淺析既有線信號系統車地無線通信漏纜優化整治應用

彭章碩，謝列文，廖庭，楊晶，黃建超，肖敏，雷天龍，彭智湘

（1.長沙市軌道交通運營有限公司，湖南 長沙 410014；2.湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410129）

長沙2 號線一期采用了CBTC 信號系統，得益于高速大容量的雙向無線通信，信號系統可以實時精準地進行列車自動控制，達到安全、高效、靈活的目的。但在運行過程中，既有信號系統多次出現了無線通信丟失的故障，造成列車保護性緊急制動，影響了運營行車和服務質量。本文就該故障的相關排查分析以及解決方案作具體說明。

1 故障分析與排查

1.1 故障現象

當列車運行在區間發生無線通信丟失時，車載ATP采取保護性措施，實施緊急制動。通常無線故障會自行恢復，或者列車以點式出站在區間自行恢復無線通信。當列車在站臺發生無線通信丟失時，站臺作業完畢后無線故障會自行恢復，或者列車以點式出站在區間自行恢復無線通信。

1.2 原理分析

既有信號系統的無線通信部分與系統的BP 有關聯。每個BP 區會配置兩個獨立的無線信道，與轄區內的列車通信。兩個信道的無線模塊相間配置，間隔不大于300m。系統無線通信構架如圖1。

圖1 系統無線通信構架

1.3 問題分析排查

（1）統計分析。通過對發生的故障進行統計分析，初步歸納出該故障表現出來的一些特征。①大部分無線通信丟失能自動恢復，無須重啟設備，有時需列車行駛一段距離恢復；對故障列車和軌旁無線設備檢查無異常；②故障地點隨機，但某些區域明顯高于其他區域，尤其是幾個高發的站臺區域；③故障時間隨機，但早晚高峰時段故障高發；④故障列車隨機，但部分列車略高于平均故障率；⑤客流量較大的月份，故障率較高。

（2）應用層日志分析。通過對通信故障過程的BP與車載通信日志的分析，發現多為無線通信丟失超過規定時間，導致列車無法收到新的移動授權，車載ATP 采取保護措施進行緊急制動。

（3）無線通信日志分析。查看車載無線通信的日志，發現無線通信丟失時信號場強較弱（但在手冊規定工作范圍內）,車載系統會嘗試進行無線模塊的切換，這種切換有時候成功有時候不成功。結合列車的位置和無線場強數據發現，在某些站臺切換不成功的概率較大。

（4）原因的推斷和排查。通過前述分析，初步推斷認為，在某些地點場強較弱是導致無線通信不穩定的關鍵因素。進一步分析，發現很多次的故障如遵循圖2的過程。

圖2 列車與軌旁無線連接方式

在特定的位置，列車與地面的無線連接存在4 種可能。①列車頭端無線模塊連接列車頭端方向的軌旁無線模塊（簡稱頭頭連接）；②列車頭端無線模塊連接列車尾端方向的軌旁無線模塊（簡稱頭尾連接）；③列車尾端無線模塊連接列車頭端方向的軌旁無線模塊（簡稱尾頭連接）；④列車尾端無線模塊連接列車尾端方向的軌旁無線模塊（簡稱尾尾連接）。通過通信日志數據的深入分析發現，在四種連接方式中，頭頭連接和尾尾連接基本符合先前鏈路計算所預測的場強值，可以滿足300m以上的無線通信,但尾頭連接和頭尾連接兩者的信號超過80m 信號強度就很快衰減到臨界值附近，不再能穩定通信。此時，車載設備會嘗試進行切換，但有時切換后的連接仍然不成功，如從頭尾連接切換到尾頭連接。當車載設備進行來回切換的時間超過規定時間后，就會導致無線通信丟失。通過現場排查推斷，列車車頂天線與軌旁無線AP 之間的直線鏈路在車頂上方被其他設備阻擋，導致信號場強急劇下降。

（5）現場測試。基于以上推測，現場選取一個故障高發站臺進行對比測試。測試發現：①在無車體阻擋時，使用同樣的車載天線和無線模塊，測得軌旁特定AP信號場強較強，對應極端值尚有40dB 以上的余量，與理論計算的結果一致；②用電客車停在該站臺，模擬車體阻擋的情況下，列車無線模塊無法接收到該AP 的信號。通過該測試表明，車體阻擋因素確實是會造成無線通信信號場強低于預期。

1.4 問題原因總結

通過現場測量，結合日志分析以及原理分析，將問題產生的機理歸納為：（1）外部同頻干擾日趨強烈；（2）在某些情況下，通信鏈路因受到車頂設備阻擋影響，場強較弱；（3）不合理的冗余切換機制。

2 解決方案

由于外在干擾難以消除，而切換機制限制于設備內在特性，因此將解決方案的重點放在鏈路改善，主要采取漏纜整治方案。如圖3 所示，將特定站臺區域的無線通信介質由自由波天線改為漏纜。

圖3 站臺改漏纜方案示意圖

2.1 可行性分析

（1）漏纜傳輸可以接入系統。在本項目中，無線通信對于上層應用（BP 和車載ATP 之間的通信）是透明的，只要邏輯鏈路是通的，通信可以通過任何信道、軌旁無線AP 或通信介質（如無線天線或漏纜）進行。只要成功建立連接并維持連接或切換到可用的連接，即可滿足應用的無線通信需求。

（2）漏纜傳輸解決問題的工作機制。根據設備手冊，車載無線模塊的接收端信號大于-88dBm 即可保證傳輸。實際使用記錄表明，當信號大于-70dBm 時，故障概率較小；當信號小于-80dBm 時，極易導致通信故障；當信號在-70 ～-80dBm 時，有一定概率出現通信故障。漏纜傳輸理論上能確保區域內無線信號保持在均勻的可靠場強值，相較天線，具有明顯改進效果。現有軌旁無線模塊的設計原則是同信道AP 以500m 作為間隔。考慮到漏纜傳輸不受車體阻擋影響，即使在一個站臺附近只接入一個信道，仍然可以起到明顯的改進效果。當列車以A 信道進入站臺時，不存在車體阻擋的問題；如果列車以B 信道進入站臺，由于B 信道沒有接入漏纜，可能會出現車體阻擋，但只要車載無線通信切換控制器切換到A 信道，則可以避免切換不成功的問題。

2.2 干擾評估

在本項目中，無線系統的內部相容性的說明如下。

（1）在同一BP 區內，地面具備兩個互不重疊的信道。同信道的AP 之間和不同信道之間的AP 均不存在相互干擾的問題。同信道的AP 通過分時通信避免相互干擾，不論天線距離遠近；不同信道的AP 采用頻道隔離和窄帶通信技術，因此不存在相互干擾的可能。

（2）相鄰BP 區，采用的不同于本BP 區的另外的兩個互不重疊的信道，因此相鄰BP 區之間的AP 相互之間，也不存在被系統內其他AP 所干擾的問題。鑒于該無線解決方案的特點，此次施工的僅改變無線AP 的覆蓋特性，而不對信道等做出調整。在個別地方將之前的無線AP 自由波天線改為漏纜，經計算評估，將改善列車的接收的信號質量，尤其是規避由于車體阻擋導所誘發的無線通信故障的問題。

2.3 漏纜情況分析

設想漏纜在最極端的情況，信號切換場景的推演如下：如果列車進入該站間時，工作在無線AP 信道，雖然漏纜信道信號很強，但是不會發生切換。此時，如果列車在無線AP 信道工作遇到困難，比如，通信丟失發生切換，由于漏纜信道信號很強，可以確保車載切換成功。當列車進入站間時，如果列車正在使用漏纜信道，并且該信道的信號最強，則車載無線設備可以持續使用該信道。在這種情況下，其他AP 可能不會負責發送數據，但整個簇仍能正常工作，始終通過信號最強的軌旁AP 與列車進行通信。從理論分析來看，漏纜能滿足無線通信系統的要求。

2.4 現場安裝

（1）現場說明。通過現場勘測，為確保整治效果，采取7/8 同軸電纜與AP 箱的連接處，7/8 同軸電纜與13/8 同軸電纜連接處，7/8 同軸電纜與新敷設的漏纜連接，均采用連接器進行連接，并在漏纜末端加負載。漏纜整改連接示意圖如圖4。

圖4 漏纜整改連接示意圖

（2）分析說明。①漏纜接入點選取。經分析和試驗，考慮從既有AP 到漏纜起點敷設的同軸電纜衰耗等情況，選取就近設備作為介入點。②漏纜終端選取。據目前評估，現有漏纜覆蓋有效范圍不小于之前AP1903 的覆蓋范圍，且覆蓋距離需完全覆蓋站臺范圍，不會受到車體阻擋的影響。

2.5 設備安裝

（1）矩形隧道安裝如圖5 所示。

圖5 設備安裝位置示意圖

（2）鉆孔和卡具安裝。使用φ8mm 鉆頭在墻體上垂直鉆孔，孔深建議為53mm，孔眼要求平直，不得成喇叭狀，孔距建議為1m，裝入膨脹螺栓，使用扳手緊固螺母。按順序安裝螺桿或固定座、卡具，隧道內卡具安裝要牢固，注意卡具開口的方向，防火卡具間距應符合設計要求（每9 個普通卡具安裝一個防火卡具）。

2.6 線纜布設

根據原有施工藍圖，現場先將新漏纜卡具安裝完成后，再進行漏纜的上架固定，漏纜敷設離地面約3950mm，待漏纜敷設安裝完成后，再敷設13/8 同軸電纜，13/8 同軸電纜布設在原有的光纜安裝支架上（從上往下第1 層），嚴禁彎曲和盤圈。同軸電纜用固定線夾固定在隧道壁上，最小彎曲半徑為130mm，同軸電纜與無線設備箱連接處進行防水處理，在連接器裸露部分采用熱縮套管和電氣防水膠帶進行纏繞包裹防護。

漏纜的彎曲半徑不得小于100mm，盡可能不與其他線纜交叉，如無法避免時，應將漏纜敷設在外側，避免其他線纜阻擋漏纜的信號覆蓋。

3 設備檢查及驗證

3.1 設備安裝檢查

設備安裝完成后，對所安裝的設備和既有設備進行檢查，確保設備安裝正確。

3.2 靜態調試

斷開既有AP 箱體到無線天線的同軸電纜，將新的7/8 電纜接入AP1903 上，上電后在無線、有線網管上檢查AP 設備是否顯示正常，在地面模擬車地通信，看設備場強是否符合要求(距離AP1903 的310m 位置，無線模塊接收到的場強宜≥-70db)，如有異常，則將原有同軸電纜恢復。

3.3 動態調試

靜態調試完成后，進行動態調試。在列車查看車載與地面漏纜連接后，場強值是否穩定、AP 是否能正常接入、信道是否可正常切換，以及驗證列車運行安全功能。如測試異常，則恢復原有天線；如達到測試目的，可按新設備啟用的標準程序投入使用。

3.4 應用效果評估

上述漏纜優化整治方案目前已在長沙2 號線正式啟用3 個站點，啟用后均可以達到預期效果，極大地減少了試點區域故障發生的概率。某站下行通信丟失故障整改前后對比圖如圖6。

圖6 某站下行通信丟失故障整改前后對比圖

4 結語

通過問題排查和解決方案應用測試，本研究明確了造成通信問題的原因是在進行鏈路規劃時未充分考慮車體等阻擋因素，同時切換機制不合理，在干擾環境下，導致無線信號不穩定。通過漏纜優化改進無線覆蓋，可以有效地提高通信質量，確保系統穩定運行。