廣州地鐵CBTC系統信號車地通信故障改善研究

廣州地鐵集團有限公司 姚貫岳

在Seltrac?無線CBTC系統中，車地通信系統是該系統的核心關鍵設備，車地通信系統設備質量直接影響行車效率。本文通過運用精益六西格瑪工具，以廣州地鐵14號線為例，開展車地通信故障改善研究。通過對車地通信系統故障進行測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因及質量影響因素，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現車地通信系統質量提升，降低故障率。

廣州地鐵目前十四號線號線采用的信號系統為Seltrac?無線CBTC系統（以下簡稱信號系統），車地通信是該系統的核心關鍵設備。若發生無線通信故障，則列車無法以CBTC模式運行，導致列車晚點，極大降低運營服務質量。線路無線AP設備數量上千個，且部分區間長、高架區間多，初期運營階段存在車地通信丟失次數龐大、信號人員獲取故障信息繁瑣、無法精準定位故障點、設備維護困難等問題。因此，本文運用精益六西格瑪工具，通過測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現車地通信系統質量提升，降低故障率。

1 車地通信系統結構及原理

廣州市軌道交通十四號線一期及知識城支線正線信號系統采用了Seltrac?無線CBTC系統，該系統由ATP、計算機聯鎖、ATO、ATS、DCS、維護監測等子系統組成。其中數據通信（DCS）子系統網絡由有線網絡及無線網絡部分組成，該系統為所有列車控制子系統提供IEEE802.3（以太網）接口，負責在一個控制子系統和另一個雷車控制子系統之間發送和接受IP報文，其中大多數列車控制子系統是移動的。

有線網絡采用單模光纖網絡，由高速交換機和單模光纖構成，使用IEEE 802.3作為有線的通信標準，使用Hirschmann交換機和光纖進行站－站之間的數據傳輸；一段骨干網絡構成了軌旁網絡，該軌旁網絡沿線路延伸。沿線車站設備室的ATC設備與軌旁網絡的網絡交換機連接。每個WRU包含一個無線接入點（AP）。

無線網絡是由軌旁無線網絡設備及車載無線網絡設備構成，無線鏈路的一端是AP，而另外一端則在列車上，并連接到車載無線單元（OBRU），使用IEEE 802.11作為無線通信的標準。軌旁無線網絡設計－主要由WRU（軌旁無線單元）、單模光纖沿線路分布并形成，仍然是基于IEEE 802.3以太網標準的有線通信網絡。列車上的電臺適配器SA和地面的軌旁無線單元AP截取適合的報文并通過已經建立的無線鏈接來傳送數據。數據通信系統軌旁無線網絡如圖1所示。

圖1 數據通信系統軌旁無線網絡

2 車底通信丟失故障分析

車地通信故障呈現故障點多，故障常常無明顯規律，偶發性強等特點，給查找故障帶來了很多的困擾。因此，為了系統科學全面的梳理出故障原因，通過精益六西格瑪工具快速找出引發故障的根本原因，并依據制定對應的改善方案。這個分析過程，可以分為測量和階段兩個階段。

2.1 測量階段

如圖2所示，根據車地通信系統的組成結構及設備的位置，可以將該系統構分成車載，軌旁及中央三部分，依據車地通信數據流向，樹立信息流通過哪些設備，形成了測量檢查流程圖，確定我們要系統檢查的設備及流程。

圖2 車地通信重要部件檢查處理的主要過程步驟進行梳理形成流程圖

2.2 分析階段

如圖3所示，通過IPO圖，確定了我們要研究設備的輸入輸出。通過故障樹來確定影響輸出的關鍵原因。如圖表1所示，再通過失效模式及效果分析FIMA圖，確定了引起車地通信故障關鍵因素的影響程度。通過系統全面的分析，得出了車底通信丟失重點主要是AP天線功率低、AP天線角度及位置，通信隧道超時，三層交換機網絡波動等重要因素。其中三層交換機網絡波動導致通信丟失的原因比較明確，可以直接修改三層交換機的協議，解決網絡波動的問題。而AP天線功率低、AP天線角度及位置、通信隧道超時需要進一步量化分析。

圖3 IPO圖識別輸入輸出變量

表1 車底通信丟失故障FIMA（失效模式及效果分析）圖

2.2.1 隧道建立超時分析

隧道建立超時指的是隧道建立超過一個小時，超過的時間越長，通信丟失的次數越多。如圖4所示，通過統計得出有部分隧道建立超時的情況，且普遍發生在每個列車上，而隧道超時導致丟通信達平均達25.38次，遠遠超過了日均1.8次，得出了隧道超時是重點影響因素。

圖4 發生隧道超時故障與平均丟通信次數對比圖

2.2.2 AP天線功率分析

經過數據統計分析，超過95%的通信丟失發生在高架區間，對高架的AP天線的功率進行統計，功率未達標的AP占總數達17.39%，而丟通信較多區段普遍存在AP功率低于標準的情況，而高架段和地下段的區別主要是設備運行環境不同，有75%的天線功率偏低的原因是天線密閉性工藝不良進水導致。

2.2.3 AP天線角度及位置分析

通過讀取列車掃描到的AP場強進行分析，發現存在特定位置場強突然下降現象，列車收到的AP場強因素在排除AP天線和列車的距離及AP天線本身的功率強弱因素后，AP天線和列車天線正對的面積是影響車地通信關鍵因素所在。如圖5右圖所示，在排查過程中發現AP角度有明顯偏離的現象。

圖5 AP天線角度正確安裝示意圖

對于通信丟失的集中的具體位置及列車掃描到的異常點再進行分析，結合現場檢查發現，如圖6所示，該問題區段有高架橋的遮擋影響，從而導致了丟失異常多。

圖6 AP天線安裝位置遮擋示意圖

通過量化分析階段我們得出了通信隧道建立超時、AP天線進水導致功率下降，AP天線角度及位置直接影響車地通信質量等四大主要原因。

3 車地通信丟失故障改善

3.1 通信隧道超時改善

通過修改軟件，若隧道超時未能自動建立導致丟包超過12s，則重新發起建立隧道命令，3s內完成重建，避免長時間隧道未建立導致的通信丟失發生。通過軟件升級測試結果顯示，因隧道超時導致的通信丟失從平均丟25.38次降為2次以內，下降幅度為92%。

3.2 AP天線功率改善

高架段軌旁無線AP天線、接口、功分器等密封性不佳，會導致天線功率下降，高架段已經進水的AP天線更換成已經完成封膠防水處理的AP，對未進水的AP天線進行封膠防水整治，避免可能的進水導致AP天線功率降低，從而改善了軌旁的場強覆蓋，提高列車掃到的場強質量。并同時針對列車，進行了OBRU故障的排查、線纜進行緊固，并編制設備檢查工藝。

3.3 AP天線角度及位置改善

在排查過程中發現AP角度有明顯偏離的現象，按照圖5左側AP角度安裝方式調整，緊固螺絲，避免惡劣天氣引起角度轉動并增加防松措施，列車掃到的AP場強有著明顯的提高。對于部分AP位置不佳問題，如圖6所示區段，可通過移動AP位置或增加AP進行改善，并制定天線檢查工藝指引。

4 車地通信丟失故障控制

車地通信丟失故障及設備質量改善后，可以通過以下措施對車地通信丟失故障進行控制。

（1）修訂完善管理規范，制定《DCS系統監控規范》《車地通信日常巡視規范》《高架段車地通信設備維護標準》《車載無線設備檢查工藝》《軌旁AP天線檢查整改工藝》等規范，實現標準化防錯。

（2）制作AP天線功率測量工裝，提升測試工作效率。

（3）通過自主開發車地通信智能分析系統，實現車地通信數據可視化，直觀的分析數據，可視化場強分析、設備狀態變化趨勢分析等智能檢測功能，有效提高現場檢查效率，識別更多的故障類型。實現對原始數據進行處理轉化，統計。對已明確的異常數據和故障模型，系統可以自動檢測出結果，并確定故障位置，給出維護建議。對車地通信設備進行精準維修。

（4）開發車地通信設備巡檢系統，快速識別庫內列車設備狀態，避免列車帶“病”上線。

結束語：本文運用精益六西格瑪工具，以廣州地鐵14號線為例對車地通信系統設備進行測量、分析、改善、控制4個階段科學全面分析車地通信故障的主要原因及質量影響因素，針對性的制定改善措施及故障控制措施，從而實現車地通信系統質量提升，降低故障率。并結合廣州地鐵CBTC系統信號車地通信質量改善的有效措施，總結提煉出出車地通信丟失故障控制措施，從而給信號維保人員科學開展車地通信系統質量改善提供參考及方向。