浅谈通信导致的信号故障分析

摘 要：为实现地铁的CBTC运营模式，信号设备厂家通过采用通信设备与信号设备结合的方式构建了无缝的车-地传输环境，本文将简要分析通信系统及各种通信设备故障导致的信号故障现象，为信号维保人员提供参考。

关键词：城市轨道交通；信号系统；信号故障；DCS；车地通信

Abstract：In order to realize CBTC mode of metro， Signalling equipment manufacturers construct seamless train-ground communication environment via using signaling devices combine with commucation devices， this article briefs probe on commication system and signal-failure phenomenon caused by communication devices failure， which provides reference to signal workers.communicating procedures in signal system.

Key Words：Urban rail transit；signal system；signal-failure；DCS；train-ground communication

信号系统通常有以下子系统：联锁子系统、ATC子系统（ATO/ATP）、ATS子系统、数据通信网络子系统（DCS）等，但信号维保人员对数据通信子系统了解较弱，本文简要介绍现阶段信号系统中所用到的通信设备及其故障情况下的现象。

1 信号系统概述

1.1 系统结构

通常ATS子系统、联锁子系统和ATP子系统间的信息交互均在一套主干网络上完成。常见的方式是由信号系统独立组建主干网络，将信号系统的安全信息与非安全信息集中传输、交换、处理，其系统网络构建在满足国际标准通用型网络协议的基础上增加专用保护机制，确保信息传输的高安全性、可靠性、及时性。

为方便描述及后文需要，本文根据设备属性将信号系统分为四部分：

DCS网络设备（I）、室内信号设备（II）、室外信号设备（III）和车载信号设备（IV），其中“轨行区无线天线-车载无线天线”和“LEU信标-信标天线”为无线链路，如图1所示：

1.2 DCS网络设备（I）

主要包括：节点机、电交换机、光交换机、轨行区无线天线、车载无线天线、车载交换机。节点机将本联锁区范围内的各类数据传输至其他节点机，实现了总出口和总入口的功能，具有数据吞吐量大的特点。

除此之外，节点机要识别、拆解、分发数据帧中本区域的所需数据包，节点机还要将不同目的地的同类数据分别聚合、封装入数据帧，再送入传输通道。节点机根据技术不同分为：OTN节点机、SDH节点机、工业以太网节点机等。通常将节点机组成环网，如图2所示：

电交换机使得各信号设备互联互通，同时作为桥梁连接节点机和各信号设备。光交换机将电信号转化为光信号传送至轨行区无线天线，同时，轨行区无线天线的光电转化器完成了光电转化再通过调制将载波信号发送出去，这为数据的无缝环境提供了前提，也为CBTC的功能实现提供了基础。

车载无线天线接受并解调载波信号，通过车载交换机将数据转发。轨行区无线天线和车载无线天线间的数据收发实现了无缝的车-地通信。

1.3 室内信号设备（II）

主要包括集中站（联锁站）的室内设备：联锁计算机、ATP计算机、ATS服务器，计轴计算机等关键信号设备。本层设备是实现信号功能的核心，各信号集中站可独立实现本辖区包括联锁、点式和CBTC的信号全功能（分布式ATP控制），此处不做过多描述。

1.4 室外信号设备（III）

主要包括：转辙机、计轴磁头、信号机、信标（应答器）等设备，均分布在轨行区。该部分设备属于输入输出类型，是信号系统的终端设备。转辙机、计轴磁头和信号机实现联锁功能，保障底层安全；信标（应答器）实现列车定位及点式下的进路预告，此处不做过多描述。

1.5 车载设备（IV）

主要包括：车载控制器（ATP/ATO）、人机界面、编码里程计、信标（应答器）天线、无线天线及其收发设备、网络通信设备等。车载控制器实现列车信号的核心功能，在保证以安全为底线的ATP功能时，通过ATO功能实现列车的最高效率运行；测速器、信标（应答器）天线位于车底，用于实时收取车轮数据和轨道应答器数据，实现列车的速度监测及位置检测；人机界面即信号显示屏，显示速度、前方进路、车门、驾驶模式等诸多信息；无线天线及其收发设备实现了车地双向通信，网络通信设备将车载各个设备连接在一起，同时实现列车双端冗余。

2 DCS故障导致的信号故障

本章节内容将模拟DCS设备故障后导致的信号故障现象，将根据介质属性分别对有线部分（网线/光纤）和无线部分进行模拟。

2.1 DCS设备

有线设备主要有节点机、电交换机、光交换机、轨行区无线天线、车载无线天线和车载交换机。线路按介质区分，有双绞线（网线）和光纤。

网线将提供少于100米、最大1000Mbps的带宽，主要连接节点机、电交换机、信号室内设备等；光纤将提供至少300米、至少Gb级别带宽，主要用于节点机与节点机、室内信号设备与区间设备等距离远或带宽大的连接。DCS有线设备和无线设备分别如图3、图4所示：

2.2 节点机间光纤断裂

地铁信号系统的骨干网一般由若干节点机成环相连。此处定义节点机A至F依次相连形成环网，定义节点机A-B相连和光纤为①、节点机A-F相连的光纤为②，见图5：

若光纤①出现断裂，环形组网方式将通过内置的自愈机制保证B-C-D-E-F-A节点机的互联互通；若光纤①②均出现断裂，将触发自愈机制：B-C-D-E-F节点机通信无障碍，但节点机A脱离环形网络，其承载的服务已脱离骨干网络，即节点机下的联锁机和ATP计算机服务已离线，造成OCC部分灰显及列车无法投入CBTC模式。

2.3 节点机故障

通常节点机有冗余双通道设计，若为单通道故障，将不会导致信号系统故障；若节点机双通道均故障，造成的结果与 “2.2”中光纤①②均出现断裂的情况一致。

2.4 电交换机故障

通常电交换机为双机冗余设计，单机故障一般不会造成信号系统故障，但需要注意其他子系统或系统程序是否有默认交换机设置，这样的设置可能会导致冗余失效；若交换机双机故障，其相连的计轴计算机、ATP计算机、联锁计算机、ATS服务器等将不能互联互通，交换机所承载的业务也不能上传到节点机，即将传给给列车的移动授权信息也不能传递给光交换机，列车因无法接入ATP服务器而触发紧制，将无法投入CBTC模式。

2.5 光交换机故障

光交换机指在电交换机端口处增加光模块，实线信号在光纤中的传输。通常光交换机为双机冗余设计，对应车-地的冗余无线网络，单机故障将不会造成信号故障；若光交换机双机故障，将直接造成与电交换机和轨行区无线天线的数据互通中断，列车因无法接入ATP服务器而触发紧制，将无法投入CBTC模式。

2.6 轨行区无线天线故障

轨行区无线天线由天线、光电转换器、调制解调器构成。通常为双网冗余设计，若单网故障一般不导致信号故障，但需注意双网的信号覆盖强度不一定相同，若较差覆盖率的信号被使用将增加网络超时中断的风险，将导致列车紧制并无法投入CBTC模式；若不考虑其他天线的信号覆盖，双网故障将导致列车紧制，车-地通信彻底中断，列车因无法接入ATP服务器而触发紧制，并无法投入CBTC模式，点式模式下的车门联动屏蔽门功能也将失效驶出该天线覆盖区域将恢复正常。

2.7 车载无线天线故障

为实现与轨旁天线的互联互通，车载无线天线与轨旁天线构成类似。通常为双网冗余设计，若单网出现故障一般不导致信号故障；若双网出现故障，车-地通信彻底中断，列车因无法接入ATP服务器而触发紧制，并无法投入CBTC模式，点式模式下的车门联动屏蔽门功能也将失效。

2.8 车载交换机故障

车载交换机通常为冗余设计，对应车载天线。若单机故障，不会造成信号故障；若双机故障，车载交换机相连的车载控制器、信标天线、编码里程计和人机界面不能互联互通，所承载的业务将直接中断，造成车载控制器收不到附属设备的所有信息，列车触发紧制，本情况下列车只能切除ATP方可动车。

2.9 无线链路传输故障

车-地无线通信通常工作在2.4Ghz频段（IEEE 802.11），我国有13个从2.412Ghz-2.472Ghz的信道。信号系统与行车相关，通常采用两端的信道以实现双网冗余，例如2和13。实现802.11传输协议的有裂缝波导管、漏缆、无线定向天线等，其中波导管最稳定但造价也最高。在隧道环境中，除其他系统外一般不会有2.4G无线设备；若在高架开放区域时，则很有可能受到附近的Wi-Fi信号干扰。当无线信号强度太弱时，超过5秒仍通信中断，车载控制器触发列车紧制。可通过测算无线信号覆盖强度的方式提前知晓并调整。2.4Ghz为开放频段，故多种民用无线设备处于此频段，例如便携3G/4G路由器。若该类设备开启较多，则会增加车-地通信的丢包率，增加列车因通信中断而紧制的风险。此类情况无法避免，只能通过正确引导乘客的上网习惯得以缓解，也能通过信号厂家修改无线工作频段的方式大幅改善。

3 结语

基于CBTC的信号系统通常会采用通信设备与信号设备的结合来实现无缝的数据传输。本文介绍了信号系统的通信设备，并通过通信设备的故障来分析信号故障，旨在清晰展示通信设备的冗余性和可靠性，并给信号维保人员提供通信方向分析故障的思路。

参考文献：

[1] 何霖.广州地铁运营事业总部技术论文集[C].广州：广州地铁运营事业总部技术部，2003.

[2] 郑州2号线信号系统设计联络文件及技术规格书.

[3] 大连地铁2号线一期工程信号系统设计联络文件及技术规格书.

[4] 青岛地铁3号线信号系统设计联络文件及技术规格书.

[5] 广州地铁6号线信号系统设计联络文件及技术规格书.