高速綜合檢測列車CTCS-3級列控動態檢測系統

■ 謝保鋒 高利民 孟景輝 王曉東 劉玉江 楊樹忠

1 概述

CTCS-3級列控系統（簡稱C3）是保證高速鐵路列車安全、高效運行的核心裝備，該系統已在武廣、鄭西、滬杭、滬寧等高速鐵路成功應用，隨著我國高速鐵路的快速發展，C3將得到更多應用。在動車組高速運行狀態下，為了對其C3車載和地面設備功能、性能及各系統之間接口關系進行測試和驗證，以及開通后服役階段及時發現設備故障和隱患，掌握設備運用狀態變化情況，為信號設備維修維護工作提供可靠、全面的決策支持信息，在聯調聯試階段，需要高速綜合檢測列車技術裝備提供支撐。2009年，國家高技術研究發展計劃（863計劃）重點項目立項“最高試驗速度400 km/h高速檢測列車關鍵技術研究與裝備研制”，開展對動車組高速運行條件下C3車載測試方法和技術進行研究，并研制基于高速動車組平臺的C3檢測系統。

2 檢測項目和主要功能

C3檢測系統功能視圖見圖1。

2.1 實時檢測分析及診斷功能

（1）軌道電路。實現ZPW2000（UM）軌道電路信號傳輸特性和頻譜特性的檢測、分析診斷功能。主要包括：軌道電路信號電壓幅值、軌道電路調諧區位置、軌道電路鄰區段、鄰線路干擾、工頻信號干擾和軌道電路信號載頻、低頻及能量分布。

（2）補償電容。對補償電容位置、步長及補償電容失效、缺失等參數的檢測、分析診斷。

圖1 C3檢測系統功能視圖

（3）軌道電路不平衡電流及諧波分量。對軌道電路不平衡電流大小、不平衡率及各次諧波分量的檢測、分析診斷。

（4）應答器。對應答器位置測試；應答器報文解析、比對、分析功能；應答器報文誤碼分布、連續無差錯報文位數及幀數等報文接收質量檢測；應答器上行鏈路信號振幅、功率、作用范圍、頻譜特性、最大時間間隔錯誤等電氣特性參數檢測。

（5）車載ATP運行數據。對車載JRU監測數據分析。實現車載ATP人機接口數據（主要包括車載ATP與列車接口信息（如激活、休眠、方向等）、司機操作及車載ATP通過人機交互界面（DMI）的輸出信息（如語音、文字、報警等））記錄分析功能；車載ATP關鍵輸入數據（主要包括軌道電路、應答器信息，GSM-R的無線通信消息及測速測距偏差等）記錄分析功能；車載ATP關鍵輸出數據（主要包括允許速度、目標速度、制動命令等）記錄分析功能；車載ATP運行狀態數據（主要包括ATP控車模式、等級、設備運行狀態、列車運行速度、列車位置、車載ATP自診斷運行狀態等）記錄分析功能。

（6）車載Igsmr接口監測。對車載ATP設備GCD與MT之間的Igsmr接口，實現ATP與RBC各層之間的消息交換（包括物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、安全層和應用層消息）實時無擾監測和記錄分析功能。

（7）車載Um無線環境監測。對C3應用數據進行監測，獲取車載模塊與GSM-R無線網絡交互的業務數據，提供通信超時故障發生時無線接口處C3列控數據的收發記錄；具有監測C3車載無線通信終端工作情況、分析其收發數據是否正確、與無線網絡的交互過程是否正確等記錄分析的功能。

（8）車載列控設備運行環境EMC監測。對車載ATP設備運行環境電磁干擾參數進行檢測、分析診斷。

2.2 系統通信管理、系統維護功能

具有檢測系統自身狀態綜合監測記錄、對外通信管理、內部數據交互調度管理等功能，具體包括：

（1）時間、速度、里程等同步定位信息的并行接入功能；

（2）與綜合系統數據交互功能；

（3）與車地數據傳輸系統數據交互功能；

（4）與地面展示系統數據交互功能；

（5）系統內各子系統、各部件工作狀態的實時監測功能；

（6）系統內部各子系統數據交互調度管理功能。

2.3 檢測數據綜合分析處理功能

C3檢測系統實現對列控車載、地面信號設備及車-地之間接口等8個項目的檢測，部分檢測參數之間存在互補關聯關系。檢測數據的綜合分析處理功能，以問題或事件為目標，以時間、里程等時空信息為統一基準，對檢測數據進行關聯，實現檢測波形的聯動顯示，對C3關于安全防護、模式轉換、等級轉換等復雜的邏輯功能、時序實時特性的綜合分析和判斷。

3 系統架構和設備組成

信號檢測系統由應答器等8套數據采集及處理裝置和檢測數據管理、通信調度管理、交路選擇配置管理、時空同步管理、系統維護管理、檢測數據綜合分析處理等系統集成、數據分析裝置組成。檢測數據采集及處理裝置采用分布式布置，分別安裝在檢測車動車組1、8號車，檢測數據綜合顯示及分析，檢測人員操作采用集中方式，其裝置安裝在1號車。數據采集及處理裝置，與系統集成及數據分析等各個單元、軟件之間存在復雜的數據交換，系統整體集成度較高。為了提高系統的可靠性及可用性，系統設計為3層架構（見圖2）。

4 系統集成技術

高速綜合檢測列車C3檢測系統集成的目標是實現信息關聯和綜合利用。C3檢測系統從不同視角，在C3列控數據傳遞交互過程中的不同節點位置實現檢測數據的采集和處理，這些項目和檢測數據具有緊密的關聯性和互補性，要最大限度地發揮檢測系統總功效的前提是實現檢測數據的信息關聯和綜合利用，要在統一的時空定位信息基礎上進行，根據檢測數據特征、作用范圍和設備技術特性參數，對信息進行關聯、綜合顯示和分析，這是該系統集成的核心目標。要提高系統的可靠性和可用性并縮短開發周期，在工程實施方面，各檢測裝置之間的設備接口、工程接口要非常清晰，便于聯合攻關和開發。

該系統集成的關鍵在于解決系統三層設備、部件之間的互連、互操作和系統時空同步問題。系統三層共包含48個設備和部件，數據交換非常復雜，而且要求具有較好的實時性。項目組借鑒《RSSP-I鐵路信號安全通信協議》中安全防御技術和報文定義，設計系統內部各設備、部件，各軟件、各任務等之間數據通信的通信規程、信息格式、信息編碼及用戶數據定義等統一的接口協議，并通過通信調度管理程序實現系統功能集成和網絡集成，使各設備、各軟件及任務集成到相互關聯、統一和協調的系統之中，實現系統集成總體目標。系統接收檢測列車綜合系統發送的時間、里程、速度等時空同步信息，通過時空同步管理程序，廣播發送給系統各單元和軟件，實現信號檢測所有檢測數據統一到同一時間、里程、速度等時空同步基準上。

對檢測數據的處理一般分為采集、分析、顯示3個過程，數據流見圖3（以軌道電路為例）。

5 檢測數據綜合分析

5.1 檢測數據歷史對比分析

檢測數據歷史對比分析的主要目的是及時發現、掌握設備運用狀態的變化情況。當代表設備工作狀態的技術指標發生變化，應引起維修維護人員的關注，對設備提前進行更換處理，避免故障導致事故的發生。

信號設備呈現的邏輯功能和時序功能特性，往往在一定條件和場景下，或在某些組合條件下呈現，而每次檢測因列車進路、控車命令等驅動設備工作的條件不盡相同，設備的邏輯功能和時序功能參數的檢測數據可比性不強。系統選取代表設備電氣特性參數的檢測數據進行對比分析。

5.2 檢測數據關聯綜合分析

C3包含車載、地面及車-地通信等多個子系統，各子系統之間和各子系統內部各部件之間協同工作，在遵循一定邏輯關系和時序要求的基礎上，完成系統的整體功能。系統內部變化是動態的，動態變化呈現連續和離散共同存在的特征。C3檢測實現對檢測數據的關聯綜合分析，主要功能需求包括：數據一致性、完整性驗證；對列控系統邏輯功能進行分析和判斷；對列控系統時序功能進行分析和判斷；對隨機故障進行分析和判斷；對設備工作狀態進行全面、準確分析和判斷。

圖2 C3檢測系統架構

圖3 系統數據流示意圖

根據C3功能需求規范（FRS）、系統需求規范（SRS）和有關技術條件，結合C3測試案例，在對C3檢測數據的特征、作用范圍進行分析及對檢測項目和數據差異性、互補性和協同性進行研究的基礎上，對上述功能需求進行細化，設計關聯綜合分析案例集，實現對功能需求測試的完備覆蓋。以C2到C3轉換功能測試為例，具體說明測試內容、數據輸入、數據輸出及測試項目之間的關系。

6 試驗驗證情況

檢測系統經靜態測試滿足系統技術條件后，在京滬先導段高速綜合檢測列車最高運行速度400 km/h條件下對系統功能、性能、檢測精度、重復性和一致性進行全面測試驗證。試驗結果表明，檢測系統包含的8個檢測項目全部滿足系統技術條件，能夠保證新建線路聯調聯試及開通后日常檢測數據的準確性和可靠性。

（1）軌道電路檢測。軌道電路信號正常采集，數據處理分析，波形顯示正常，具備數據分析、回放和報表統計、輸出等功能。

信號載頻滿足±0.1 Hz技術要求；

調制頻率滿足±0.02 Hz技術要求；

信號幅度滿足≤2 mV±2%×示值的技術要求；

絕緣節位置滿足≤15 m技術要求。

（2）軌道電路不平衡電流及諧波分量檢測。發送電流值在0～400 A范圍內；系統滿足≤1A±2%×示值的技術條件要求；能夠計算工頻5次以下諧波和軌道電路信號載頻附近諧波分量大小。

（3）補償電容檢測可實現對補償電容的工作狀態、位置、步長的檢測，結合軌道電路信號傳輸曲線對補償電容工作狀態進行判斷，檢測正確率＞98%。

（4）應答器檢測。具備對應答器位置、報文進行解析和分析、記錄功能，能夠對應答器報文接收質量進行檢測和統計，對應答器中心頻率、上邊頻、下邊頻、調制速率、幅值抖動、應答器作用范圍、上行鏈路信號頻率帶寬等進行統計，滿足技術指標要求。

（5）車載ATP運行數據監測實現人機接口信息、列控車載設備輸入、輸出信息和本身運行狀態等數據的接收、實時顯示、記錄及回放分析等功能。

（6）Um無線環境監測具備GSM-R空中接口C3列控業務數據的監測能力。

（7）車載列控運行環境EMC監測具備對車載ATP各接口設備電磁干擾等參數基本監測能力。

（8）Igsmr接口監測實時采集車載ATP系統與RBC的無線數據，實時顯示車載無線模塊工作狀態，能夠解析及顯示無線交互數據和無線報警信息。

7 結束語

隨著高速鐵路的發展，列控信號設備維修維護的理念和方式發生了根本變化，普速鐵路實行“精檢細修”，高速鐵路注重“嚴檢慎修”。目前該系統已經裝車，完成調試，并在京滬高速鐵路聯調聯試和拉通試驗中得到應用。系統中首次實現C3列控業務數據的動態檢測、應答器報文接收質量和上行鏈路信號電氣特性參數檢測、車載設備運行環境電磁干擾參數檢測等，具有一定創新性。高速綜合檢測列車C3檢測系統的成功研制及應用也是C3檢測的整體創新，將成為C3及C2列控線路列控設備動態檢測、設備維修維護和列車運行安全保障的重要技術裝備。

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