基于浦江线信号车地通信故障分析及抗干扰研究

曹锦磊

摘 要 针对轨道交通浦江线信号车地通信故障发生频次较高问题，通过使用车地通信监测终端、频谱仪等技术手段进行分析，推测了站台、区间、列车之间均会导致AP无线设备同频干扰问题的发生的可能性。本文主要针对浦江线运营期间发生瞬间车地通信故障的分析，提出了浦江线信号车地通信受扰故障问题解决方案。

关键词 信号车地通信故障;故障分析;同频干扰;滤波器;抗干扰研究

上海轨道交通浦江线是目前国内唯一的APM300无人驾驶线路，采用基于无线通信的CITYFLO650移动闭塞信号系统，信号车地通信系统采用非接触式的双向通信系统。

浦江线列车采用的是INOVIA APM 300车型，无司机室。浦江线正线车站无车控室，正线未配备信号值守人员。与其他CBTC线路相比，浦江线未配置计轴、轨道电路等降级后备信号设备，列车在UTO运行模式下一旦发生信号车地通信故障，将直接影响浦江线列车的正常运行。乘客的舒适度、规律的发车间隔，列车停靠站的精确度都将无法保障，同时带来的潜在运营安全隐患不容忽视，例如由于发生信号车地通信故障，列车迫停区间后，车厢内发生火灾场景，因此信号车地通信系统的稳定性尤其重要[1]。

1浦江线信号车地通信系统概述

浦江线信号车地通信系统由轨旁车地通信设备（LOS天线、WNRA单元等）、车载车地通信设备（VATC、车载数据电台MDR、车载外置天线等）组成[2]。负责轨旁ATC和车载ATC的数据通信。 如图1所示正线轨旁线路中，同一位置6米间布置两个AP，AP由WNRA单元和LOS天线构成，每组AP之间间隔420至600米，同一位置同时有A和B两组无线网络覆盖，实现冗余。浦江线列车四节贯通，其中两个头均具备VATC设备，称为1位端和4位端，VATC设备互为冗余，每个VATC使用了2个车载视距天线，这些天线是指向性的视距天线。车载车地通信设备由移动数据电台MDR和车载天线构成，车载数据电台MDR采用2.4GHZ的扩频CDMA调制，运行电压直流24V，MDR和车载VATC之间采用以太网方式通讯，其中MDR至车载外置天线之间、轨旁WNRA单元至轨旁LOS天线之间均采用同轴电缆连接。车载车地通信天线分为了两个通道，分别是1A通道和2A通道，1A通道的同轴电缆长度为7米，安装在此节列车的头部，方向指向列车行驶方向，2A通道的同轴电缆长度为5米，安装在此节列车的尾部，方向指向车体，即列车行驶的反向。每个天线端口使用一个DC模块，无线设备通过天线连接，连接到车辆底盘接地。

2浦江线信号车地通信系统功能

在浦江线信号车地通信系统中，信号的数据载体是（以太网）或射频（2.4 GHz扩频RF），列车控制数据通过轨旁RATC设备站中的TWC网络的以太网交换机进行传递。然后交换机将数据通过DCS网络经过转换发送到位于轨旁的无线数据天线，接着由轨旁单元（WNRA）将数据通过轨旁LOS天线以无线的形式通过车载车地通信系统传递给列车，其中的数据并不是以传统IEEE 802.11的规范进行传输，而是采用2.4GHz频率的专用网络。

浦江线信号车地通信系统传输首先通过轨旁RATP对数据进行处理，将数据包发送到轨旁移动无线单元，以无线电的形式进行传输;同时将无线传送回来的数据进行解码，并发送给轨旁RATC提供列车行驶的状态信息。信号车地通信系统的2.4GHZ带宽分为6个频率，频道间隔最小为5MHZ，以确保相邻两个无线区域频率不同。

3浦江线信号车地通信故障分析

3.1 浦江线信号车地通信故障情况

自上海轨道交通浦江线试运营以来，信号车地通信故障频发，已经影响到列车的正常行车业务。如图3所示，2019年信号车地通信故障全年达到27起，同比2018年上升9起，2019年由于信号车地通信故障导致5分钟晚点事件1起，虽然浦江线信号车地通信故障至今未对运营造成严重影响，但是基于浦江线无人驾驶无人值守的特点，车地通信质量状态不佳仍可能会对运营安全埋下了较大隐患。

3.2 信号车地通信报警原理

信号车地通信故障报警产生于车载VATC丢失了与区域ATC的通信超过了通信周期。信号车地通信故障报警将会在与区域ATC恢复通信之后消失。如果RATP收不到VATP位置更新信息，RATP将认为列车通信故障，并会向VATP发送常用制动命令。RATP将保持列车首部和尾部的SVO（虚拟占用）以保护列车。RATP同时将保持通信故障列车SVO上的进路锁闭。如果VATP收不到RATP的信息，VATP向VATO请求常用制动。如果VATO不能常用制动，则VATP将施加紧急制动。用来控制VATP与RATP通信超时的参数默认为3秒。VATP将请求常用制动，并通过距离保护模式阻止列车的任何移动，直到与RATP的通信恢复，并且收到有效的移动授权。

3.3 浦江线信号车地通信故障分析研究

通过梳理了2018、2019年度的信号车地通信故障，为了验证轨旁和车载设备之间的通信联络是否提供了一定程度的成功信息交换， 以支持列车自动运行。以及验证TWC通信系统的功能和配置是否正常，对浦江线信号车地通信系统进行了专项测试。测试内容包含利用信号车地通信监测系统，检查浦江线信号TWC的信号强度是否满足列车行驶条件，发现丢包率在5%以下，满足列车行驶条件。对全线11列车22个VATC的列车信号无线通信配置与功能进行检查，TWC通信配置与功能正常。因为故障的客观存在，且经过数据筛选分析，发现信号车地通信故障普遍发生在运营期间，尤其是早晚高峰和列车进站以及出站时，所以在排除了设备本身原因后，我们分析认为可能是信号车地通信受到同频或者环境因素的干扰，导致了这些车地通信故障的发生。

4浦江线车地通信受扰问题解决方案

4.1 安裝无源带通滤波器

浦江線为室外高架线路，轨道沿线的运营商基站、个人无线电台、站台门天线、线路上同时运行的列车、换乘站的信号设备，都有可能导致AP无线设备“饱和”问题。“饱和”是指接收机在接收有用信号时，受到接收频率两旁、高频回路带内一个强信号的干扰，导致接收机推向饱和而阻碍通信。

在车载环境中，我们为了更好地接收信号避免杂波的干扰，我们尝试采用滤波器的形式，减少环境因素的影响。但是因为安装条件的限制我们考虑采取无源滤波的产品进行安装，一是满足滤波功能的需要，二是可以尽可能小的改变车内环境，避免对车内其他系统的设备造成影响。在综合考虑之后，我们采取在列车VATC内串联安装2.4GHz无源带通滤波器的方案来避免以上因素对车地通信的影响。根据1列车的试装测试数据显示，安装滤波器后两头DTF回波损耗明显提升，通过安装2.4GHz带通滤波器，可以有效保护CBTC的2.4GHz频段，并对2.4GHz频段以外的无线信号做到完全隔离，避免非2.4GHz的无线信号进入CBTC系统。目前浦江线通过初步测试确认滤波器方案能有效解决现有外部信号干扰因素对AP的饱和影响。

4.2 改善地面信号发射强度设想

在理想的环境中车地通信系统提供的信号最远可以支持300米的传输，但是我们知道往往实际使用时会遇到其他种种问题导致信号的衰减，在解决了接收端的问题之后我们考虑给信号的发送端增加放大器，在硬件环境没有太大变化的情况下增加设备功率可以大大增强信号覆盖范围内的可识别度，减少丢包及错误的发生。

在射频放大器的选型上我们应该保证尽量低的噪声系数以及在信号不饱和的情况下尽量高的增益，以免产生非线性的失真。

5结束语

综上所述，我们对浦江线信号车地通信故障进行了分析和研究，提出了导致浦江线信号车地通信故障几种可能，并结合TWC运作机制提出了一些设想，主要从实践安装无源带通滤波器，以及改善地面信号发射强度的角度设想考虑。安装无源带通滤波器目前已经通过初步安装与功能测试，发现能在一定程度上有效抑制同频干扰信号，后续正在考虑布置安装位置以及滤波器选型，将针对全线11列车进行安装测试后进一步评估效果。同时，造成信号干扰、衰减的因素是多方面的，后续加强地面信号发射强度及排除外部因素的干扰也是改善车地通信质量的研究的方向。本文通过对于浦江线信号车地通信系统故障及抗干扰的研究，为后续的轨道交通项目提供了理论以及初步实践参考，建议后续项目在设计阶段把同频信号干扰考虑进去，提前安装信号车地通信抗干扰设备，有效降低由于信号车地通信系统瞬间受扰导致无人驾驶列车发生信号车地通信故障的概率。

参考文献

[1] 李瑞芳，唐寿成.浅谈轨道交通车-地通信技术[J].铁道通信信号，2009，45（5）：56-58.

[2] 徐万里，庞巴迪CITYFLO650 CBTC信号系统车-地通信可靠性之特点分析[J].通信世界，2016（5）：282.