CBTC系統(tǒng)車載設備常見故障原因分析及解決方案

張 燚

(成都地鐵運營有限公司，610058，成都 ∥ 高級工程師)

1 信號系統(tǒng)車載設備常見故障統(tǒng)計

成都地鐵1號線、2號線信號系統(tǒng)是眾合科技的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)，已投入使用約8～9年。該CBTC系統(tǒng)的車載設備主要由司機顯示屏(TOD)、ATP/ATO(列車自動保護/列車自動運行)機籠、查詢器主機(TI)、信標讀取天線、移動無線設備(MR)及天線、模擬加速度計、數(shù)字加速度計、速度傳感器、電源濾波板(BCB)、安全繼電器等組成。

從成都地鐵1號線、2號線近3年信號故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，車載設備故障約占信號系統(tǒng)故障總數(shù)的75%，占比最高。2017年1月至2019年6月成都地鐵1號線、2號線車載故障原因分類統(tǒng)計如圖1所示。由圖1可見，車地無線通信中斷、車地無線通信鏈路異常、丟失信標(讀取信標失敗)、加速度計自鎖是車載信號設備故障中最為常見的故障，因此，解決這四大難題是迫在眉睫的任務，做好這四大常見故障的深入分析和整改尤為重要。

圖1 2017年1月至2019年6月成都地鐵1號線、2號線車載故障原因分類統(tǒng)計圖

2 車地無線通信中斷原因分析及解決方案

車地雙向通信網(wǎng)絡是溝通車載數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡與軌旁數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡的渠道，實現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用IEEE 802.11 g的WLAN(無線局域網(wǎng))技術。發(fā)生車地無線通信雙網(wǎng)中斷超過3 s時，ZC(區(qū)域控制中心)發(fā)給該列車的移動授權會被回收，列車定位丟失，進而導致緊急制動(EB)，列車以非ATO模式運行；無線通信恢復后，可升級為ATO模式運行。

2.1 車地無線通信中斷原因分析

通過現(xiàn)場調查和分析發(fā)現(xiàn)，造成車地無線通信中斷的主要原因是無線干擾，其干擾形式主要是阻塞干擾和交調干擾。

1) 阻塞干擾：是由通信運營商的通信基站發(fā)射的高功率E頻段造成的阻塞干擾。通過測試分析發(fā)現(xiàn)，中國移動的2.3 GHz頻段4G(第4代移動通信技術)信號和2.5 GHz頻段5G(第5代移動通信技術)信號，對信號系統(tǒng)使用的2.4 GHz頻段均有顯著的影響，抬升了CBTC系統(tǒng)中車地無線通信2.4 GHz頻段的空口占用率，超過了空口占有率小于20%的要求。

2) 交調干擾：中國移動的2.3 GHz頻段4G信號和2.5 GHz頻段5G信號同時存在時，產(chǎn)生的交調信號對CBTC系統(tǒng)中車地無線通信2.4 GHz頻段的空口占用率影響較大，尤其是當運營商的無線通信基站安裝在區(qū)間的POI(多系統(tǒng)合路平臺)處時，空口占用率抬升約20%～30%。

2.2 無線干擾問題解決方案

根據(jù)多起案例分析和現(xiàn)場處理情況，目前主要是通過調整軌旁AP(無線接入點)速率、加裝濾波器、調整優(yōu)化AP位置和功率等方式解決無線干擾的問題。

1) 調整車地無線通信設備參數(shù)。通過將干擾區(qū)域軌旁AP速率由9.0 Mbit/s調至5.5 Mbit/s,將車載MR調整為9.0 Mbit/s和5.5 Mbit/s，提高抗干擾能力。表1為成都地鐵2號線某站車載MR與軌旁AP速率調整前后信噪比值對比表。由表1可見，調整后的信噪比(SNR)小于20 dB的次數(shù)明顯減少。

表1 成都地鐵2號線某站車載MR和軌旁AP速率調整前后SNR值對比表

2) 在車載MR和軌旁AP上加裝帶通濾波器，放大2.400～2.483 GHz間的信號，濾除其他頻段的信號，減少阻塞干擾，提高抗干擾能力。

3) 在通信運營商POI設備上加裝帶阻濾波器，同時協(xié)調運營商，適當降低鄰近地鐵線路基站的發(fā)射功率，以減小對車地無線通信的影響。

4) 在地鐵車站和列車客室內(nèi)引入公共服務Wi-Fi熱點，減少個人熱點源的干擾。

3 車地無線通信鏈路異常原因分析及解決方案

車地通信鏈路主要是ZC與車載CC(車載控制器)主機間數(shù)據(jù)通信鏈路，路徑為：車載CC主機→MR及MR天線→AP天線及饋線→AP及光電轉換器→接入和骨干交換機→光傳輸平臺→骨干交換機等→ZC。車地通信鏈路中的高發(fā)故障主要是車載CC主機與MR間、MR與AP間通信異常。當車地通信鏈路雙網(wǎng)中斷超過3 s時，ZC發(fā)給該列車的移動授權會被收回，同樣會導致列車EB，信號模式不可用。車地通信鏈路異常時恢復通信的概率非常小，故障后列車以非ATO模式運行，常常引起列車晚點，影響運營效率。

3.1 車地通信鏈路異常原因分析

判斷CC主機與MR間是否通信不良時，常常通過Frontam(數(shù)據(jù)存儲單元)工作站調閱ESE(車載交換板)、MR等是否有報警信息的方式來確認。通過TOD上顯示的異常圖標或報警提示，也可分析判斷CC主機與MR通信是否中斷。其中ESE板宕機是CC主機與MR通信異常的主要原因。

MR與AP間通信異常時，常常通過測試AP功率、丟包率、無線場強等方式，并會同車載日志綜合分析，確定MR與AP間通信是否異常。AP輸出功率低會直接降低車地通信質量，而無線場強覆蓋不均也會使MR關聯(lián)AP受影響。AP天線長期在室外工作，受環(huán)境、震動等影響，天線方向可能會出現(xiàn)偏移，天線腐蝕可能會導致性能降低，這些因素常常會降低車地通信質量。

零部件的老化會造成車載各板件、軌旁AP設備的電氣性能降低，從而導致車地通信質量降低。同時車載復雜電磁干擾、板件上灰塵等微小顆粒物也會加大板卡異常工作的概率。

3.2 車地通信鏈路異常問題解決方案

在處理車地通信鏈路故障中，主要通過優(yōu)化AP功率、調整AP位置或技改升級換代等方式解決。

1) 軌旁AP位置和功率優(yōu)化。根據(jù)設備現(xiàn)場場景，優(yōu)化調整地面AP點的位置。AP分布間距為200 m左右，彎道處分布間距約150 m，高架、共線路段、線路交叉坡道路段等環(huán)境，根據(jù)實際情況確定AP數(shù)量和間距。同時，調整AP功率達到無線場強全覆蓋。在地下“一洞雙線”區(qū)域，調整上下行AP功率，防止無線場強覆蓋不均導致的上下行互擾。

2) 定期重啟MR和AP。MR通過列車停運后斷電已達到重啟目標。定期重啟AP，防止出現(xiàn)“假死”狀態(tài)，提高AP可靠性。

3) 均衡分配AP注冊控制器數(shù)量。控制器中某些注冊AP數(shù)量較多，導致控制器CPU和內(nèi)存占有率均較高，影響設備穩(wěn)定性。

4) 當測試發(fā)現(xiàn)某一個或離散幾個AP通信質量降低時，調整AP八木天線方向和角度，可部分解決車地通信質量低的問題。當Frontam工作站出現(xiàn)ESE板卡報警時，重新刷寫板卡程序，可部分解決ESE板程序宕機的問題。

5) 車地通信功能和性能是城市軌道交通所面臨的挑戰(zhàn)，目前LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))技術已日趨成熟，如條件允許可將早期WLAN技術替代為LTE-M技術。

6) 制定車地無線通信相關設備的大中修規(guī)程，及時對關鍵零部件進行更換或換代。定期對CC機籠和AP箱內(nèi)進行除塵，同時做好屏蔽地線的測試和檢查，確保環(huán)境良好。

4 丟失信標原因分析及解決方案

信標是安裝在軌道沿線并反映線路絕對位置的物理標志。信標通過接收車載天線傳遞的載頻能量獲得電能使地面信標中的信號發(fā)生器工作，將存儲在信標中的數(shù)據(jù)報文發(fā)送至列車上。丟失信標(即讀取信標失敗)會導致列車定位丟失，導致列車EB，影響運營效率。

4.1 丟失信標原因分析

丟失信標主要原因為TI及信標讀取天線(TIA)輸出特性變化導致其無法正常讀取地面信標指示的絕對位置，當列車不確定度大于30 m時產(chǎn)生EB。根據(jù)車載讀標工作原理分析可知，輸出功率變化的原因主要涉及到TI、衰減器、同軸電纜和TIA硬件電氣和機械特性不良。

TI不良的主要原因是內(nèi)部電子設備老化且受車載電磁干擾，電氣特性發(fā)生變化，進而導致輸出載波功率頻率發(fā)生變化，TI發(fā)射功率會超過20～40 W標準。衰減器不良的主要原因是其內(nèi)部電容老化，輸出特性波動、輸出功率超標，進而導致地面信標天線接收到信號后，線圈產(chǎn)生的電壓不足以驅動信號發(fā)生器發(fā)送報文。TIA不良的主要原因是輸出阻抗不匹配導致輸出功率降低，同時TIA機械特性不良，如安裝高度不滿足(300±10) mm，天線中心線與車輛中心線誤差超過±5 mm、縱向發(fā)射夾角小于120°，橫向發(fā)射夾角小于90°，以及安裝工藝不達標等變化也會導致讀取距離不符合要求。對于同軸電纜，主要是其接頭工藝不符要求導致輸出特性變化，無法與地面信標正常通信。

4.2 丟失信標問題解決方案

由上述分析可見，有必要對TI及TIA輸出功率變化、輸出頻率變化和讀標距離這3個參數(shù)進行在線監(jiān)測，提前對設備工作狀態(tài)做出預判，達到降低故障的目的。當無法實施監(jiān)測時，可定期對其進行電氣特性和機械特性測試，并結合車載日志進行趨勢分析。根據(jù)趨勢分析結果，適當進行零部件更換或實施大中修，從而提高讀標性能。

5 加速度計自鎖原因分析及解決方案

加速度計為兩套，兩套互為冗余，每套由兩個不同類型的加速度計組成。CC在接收加速度信息時，需要通過這兩套設備交叉檢查測量來保證數(shù)據(jù)可靠性和系統(tǒng)安全性。當加速度測量無效時，CC能繼續(xù)測量列車的速度和列車的位移。在滑行情況下，不能以加速計測量的方式進行速度補償，因為這會嚴重影響CC對列車位置不確定度的計算，不確定度超過閾值時，列車定位丟失、發(fā)生EB。

5.1 加速度計自鎖原因分析

車載子系統(tǒng)選用模擬加速度計(AACC)和數(shù)字加速度計(SACC)兩種類型，兩種加速度計各自測量結果通過科學的融合算法整合為列車加速度。當加速度計模塊失效時，列車定位誤差無法修正；當定位誤差較大時，即出現(xiàn)列車定位丟失。加速度計測速值校驗模塊工作原理如圖2所示。

圖2 加速度計測速值校驗模塊工作原理圖

一套加速度計模塊由2個AACC和2個SACC組成，如圖3所示。根據(jù)加速度計容錯機制，任意一個加速度計故障不會導致整個加速度計模塊失效，而當2個加速度計同時故障時，可能會導致整個加速度計模塊失效。根據(jù)加速度計模塊內(nèi)部組合原理，當2個加速度計同時故障的組合方式不是AACC1和SACC2、AACC2和SACC1、AACC1和SACC1時會導致加速度計模塊失效。

圖3 加速度計模塊實物

5.2 加速度計自鎖問題解決建議

根據(jù)以上分析，提出3點解決加速度計自鎖問題的建議：一是建議取消加速度計模塊，選用其它更為可靠方式替代加速度計模塊的非線性功能；二是實現(xiàn)4個加速度計的在線監(jiān)測，以預防此類故障發(fā)生；三是優(yōu)化加速度計內(nèi)部組合及算法，提高加速度計的可靠性。