袁叢振++陳文杰++李欣磊++鄧俊臣++許歡++夏明加

摘要：隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化的發(fā)展，越來(lái)越多的地鐵線路采用AP設(shè)備作為地鐵設(shè)備控制的通信信道。目前上海和北京的很多地鐵都投入使用了AP設(shè)備。例如，目前上海地鐵很多延伸線用AP作為屏蔽門聯(lián)動(dòng)無(wú)線通道。然而目前的AP設(shè)備只能做到事后報(bào)警，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)防性報(bào)警。而且還有AP設(shè)備老化，導(dǎo)致故障率提高，造成行車安全隱患。就自我而言，地鐵無(wú)線AP信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的研究刻不容緩。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化；自動(dòng)化；AP設(shè)備；安全隱患

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）10-0054-02

一、引言

根據(jù)目前AP設(shè)備只能做到事后報(bào)警以及AP設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，上海地鐵AP所使用的802.11g無(wú)線通信技術(shù)，針對(duì)信號(hào)頻段為開放頻段，信號(hào)可以自由接收的特點(diǎn)，地鐵無(wú)線AP信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)可以采集車/站AP設(shè)備的信號(hào)，通過研究信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)、干擾狀況、誤碼率以及其他影響通信的情況，檢測(cè)AP信道信息、MAC信息以及IP信息，判斷可能發(fā)生故障的AP設(shè)備，給出預(yù)警和報(bào)警。首先，此監(jiān)測(cè)能對(duì)AP設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行（實(shí)時(shí)）監(jiān)測(cè)和檢測(cè)；其次，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效設(shè)備，給出預(yù)警和告警；它還能采集車＼站AP設(shè)備的信號(hào)；得出AP信號(hào)質(zhì)量狀況；獲得無(wú)線信號(hào)質(zhì)量參數(shù)；實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的量化檢測(cè)。

二、目前上海地鐵信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)

目前上海地鐵信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)主要由上海城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)控制。上海城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通常由列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，簡(jiǎn)稱ATC）組成，ATC系統(tǒng)包括三個(gè)子系統(tǒng)：列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)（ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）三個(gè)子系統(tǒng)通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面控制與車上控制結(jié)合、現(xiàn)地控制與中央控制結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)以安全設(shè)備為基礎(chǔ)，集行車指揮、運(yùn)行調(diào)整以及列車駕駛自動(dòng)化等功能為一體的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。目前我國(guó)的城市軌道交通移動(dòng)閉塞ATC系統(tǒng)的研究和應(yīng)用存在的差距主要表現(xiàn)在對(duì)ATC系統(tǒng)中的數(shù)字軌道電路、車一地信息、傳輸和列車自動(dòng)駕駛等關(guān)鍵技術(shù)尚不能全面掌握，國(guó)產(chǎn)化水平很低。在自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)ATP中，國(guó)內(nèi)外設(shè)備的主要差距在于列車的速度監(jiān)督上，而速度監(jiān)督的最主要設(shè)備是數(shù)字軌道電路，包括其地面發(fā)送設(shè)備和車上的接收設(shè)備。因此，目前上海地鐵的信號(hào)系統(tǒng)還不夠完善，地鐵無(wú)線AP信號(hào)的檢測(cè)仍然不可忽視。

三、目前上海地鐵信號(hào)干擾情況

1.用WirelessMon軟件測(cè)試的優(yōu)勢(shì)。本文前面已經(jīng)闡述了上海地鐵AP所使用的802.11無(wú)線通信技術(shù)，針對(duì)信號(hào)頻段為開放頻段，信號(hào)可以自由接收的特點(diǎn)。利用此特點(diǎn)便可以直接用WirelessMon軟件進(jìn)行測(cè)試。

2.數(shù)據(jù)分析。本次采集數(shù)據(jù)共搜索到2100個(gè)（次）無(wú)線信號(hào)，其中信號(hào)系統(tǒng)軌旁的AP和車載的MR（移動(dòng)電臺(tái)）使用的固定頻道1。所有樣本環(huán)境中頻道6最擁擠占到總數(shù)量33%，其次是頻道11占到總數(shù)量的29%，信號(hào)使用頻道1使用比例24%。頻道5和頻道7沒有使用。見圖。

3.結(jié)果分析。從數(shù)據(jù)分析中，可以看出目前地鐵信號(hào)由于種種原因?qū)е乱徊糠中盘?hào)干擾。眾所周知，信號(hào)的干擾有可能導(dǎo)致列車運(yùn)行失誤。而且導(dǎo)致信號(hào)干擾的原因具有多面性和不確定性，建筑物的建設(shè)結(jié)構(gòu)，手機(jī)信號(hào)的干擾，地鐵隧道的局限性，甚至天氣變化都有可能干擾信號(hào)。因此，地鐵無(wú)線AP信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)的研發(fā)至關(guān)重要。

四、上海地鐵信號(hào)誤碼率

誤碼率，是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)*100%。如果有誤碼就有誤碼率。另外，也有將誤碼率定義為用來(lái)衡量誤碼出現(xiàn)的頻率。IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)為1000Base-T網(wǎng)絡(luò)制定的可接受的最高限度誤碼率為10-10。這個(gè)誤碼率標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)脈沖振幅調(diào)制（PAM-5）編碼而設(shè)定的，也就是千兆以太網(wǎng)的編碼方式。用誤碼器直接測(cè)量上海地鐵的誤碼率，測(cè)量結(jié)果見下頁(yè)圖。

從圖中看出，上海地鐵信號(hào)誤碼率很低，定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性很高，但這種很低的誤碼率也有可能導(dǎo)致列車運(yùn)行失誤。例如2011年7月28日，上海地鐵10號(hào)線發(fā)生“開錯(cuò)方向”事件，本應(yīng)開往航中路方向的上海地鐵10號(hào)線列車，卻反常地朝著虹橋火車站方向開出。此事故便是因?yàn)榈罔F信號(hào)導(dǎo)致的。因此，地鐵信號(hào)誤碼率雖然很低，但仍然是導(dǎo)致事故發(fā)生不可忽視的一部分。

五、地鐵無(wú)線AP設(shè)備通信過程

通過運(yùn)用commonview軟件，我們檢測(cè)并總結(jié)為：在無(wú)車情況下，站內(nèi)的四個(gè)AP會(huì)先按一定的順序依次發(fā)送廣播的BEACON（信標(biāo)幀）和PROBE REQ（探測(cè)請(qǐng)求幀）。當(dāng)一個(gè)AP收到來(lái)自其他AP的探測(cè)請(qǐng)求幀之后，它會(huì)給發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求幀的AP發(fā)一個(gè)PROBE RESP（探測(cè)應(yīng)答幀），如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)有列車出現(xiàn)時(shí)，該循環(huán)的次數(shù)就會(huì)減少，因?yàn)檫@時(shí)列車也會(huì)相應(yīng)地發(fā)送和接收BEACON（信標(biāo)幀）和PROBE REQ（探測(cè)請(qǐng)求幀）。通過運(yùn)用commonview軟件，我們檢測(cè)并總結(jié)為：在列車運(yùn)行情況下，列車未進(jìn)站時(shí)每隔一定時(shí)間發(fā)送BEACON（信標(biāo)）幀，每隔一定時(shí)間發(fā)送一次PROBE REQ（探測(cè)請(qǐng)求）幀。即將進(jìn)站時(shí)，列車會(huì)收到來(lái)自車站四個(gè)AP的BEACON幀，之后會(huì)向通信條件較好的AP（一般是離自己最近的）發(fā)送PROBE REQ（探測(cè)請(qǐng)求）幀，接著會(huì)收到PROBE RESP（探測(cè)應(yīng)答幀），最后列車會(huì)給發(fā)探測(cè)應(yīng)答幀的AP發(fā)送確認(rèn)幀。多次抓到的數(shù)據(jù)中都存在這種反復(fù)地請(qǐng)求、應(yīng)答和確認(rèn)的規(guī)律。停靠站臺(tái)時(shí)，列車會(huì)向軌旁AP發(fā)送攜帶列車信息的DATA（數(shù)據(jù)）幀，包括編組、?？?、PSD打開和關(guān)閉的信息，軌旁AP也會(huì)給車發(fā)送攜帶屏蔽門打開和關(guān)閉狀態(tài)的數(shù)據(jù)幀。列車啟動(dòng)離站時(shí)，在停站期間除了有數(shù)據(jù)幀信息的傳送，列車和軌旁AP仍然會(huì)發(fā)出BEACON幀、PROBE REQ.幀、PROBE RESP.幀和ACK確認(rèn)幀。endprint

六、地鐵無(wú)線AP檢測(cè)規(guī)律

1.車尾不發(fā)送數(shù)據(jù)幀。車尾一般只作為信號(hào)的接收端，車頭既作為信號(hào)的發(fā)送端，也作為信號(hào)的接收端，正常情況下，列車是由站內(nèi)四個(gè)AP設(shè)備共同控制。當(dāng)列車在下行運(yùn)行時(shí)，下行的兩個(gè)AP主要控制列車，當(dāng)列車在上行運(yùn)行時(shí)，上行的兩個(gè)AP主要控制列車，但站內(nèi)的AP設(shè)備是針對(duì)車頭控制的，從而車頭再控制車尾。

2.AP-MR在直接通信范圍始終會(huì)進(jìn)行多對(duì)多主動(dòng)探測(cè)，但探測(cè)周期有差異。這條規(guī)律表明：列車與站內(nèi)AP發(fā)送的探測(cè)幀的時(shí)間間隔是不同的，也就是說，列車行駛到站內(nèi)AP信號(hào)范圍內(nèi)，站內(nèi)AP信號(hào)并沒有一直對(duì)列車進(jìn)行控制，但站內(nèi)AP信號(hào)一直在某個(gè)頻率范圍內(nèi)發(fā)送探測(cè)幀。只要當(dāng)列車需要控制時(shí)，列車才會(huì)接收探測(cè)幀并對(duì)探測(cè)幀做出應(yīng)答或者列車發(fā)送自己的探測(cè)幀來(lái)征求站內(nèi)AP信號(hào)的應(yīng)答。

3.AP-MR建立peering連接前發(fā)送加密數(shù)據(jù)ENCR. DATA。這里的加密數(shù)據(jù)起到一個(gè)站內(nèi)AP與車載MR的對(duì)接作用，是站內(nèi)AP與車載MR要即將進(jìn)行通信的信號(hào)。同時(shí)此加密數(shù)據(jù)起到一個(gè)兩者之間的識(shí)別作用。只有站內(nèi)AP與車載MR才能識(shí)別此加密數(shù)據(jù)，從而在此基礎(chǔ)上開始試圖建立通信聯(lián)系。

4.站臺(tái)西段的兩個(gè)AP設(shè)備接收東段的兩個(gè)AP信號(hào)所占百分比大致是相同的。

通過檢測(cè)到的側(cè)規(guī)律，可以說明：在列車即將進(jìn)站到離站的每個(gè)周期，站臺(tái)西段的兩個(gè)AP設(shè)備通過接收東段的兩個(gè)AP信號(hào)來(lái)控制列車，此次規(guī)律可以間接說明站臺(tái)的四個(gè)AP設(shè)備相互協(xié)調(diào)，共同控制列車。

七、總結(jié)

通過對(duì)地鐵無(wú)線AP信號(hào)部分檢測(cè)，可以看出：站內(nèi)四臺(tái)AP信號(hào)設(shè)備與車載MR設(shè)備的關(guān)系復(fù)雜多樣，兩者相互通信的關(guān)系也互相交叉，同時(shí)站臺(tái)AP信號(hào)設(shè)備之間也相互協(xié)調(diào)共同控制列車。相反來(lái)說，一旦站臺(tái)某個(gè)AP信號(hào)設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)通信問題，列車將面臨嚴(yán)重信號(hào)障礙問題。因此，地鐵無(wú)線AP信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)至關(guān)重要。

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