广州地铁CBTC系统信号车地通信故障改善研究

广州地铁集团有限公司 姚贯岳

在Seltrac®无线CBTC系统中，车地通信系统是该系统的核心关键设备，车地通信系统设备质量直接影响行车效率。本文通过运用精益六西格玛工具，以广州地铁14号线为例，开展车地通信故障改善研究。通过对车地通信系统故障进行测量、分析、改善、控制4个阶段科学全面分析车地通信故障的主要原因及质量影响因素，针对性的制定改善措施及故障控制措施，从而实现车地通信系统质量提升，降低故障率。

广州地铁目前十四号线号线采用的信号系统为Seltrac®无线CBTC系统（以下简称信号系统），车地通信是该系统的核心关键设备。若发生无线通信故障，则列车无法以CBTC模式运行，导致列车晚点，极大降低运营服务质量。线路无线AP设备数量上千个，且部分区间长、高架区间多，初期运营阶段存在车地通信丢失次数庞大、信号人员获取故障信息繁琐、无法精准定位故障点、设备维护困难等问题。因此，本文运用精益六西格玛工具，通过测量、分析、改善、控制4个阶段科学全面分析车地通信故障的主要原因，针对性的制定改善措施及故障控制措施，从而实现车地通信系统质量提升，降低故障率。

1 车地通信系统结构及原理

广州市轨道交通十四号线一期及知识城支线正线信号系统采用了Seltrac®无线CBTC系统，该系统由ATP、计算机联锁、ATO、ATS、DCS、维护监测等子系统组成。其中数据通信（DCS）子系统网络由有线网络及无线网络部分组成，该系统为所有列车控制子系统提供IEEE802.3（以太网）接口，负责在一个控制子系统和另一个雷车控制子系统之间发送和接受IP报文，其中大多数列车控制子系统是移动的。

有线网络采用单模光纤网络，由高速交换机和单模光纤构成，使用IEEE 802.3作为有线的通信标准，使用Hirschmann交换机和光纤进行站－站之间的数据传输；一段骨干网络构成了轨旁网络，该轨旁网络沿线路延伸。沿线车站设备室的ATC设备与轨旁网络的网络交换机连接。每个WRU包含一个无线接入点（AP）。

无线网络是由轨旁无线网络设备及车载无线网络设备构成，无线链路的一端是AP，而另外一端则在列车上，并连接到车载无线单元（OBRU），使用IEEE 802.11作为无线通信的标准。轨旁无线网络设计－主要由WRU（轨旁无线单元）、单模光纤沿线路分布并形成，仍然是基于IEEE 802.3以太网标准的有线通信网络。列车上的电台适配器SA和地面的轨旁无线单元AP截取适合的报文并通过已经建立的无线链接来传送数据。数据通信系统轨旁无线网络如图1所示。

图1 数据通信系统轨旁无线网络

2 车底通信丢失故障分析

车地通信故障呈现故障点多，故障常常无明显规律，偶发性强等特点，给查找故障带来了很多的困扰。因此，为了系统科学全面的梳理出故障原因，通过精益六西格玛工具快速找出引发故障的根本原因，并依据制定对应的改善方案。这个分析过程，可以分为测量和阶段两个阶段。

2.1 测量阶段

如图2所示，根据车地通信系统的组成结构及设备的位置，可以将该系统构分成车载，轨旁及中央三部分，依据车地通信数据流向，树立信息流通过哪些设备，形成了测量检查流程图，确定我们要系统检查的设备及流程。

图2 车地通信重要部件检查处理的主要过程步骤进行梳理形成流程图

2.2 分析阶段

如图3所示，通过IPO图，确定了我们要研究设备的输入输出。通过故障树来确定影响输出的关键原因。如图表1所示，再通过失效模式及效果分析FIMA图，确定了引起车地通信故障关键因素的影响程度。通过系统全面的分析，得出了车底通信丢失重点主要是AP天线功率低、AP天线角度及位置，通信隧道超时，三层交换机网络波动等重要因素。其中三层交换机网络波动导致通信丢失的原因比较明确，可以直接修改三层交换机的协议，解决网络波动的问题。而AP天线功率低、AP天线角度及位置、通信隧道超时需要进一步量化分析。

图3 IPO图识别输入输出变量

表1 车底通信丢失故障FIMA（失效模式及效果分析）图

2.2.1 隧道建立超时分析

隧道建立超时指的是隧道建立超过一个小时，超过的时间越长，通信丢失的次数越多。如图4所示，通过统计得出有部分隧道建立超时的情况，且普遍发生在每个列车上，而隧道超时导致丢通信达平均达25.38次，远远超过了日均1.8次，得出了隧道超时是重点影响因素。

图4 发生隧道超时故障与平均丢通信次数对比图

2.2.2 AP天线功率分析

经过数据统计分析，超过95%的通信丢失发生在高架区间，对高架的AP天线的功率进行统计，功率未达标的AP占总数达17.39%，而丢通信较多区段普遍存在AP功率低于标准的情况，而高架段和地下段的区别主要是设备运行环境不同，有75%的天线功率偏低的原因是天线密闭性工艺不良进水导致。

2.2.3 AP天线角度及位置分析

通过读取列车扫描到的AP场强进行分析，发现存在特定位置场强突然下降现象，列车收到的AP场强因素在排除AP天线和列车的距离及AP天线本身的功率强弱因素后，AP天线和列车天线正对的面积是影响车地通信关键因素所在。如图5右图所示，在排查过程中发现AP角度有明显偏离的现象。

图5 AP天线角度正确安装示意图

对于通信丢失的集中的具体位置及列车扫描到的异常点再进行分析，结合现场检查发现，如图6所示，该问题区段有高架桥的遮挡影响，从而导致了丢失异常多。

图6 AP天线安装位置遮挡示意图

通过量化分析阶段我们得出了通信隧道建立超时、AP天线进水导致功率下降，AP天线角度及位置直接影响车地通信质量等四大主要原因。

3 车地通信丢失故障改善

3.1 通信隧道超时改善

通过修改软件，若隧道超时未能自动建立导致丢包超过12s，则重新发起建立隧道命令，3s内完成重建，避免长时间隧道未建立导致的通信丢失发生。通过软件升级测试结果显示，因隧道超时导致的通信丢失从平均丢25.38次降为2次以内，下降幅度为92%。

3.2 AP天线功率改善

高架段轨旁无线AP天线、接口、功分器等密封性不佳，会导致天线功率下降，高架段已经进水的AP天线更换成已经完成封胶防水处理的AP，对未进水的AP天线进行封胶防水整治，避免可能的进水导致AP天线功率降低，从而改善了轨旁的场强覆盖，提高列车扫到的场强质量。并同时针对列车，进行了OBRU故障的排查、线缆进行紧固，并编制设备检查工艺。

3.3 AP天线角度及位置改善

在排查过程中发现AP角度有明显偏离的现象，按照图5左侧AP角度安装方式调整，紧固螺丝，避免恶劣天气引起角度转动并增加防松措施，列车扫到的AP场强有着明显的提高。对于部分AP位置不佳问题，如图6所示区段，可通过移动AP位置或增加AP进行改善，并制定天线检查工艺指引。

4 车地通信丢失故障控制

车地通信丢失故障及设备质量改善后，可以通过以下措施对车地通信丢失故障进行控制。

（1）修订完善管理规范，制定《DCS系统监控规范》《车地通信日常巡视规范》《高架段车地通信设备维护标准》《车载无线设备检查工艺》《轨旁AP天线检查整改工艺》等规范，实现标准化防错。

（2）制作AP天线功率测量工装，提升测试工作效率。

（3）通过自主开发车地通信智能分析系统，实现车地通信数据可视化，直观的分析数据，可视化场强分析、设备状态变化趋势分析等智能检测功能，有效提高现场检查效率，识别更多的故障类型。实现对原始数据进行处理转化，统计。对已明确的异常数据和故障模型，系统可以自动检测出结果，并确定故障位置，给出维护建议。对车地通信设备进行精准维修。

（4）开发车地通信设备巡检系统，快速识别库内列车设备状态，避免列车带“病”上线。

结束语：本文运用精益六西格玛工具，以广州地铁14号线为例对车地通信系统设备进行测量、分析、改善、控制4个阶段科学全面分析车地通信故障的主要原因及质量影响因素，针对性的制定改善措施及故障控制措施，从而实现车地通信系统质量提升，降低故障率。并结合广州地铁CBTC系统信号车地通信质量改善的有效措施，总结提炼出出车地通信丢失故障控制措施，从而给信号维保人员科学开展车地通信系统质量改善提供参考及方向。