草灘停車場均滿足《LTE-M 系統需求規范》的設計需求和實際需求，解決了西安機場城際線MA 超時而引發的緊急制動故障。

2.2 信號設備故障排除及調整

車載ATP 設備在車頭、車尾各設置一套，頭尾兩端通過通信線纜相連，以實現頭尾兩端設備間的通信及車地無線通信的雙路冗余。車頭、車尾的車載ATP 設備自成系統，一端的車載系統控制不依賴于另一端的終端設備。車載ATP 單端設備采用“二乘二取二”的安全冗余技術，以確保車載設備的安全性、可靠性及可用性。車載ATP 設備如圖3 所示。

圖3 車載ATP 設備示意圖

列車車頭、車尾各安裝1 套TRU，兩端互為冗余。TRU 與TAU 接口通過車地無線通信網絡發送和接收CBTC 車地無線通信數據。TRU 通過以太網連接與車載ATP/ATO 設備進行數據傳輸，TRU 通過車地無線通信傳輸列車編號、位置信息、MA 等。

2.2.1 地址解析協議報文無應答導致TAU 地址解析失敗

按照地址解析協議（ARP），VOBC 需要在接收TAU 的廣播請求后進行回復。VOBC 不回復TAU定時、定向的單播ARP 請求，連續忽略3 次后TAU判斷ARP 老化，開始重新廣播ARP 請求。

查看車載監控板日志ARP 報文發現，TAU 定期向VOBC 發起的單播ARP 請求沒有收到回復，連續3 次后TAU 發起廣播請求1 次或者多次后才得到VOBC 回復。ARP 報文無應答會導致TAU 地址解析失敗，造成列車緊急制動降級。此故障曾多次發生，回顧多次緊急制動前后日志，發現VOBC 多次出現不回復廣播ARP 請求的情況。

查看發生該故障時段的完整日志發現，此時由于ARP 老化，使地址為20.50.5.102 的VOBC 處于單通狀態，TAU 無法找到地址為20.50.5.102 的VOBC，并無法轉發報文，造成網絡中斷2 s，導致列車降級（此時處在單網行車）。

針對此故障，通過采取優化通信協議措施后，收發數據正常，解決了此類故障。

2.2.2 LRE（遠程以太網）功率因數過小導致通信延時

分析單網運行數據結果，在排除由LTE 網絡通信質量問題引起的MA 超時后，從信號板卡設備所處車載電磁環境、高溫耐受情況及抗干擾等方面入手，對不同功率參數進行實驗室測試并驗證效果。

列車頭尾兩端通過通信線纜相連，并分別設置LRE 轉換器進行數模/模數轉換，以實現頭尾兩端長距離設備通信，以及車地無線通信的雙路冗余。通過分析故障數據，確認1 車及14 車信號頭尾通信不穩定，有數據丟包現象。更換1 車及14 車LRE 板卡后，未復現丟包現象，故確定為LRE 單板故障。

1）車載網絡鏈路整體排查。為驗證信號車載通信質量是否受車輛外部干擾影響，對車輛VVVF（變壓—變頻）等設備在不同負載下的通信質量進行試驗。收集A 網車輛在不同負載情況下的車載通信網絡的通信質量波形并進行對比。通過對比發現，在A網下，不同功率參數的測試結果相同，信號波形無明顯變化。這就證明車載通信網絡對車輛運行中產生輻射的抗性較強，通信質量未受明顯影響。

2）高溫環境測試情況。將發生故障的LRE 板卡返廠后，分別在55 ℃～85 ℃環境下進行測試，并使用通信軟件監控通信結果。測試數據顯示，LRE板卡通信正常，通信0 丟包。為驗證高溫是否對LRE板卡有影響，繼續提高溫度進行測試`，當測試溫度達到93 ℃時，板卡死機，無法進行通信。當降至室溫后，板卡仍無法自愈，必須手動重啟才能恢復。對現場LRE 板卡進行內部溫度測量時，未見有50 ℃高溫以上的，因此排除高溫原因對板卡的影響。

3）抗干擾測試及調整。對故障的LRE 板卡在改變功率參數、內部添加抗干擾元件、更換接地方式等的不同情況下進行板卡抗干擾性能測試，同時在板卡旁用電機不斷啟停模擬干擾。測試結果顯示，LRE 板卡受外界環境影響出現丟包情況，原因是LRE 功率因數過小導致通信延時，從而影響列車運行。為提高抗干擾性能，綜合考慮通信效果，并結合工程實踐經驗，對LRE 板卡采用調大功率參數、添加內部抗干擾磁環、優化接地方式等措施。

2.2.3 ZC 設備故障

ZC 設備是CBTC 系統地面核心控制設備，是地—車信息交互的樞紐。ZC 與CBI、ATS、車載ATP、相鄰ZC、維護設備接口等設備，可根據通信列車所發來的位置信息、聯鎖進路信息和軌旁設備提供的軌道占用/空閑信息，為控制范圍內的通信列車計算生成MA，并通過無線通信系統傳輸給ATP 車載子系統，保證其控制區域內通信列車的安全運行。ZC 是計算列車MA 的主要設備，相鄰ZC 通信超時或ZC 板卡故障，都將導致MA 發送失敗。

西安機場城際線的ZC 在集中站設置，調試中發生過兩類偶發故障：一類是空港新城站下行、擺旗寨站上行（ZC 交接區）站臺作業完成后，與接管的ZC 建立連接較慢，故障現象為無推薦速度或推薦速度起來較慢；另一類是秦宮站ZC 出現備系離線情況。針對列車在ZC 管轄區移交邊界處發生延遲與接管的ZC 建立鏈接的問題，根據日志數據分析如下：

1）建立鏈路滯后的原因：列車在站臺完成作業后，ZC 發送給列車的MA 只到移交邊界處，列車沒有及時和接管的ZC 建立連接，導致MA 無法延伸進入接管的ZC，交互信息中ZC 未收到信息包，造成列車主動斷開鏈接。

2）備系離線原因：主系向備系發送同步數據時出錯，備系3 個周期同步失敗導致宕機。

對以上兩類故障，可通過優化ZC 軟件來解決。新版軟件在西安機場城際線培訓中心拷機試驗60 d，未出現異常情況后對原軟件進行升級，更新后新版軟件各項功能正常，測試結果良好，解決了上述問題。

2.2.4 車載ATP 板卡故障

MA 信息經過交換機板、無線板發送至ATP 主控板進行計算，交換機板、無線板卡故障后，信息無法傳遞到ATP 主控板，導致列車MA 超時。其解決辦法為更換車載ATP 板卡。

3 結語

通過上述故障原因分析可知，因MA 超時導致列車的緊急制動故障是由于LTE 網絡及信號設備故障綜合形成的結果。故對全線線路和設備采取了如下具體措施：①針對LTE 故障，全線排查饋線、電橋接頭等硬件并進行相應測試，場強滿足設計要求后動車試驗，結果均符合要求。②將全部列車的車載信號LRE 板卡進行功率參數調整并進行靜態測試，使其達到有效抗外部干擾信號的要求。③更換故障板卡，并對有關車載軟件、ZC 軟件進行升級。采取以上措施后，截至目前，通過收集大量數據驗證，因MA 超時導致緊急制動的故障未再出現。

無線網絡優化是無線網絡工程交付和運營維護的一個重要過程，可劃分為工程優化和運維優化兩個階段。在工程建設期間，需要綜合采取優化網絡設置、提高施工質量、提升設備性能等手段，并按實際建設工程數據，對存在的業務指標和業務性能相關問題，通過項目工程參數調整及優化網絡相關參數，以達到解決問題、提升或改善網絡質量、確保無線網絡安全的目的；運營開始后，仍要結合存在問題和設備故障，定期進行無線網絡性能測試，及時地處理故障、排除外界干擾、改善網絡質量，以確保行車安全。