深圳地铁信号故障 卡斯柯CBTC系统不足?_8

2019-09-11 15:12

  入侵地铁信号

  将目前地铁内采用的公用免费频段,更改为付费的专用频段,是解决地铁信号系统受外界干扰最彻底的办法

  2012年11月1日清晨,李立(化名)挤上了深圳地铁2号线上的一趟列车。8时15分时,列车一到岗厦北站,突然播报:地铁发生故障,所有乘客赶紧下车。约十分钟后,下趟列车进站,李立随着焦躁的人群再次挤上去,没想到很快地铁再次播报发生故障,要求乘客下车。直到第三辆列车,李立才如愿到达市民中心站。

  李立称,事故当天广播并未解释故障原因,仅称发生故障。

  11月5日,这条线路故障重演,再次停运;11月7日,深圳地铁5号线在行驶过程中亦多次中断运行。

  数天之内,深圳地铁缘何频频停运?全国地铁是否亦面临同样问题?

  双车道被占

  距离第一次故障八天之后,深圳地铁集团正式对外称,初步判断列车停运原因是,线路信号系统受到车上乘客所持3G路由器产生的信号干扰所致。此类便携式3G路由器,工作原理有别于3G手机自身Wi-Fi功能,它可将移动通信3G信号转换为Wi-Fi信号,供无线终端使用。换言之,是乘客带入地铁的移动Wi-Fi热点干扰了列车信号,逼停地铁。

  出事的深圳地铁2号线、5号线,均采用基于无线通讯的移动闭塞系统(CBTC),以国内外通行的2.4GHz频段进行无线数据传输。2.4GHz为公众免费频段。

  也就是说,全国城市地铁皆使用2.4GHz频段,而Wi-Fi也使用同一频段。

  深圳地铁集团资源开发分公司通信工程部高级工程师周杭介绍,在2.4GHz开放频段中,共有14个频点,其中仅有三个频点是互不干扰的,即1频点、6频点、11频点三个频点。深圳地铁刚好使用了这三个互不干扰的频点,其中前两个频点为信号系统所用,第三个频点为车载电视所用。

  14个频点都是免费开放的,Wi-Fi是全覆盖,换句话说,Wi-Fi使用1频点-6频点中任何一个,都会对地铁1频点和6频点造成干扰;Wi-Fi使用6频点-11频点中的任何一个频点,会对6频点和11频点造成干扰。周杭说。

  Wi-Fi能轻而易举影响到地铁信号,区别仅在于严重程度。深圳地铁方面亦不讳言,2号线、5号线并非公司首次检测到信号被干扰,此前有过先例。我们之前一直在对被干扰的线路进行检测、分析。深圳地铁集团党群部部长兼新闻发言人汪玉竹对《财经》记者称。

  基于2.4GHz频段极易被外部抢夺,深圳地铁方面并非毫无预案。

  在2.4GHz频段中,深圳地铁设有红、蓝两个频点,一个主用,一个备用,当红色频点受到外部干扰时,系统将自动启动蓝色频点;当蓝色频点受到外部干扰时,系统自动启动红色频点。周杭将其描述为相当于我们开了两条车道(两个频点),一条车道(一个频点)被(Wi-Fi)占用,还有另外一条车道。

  然而,深圳地铁几次紧急停车,恰恰是因为两条车道同时被外界信号占用,引起数据包延时传输甚至堵塞,从而导致信号系统安全保护功能启动。

  这里所说的Wi-Fi干扰,并非手机的WLAN热点功能,其功率一般只有几个毫瓦,干扰较弱,而是来自于便携式3G无线路由器。

  便携式3G无线路由器信号强度一般功率也多低于50毫瓦,但随着市场发展,越来越多路由器发射功率达到了100毫瓦的国际标准上限,深圳一些山寨路由器发射功率最高的达300毫瓦。汪玉竹称,这种强度使得Wi-Fi在频点争夺中处于有利位置。

  深圳地铁集团自行成立了调查组,其工作人员进行的相关试验表明,在每节车厢携带七八个无线路由器进入,列车信号系统就会立即受到干扰。

  深圳市无线电管理局业务处副处长杨春认可深圳地铁集团的结论。她透露,早在今年8月左右,深圳地铁方面就已经监测到有零星干扰信号,随后深圳地铁内部一直在进行相关测试和排查,所以这次很快就确定是Wi-Fi信号干扰到了地铁信号。

  既然全国城市地铁都普遍使用公共免费的2.4GHz频段,为什么目前只有深圳地铁爆出Wi-Fi干扰问题?

  外部干扰被忽视

  深圳地铁方面将地铁故障的原因也归结为深圳无线城市建设走在国内前列。

  深圳地铁采用的CBTC技术,是集尖端的无线电通信技术和自动化控制技术于一体的列车自动控制系统。汪玉竹认为,采用这种技术并无不妥,CBTC先有,然后有Wi-Fi。我们不可能预见到五年后、十年后的事物。这是新技术发展和应用产生的新问题。

  但是,即使在深圳地铁集团内部,对地铁信号系统的安全性亦存有疑问。

  由深圳地铁集团内部人士撰写的《移动闭塞信号系统车地无线传输初步研究报告》提到,目前深圳地铁1号线、2号线、3号线和5号线均采用CBTC(只有4号线使用准移动闭塞系统),原设计方只考虑了地铁内部的抗干扰问题,但未考虑来自外部的干扰。报告提及,深圳市无线电管理局曾多次质疑2.4GHz开放频段在地铁使用的安全性。

  地铁CBTC系统抗干扰并不是新课题。2006年11月,上海无线电管理局就编写了一份研究报告,指出国内各种技术应用还有适用性和局限性,目前2.4GHz公共频段不能彻底避免CBTC系统被干扰的问题,只有技术和管理相结合,前瞻性地制定相应技术标准,才能保证列车控制系统的可靠性。

  内部的提醒和同行的研究,似乎没能在深圳地铁2号线、5号线工程中被充分考虑。

  在深圳出现Wi-Fi干扰问题后,上海地铁倒很快声明:虽然当地地铁系统同样使用CBTC,却与深圳制式不同。除10号线外,上海地铁多数线路采用的CBTC最大的特点是拥有跳频功能,可以规避干扰。

  那么,深圳地铁为何没有采用此技术?周杭解释称,跳频技术不太成熟。

  不过,北京交通大学电子信息工程学院一位教授表示,跳频技术在地铁系统的应用已经成熟。该校多名教授都赞同,地铁通信系统与个人用户无线网络的信号干扰问题,国内已经研究多年,虽然没有形成国家标准和行业通用规范,但防干扰的技术难度并不大,关键是各个地铁公司是否重视。

  除了跳频技术,还有调制、增设复杂密码、扩频等多种技术改进方案,以及适合CBTC系统无线信道的加密算法,在国内多个院校和科研单位也进行了突破研究。

  这两条线路的信号生产商,是曾在甬温线动车追尾事故中受到质疑的卡斯柯信号有限公司(下称卡斯柯)。其市场部公关副经理张程贻对《南方都市报》称,卡斯柯所提供的信号系统在设计时已经考虑到了干扰的处理,采取了当时业内最新的抗干扰技术,该技术广泛应用于全球以及国内北京、上海等其他城市的部分CBTC项目,在应对干扰管理的健壮性(指软件对于规范要求以外的输入情况的处理能力)方面已经得到充分证明,迄今从未发生类似干扰事件。

  但工信部无线电管理局局长谢飞波告诉《财经》记者,深圳地铁事件的起因在于采用了不受保护的技术,更关键的是其技术方案本身就存在着设计与安装运行上的缺陷。

  他认为,国内地铁在信号系统的防干扰设计与成本控制上缺乏行业规范和标准,各城市地铁的自律性、随意性较大,且没有主管部门。

  新技术试错不足?

  尽管深圳地铁方面强调,我们的信号系统本身并没有问题,但卡斯柯提供的设备还是备受争议。卡斯柯方面对《财经》记者表示,目前不会就深圳地铁信号系统做出任何回应。

  深圳地铁故障后,卡斯柯在第一时间和深圳地铁集团一起就如何加强信号系统防干扰能力进行了讨论和分析。实际上,深圳地铁2号线、5号线开通前,信号系统通过了必要的测试,并获得了由德国莱茵公司出具的系统安全认证书。

  莱茵公司为全球最大的产品质量认证权威机构之一。测试可在一定程度上规避风险。不过,一位轨道交通控制与安全国家重点实验室的专家表示,测试之后还可能有突如其来的新增外部干扰源,这就导致了测试的不可控性。

  欧洲的信号公司一般在产品实际应用前,先后进行实验室测试和实地测试,特别是在实验室测试过程中,会尽量模拟不同干扰源。一位曾任职于卡斯柯的工作人员称,卡斯柯产品遵循的是这一测试过程。

  卡斯柯向深圳地铁提供的是CBTC系统Urbalis888。CBTC由泰雷兹集团(后并于阿尔卡特)首创。CBTC改变了两个地铁站台之间只能有一辆列车运行的传统,而是在前后两辆列车之间进行动态控制,保持安全间隔,从而提高发车频率,增强地铁运行效率。

  卡斯柯开发的CBTC系统Urbalis888,使用扩频技术,其优势是传输速率高,也有一定修正错误数据、降低受干扰程度的能力,但与跳频技术相比,并不能从根本上规避外部信号干扰问题。

  更大的问题在于,CBTC没有太多的应用经验。2004年,首条无线CBTC线路在美国拉斯维加斯投入使用。此后美国旧金山、法国巴黎等地陆续建设了一些试运行线路。据西安市地铁办机电设备处总工程师王洪波在2010年的统计,当时国外只有11条线路运用了CBTC移动闭塞系统。

  继2004年武汉轻轨1号线首次使用CBTC系统的线路后,很快全国各地纷纷上马。王洪波的统计显示:当时国内已有五条运用相关技术的线路开通。与此同时,兴建中的深圳、广州、成都、南京等地线路,都选择了这一技术。

  一年不到,中国就大面积应用,好像不上CBTC就是落后的。在国内首批从事CBTC系统研发测试的专业人员周元(化名)说。

  他认为,CBTC系统全球应用时间并不长,国外应用时间最久的线路,也因当地地广人稀的特性,没有经过真正的压力测试。

  CBTC系统在中国应用,尤其会凸显在客流较少国家不会表现出的矛盾。上海地铁8号线刚刚投入运营时,客流就达到了设计容量的250%,对信号系统的压力也可想而知,上海地铁集团董事长应名洪坦承,CBTC系统的设计判断指标跟我们的实际指标产生差异,冗余度不够,通道不畅,造成信号阻塞。我们只有让系统提供商不断改进。

  抢速度是中国地铁工程中长期存在的问题,国外的信号系统正常的实施年限为3年-4年,国内大多数都减少到1年-2年,这导致系统测试不充分。《铁道通信信号》杂志2011年刊载的一篇文章称,深圳地铁2号线19个月开通CBTC全功能,创地铁建设历史上信号最短工期纪录,创造了信号系统项目实施历史上的奇迹。

  经验积累不够,没有真正的技术储备,遇到问题就难有相应的应急能力。

  最彻底的方法

  深圳事故折射出的,是地铁信号系统与无线网络,两个产业快速发展时相撞产生的问题。

  北京、上海、广州、武汉、沈阳、西安、成都等已运营地铁的国内多个城市,虽然采取防干扰技术改进手段不同(如成都地铁安装滤波器、加长安全校验码等提高系统的抗干扰能力),或者尚未对乘客提供公共Wi-Fi信号(如广州),还没有遭遇类似深圳地铁的故障,但这些城市的地铁通信系统也均使用2.4GHz公共频段,这意味着外部信号干扰的风险有可能发展为普遍的问题。

  应名洪指出,上海的地铁站台没有Wi-Fi热点,也没有发现乘客大规模使用MiFi设备,所以还没有发生地铁信号系统受到干扰的事件。但一旦有了,就会遇到同样的问题,深圳事件引发我们的重视,接下来可能会研究这个问题。

  不少业内专家提出,将目前地铁内采用的公用免费频段,更改为不对公众开放的付费专用频段,是解决地铁信号系统受外界干扰最彻底的办法。

  不过,无限频谱是稀缺的战略性资源,被严格管控,很难为每个行业或部门都划分一个专用频段。目前,仅有军事、航空、公安、气象、广电、电信等少数几个行业拥有专用频段。

  上述轨道交通控制与安全国家重点实验室人士表示,近几年来,因为外部信号干扰问题,高铁已向国家无线管理部门申请设置专用频段,但尚未成功。

  各地无线电管理部门也曾多次告知地铁公司,对于这种属于公共安全领域的交通工具,地铁公司现在必须自身通过技术方法改进。地铁公司回应乘客虽然也使用2.4GHz公共频段,只要不让这种设备进入地铁就可以,可事实上仅凭行政管理是管不住的。谢飞波分析。

  在管理上禁止乘客携带此类设备上车,难以实施,但信号干扰又可能影响众多人群的安全,因此各城市地铁公司开始切实考虑使用专用频段的可能性,不过实施起来难度很大。

  工信部无线电管理局也表示正与城市轨道相关部门进行沟通,寻找解决方案,用新的技术改进来取代之前方案上的缺失。谢飞波透露,这个技术方案,就是指设置地铁的专用频段。

  申请地铁专用频段的第一步,必须要明确地铁公司确定的频段标准以及所要满足的用频要求。

  然而,尴尬的是,国内地铁公司没有统一的管理部门来牵头组织,也没有针对地铁的统一标准和技术规范,各个城市都是各自为政。谢飞波分析,无线电管理局所授予的专用频段一般为全国通用,不可能给每个城市都批复一个,而且批复之后由哪个统一管理的技术部门负责规范管护这一频段,如今也没有结论。

  另一个折衷的解决办法是,地铁公司自身建立一套Wi-Fi系统。假设地铁全线自身拥有Wi-Fi,乘客就无需自带路由器,这样就不存在争夺信号问题。

  今年3月,深圳地铁已经试运行了一套Wi-Fi系统,在对该项目承包商的资质要求中,深圳地铁明确提出:所建的地铁Wi-Fi系统不能对地铁运营系统造成任何干扰。不过,地铁自建Wi-Fi系统除了造价昂贵,此系统是否会对列车信号系统造成干扰,也未可知,这仍然是权宜之计。

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