CTCS3-300T列控車載系統運行可靠性分析

吳書學

（龐巴迪運輸工程服務北京有限公司，北京 100020）

2009年12月26日，全長1 069 km的武漢至廣州客運專線投入商業運營。這是我國第一條投入商業運營的長大干線高速鐵路。武廣高速鐵路的列車控制系統采用的是CTCS3-300T列車超速防護系統，即ATP。CTCS3-300T列控車載系統除了主要裝備于武廣高速鐵路外，2010年7月1日開通的滬寧高速鐵路, 10月26日開通的滬杭高速鐵路，以及2011年6月底開通的京滬高速鐵路，均主要裝備有該類型的超速防護系統。

1 CTCS3-300T列控車載設備系統結構

CTCS3-300T主要用于2種應用等級的列控系統：CTCS-3和CTCS-2, 分別簡稱C3和C2。C2是由軌道電路和應答器傳輸控車信息，并采用目標-距離模式監控列車安全運行。C3則主要由GSM-R移動通信系統傳輸來自無線閉塞中心（RBC）的控車信息來監控列車運行。C2是C3的后備模式，通常情況下由C3控車，列車運行速度可達350 km/h, 在C3故障或在非RBC控制區域運行時由C2控車，列車運行速度可達300 km/h。

每列動車組的兩端均裝備有CTCS3-300T列控車載設備。該車載系統具有高度的系統軟硬件冗余。硬件冗余設備為冷備，主用系統故障時，由司機通過撥動冗余開關，倒向備用系統。如圖1所示，深灰色部分為冷備設備。

系統各部分主要功能如下。

1）ATPCU:C3控車時實現超速防護的核心模塊。

2）SDP (PM):列車運行速度和走行距離處理單元，同時SDP還是Profibus 總線控制器。

3）C2CU: C2控車的核心模塊。

4）TSG:列車信號網關，是ATP車載系統各種通信總線和數據鏈路之間的接口。TSG收集來自所有車載子系統的診斷數據并存儲于診斷數據記錄單元DRU中。

5）JRU:司法記錄裝置，記錄足夠分析事故原因與列車運行、車載設備工作以及地車通信有關的信息，以便發生事故時進行調查。

6）DMI:人機界面，向司機提供行車控制信息，如允許速度、實際速度、目標距離、目標速度、過隧道、分相等提示信息，以及ATP自身的告警信息等。

7）BTM:是ATP系統的應答器天線接口，將來自CAU的信號轉換為在MVB上傳送的數據信息，通過射頻發射機為CAU提供能量，檢查應答器報文的完整性及正確性，具有自檢功能，還可檢查CAU是否工作正常。

8）CAU:應答器天線裝置，由BTM供電并控制。當CAU通過地面應答器時，向應答器傳輸能量和同步脈沖，來讀取應答器的報文。

9）GCD:基于儲存于GCD中的加密密鑰（KMAC）進行加密運算。保證了在開放式GSM-R網絡上傳送數據的正確性和有效性。

10）STU-V:安全傳輸單元，是車載設備與RBC通信的管理器。

11）GSM-R:包括2個車載無線電臺，是ATP與GSM-R的接口設備。

12）VDX:安全開關量輸入/輸出接口。

13）SDU:從速度傳感器和多普勒雷達中讀取脈沖。脈沖計數按照高級協議通過信號MVB總線發送至SDP。

14）DX/DI:開關量輸入/輸出接口。

15）DR:多普勒雷達，其對空轉和打滑不敏感，向ATP系統提供列車運行的速度信息。

16）PG:速度傳感器，安裝于列車輪軸上，向ATP系統提供列車運行的速度信息。

17）TCR:編碼軌道電路信息讀取器，用于解析來自軌道電路的控車信息。

盡管ATP設備在開通運營前已經過嚴格的工廠靜態測試，上線動態測試以及聯調聯試，但是實驗環境畢竟模擬不了所有的現場運營場景，設備開通后在質保期內（通常自設備開通之日起2年）需要密切監視其運行情況，并對發生的故障進行認真分析定位，從硬件及軟件等方面對系統作進一步完善。

2 ATP運行可靠性分析評價的基礎數據

ATP運行性能評價的基礎數據主要有故障追蹤表，ATP運行的時間/里程，以及車載日志等。

2.1 故障追蹤表

ATP投入運營后發生故障，要及時對故障進行處理，通過上車檢查硬件設備，并做實驗，以及下載分析車載日志，對故障原因分析定位，采取相應的措施如硬件更換、改進，軟件升級更新等以提高系統的可靠性。這些相關的工作還應該做好記錄并存檔，以方便日后追溯。故障追蹤表正是用于記錄上述這些工作的專用報表。故障追蹤表采用Excel表格形式，以方便對故障進一步分析匯總。故障追蹤表每日填報，由鐵路局調度中心電務值班調度收集故障信息，由ATP設備供應商現場服務人員和電務段ATP工區提供故障原因分析。該表的主要內容如下。

1）年月日：故障發生的日期。

2）本務車編號：本務車ATP控制整列動車的運行。

3）端號：每列動車兩端各裝備一套完整的ATP設備，本列注明故障發生在哪一端。

4.4 播種或分苗密度應適宜，不可過密。同時應及時嚴格地清除苗床雜草、殘枝枯葉，以利通風、透光、換氣。

4）系號：動車組每端裝備的ATP設備由A系和B系兩套設備構成冗余系統。ATPCU，C2CU，SDP，BTM，CAU需要定位到具體哪一系設備。

5）車次號：列車運行的車次號。

6）時間：故障發生的時間，通常采用24 h制。

7）地點：故障發生的地點，如公里標或車站名。

8）故障報告：故障的具體描述，包括DMI顯示的提示信息，ATP常用制動或緊急制動的施加，司機的應急操作，行車恢復的時間，ATP恢復正常的時間、地點等。

9）列車是否停車：ATP故障是否導致停車，用于計算停車故障件數。

10）硬件故障：故障是否由ATP硬件失效造成的，要結合返修器材維修報告最終確定發生的硬件故障件數，是用來計算平均無硬件故障運行時間的重要參數。

11）ATP軟件版本：質保期內，為解決故障，軟件需要進一步更新升級，有些故障與特定的軟件版本相關，所以必須明確故障發生時的相應車載軟件的版本。

12）初步分析：通過上車檢查硬件，做實驗，下載分析車載日志，對故障原因作出的初步分析。

13）ATP子系統故障定位：故障發生在ATP的哪一個子系統。

14）故障一級分類：通常按故障表現的形式進行分類。

15）故障二級分類：通常按造成故障的根本原因進行分類。ATP子系統故障定位和故障分類是根據初步分析結論對故障的進一步梳理和歸納分析。

16）處理情況:故障處理采取的措施或計劃解決問題的方案。

17）ATP故障件數：經過檢查硬件設備，試驗，分析車載日志確定的ATP故障的根本原因，確系由于ATP自身如硬件故障或軟件缺陷等導致的故障數量。司機的不當操作，地面設備如聯鎖、RBC、應答器、軌道電路、道岔以及GSM-R網絡故障都會表現在ATP控車上出現異常，但此類故障不計入ATP故障件數。列車一個單程運行（對應一個車次號）發生多次故障，即使故障原因相同，也按實際發生的故障次數統計。例如，因車載一個無線電臺故障導致列車在5個RBC交界處發生無線通信超時，降級C2的故障，雖然故障原因相同，但ATP故障件數應統計為5。

2.2 ATP運行時間及里程

ATP運行時間，通常指列車上線運行時ATP的控車時間。ATP運行里程，指動車組上線運營，由ATP控車的列車走行的里程。按實際統計每列動車組的ATP運行時間和里程比較困難，一個較簡化的辦法是根據列車時刻表來進行計算。首先根據發車時刻及終到時刻計算出每個車次的運行時間，所有車次運行時間累加結果即為每日ATP的運行時間。每個車次根據其始發站和終到站的里程，可計算出該車次的ATP運行里程，一日當中所有車次運行里程累加即為每日ATP的運行里程。有了ATP運行時間/里程的每日數據，即可方便地計算出每月ATP運行時間/里程。ATP運行時間/里程既是ATP工作時間的重要數據，也反映出高速鐵路交通流量的大小。

2.3 車載日志及通信日志

ATP車載日志主要指ATPCU，C2CU, SDP，TSG日志和JRU日志。故障發生時應及時下載有關日志，以便于對故障原因分析定位。車載日志應及時上傳至公共服務器上，方便有關專業人員下載并進行具體分析。對于無線超時的故障以及車載聯接不上RBC的故障，還應向有關通信段索要基本速率接口PRI（Primary Rate Interface）數據、Abis接口數據以及Um數據，經過綜合分析以確定是ATP自身問題還是GSM-R網絡的問題。以上日志是對ATP故障分析定位的非常重要的原始數據，應妥善保管并存檔。

3 ATP運行可靠性的分析評價

有了上述的基礎數據，就可以對ATP系統運行可靠性進行定性分析和定量評價，定量評價的各項指標可作為在ATP系統質保期結束時簽發最終驗收證書的重要依據。可以利用Excel軟件的數據透視圖表和分類匯總函數對上述故障追蹤表作進一步統計分析，相應生成的各種圖表可以清楚的反應出ATP系統故障發生的頻率，主要故障分布以及ATP系統可靠性隨著軟硬件的改進而得到相應改善的趨勢。作為定量評價ATP系統運行可靠性的主要指標有：故障件數、平均無故障運行時間/里程、平均無停車故障運行時間/里程、平均無硬件故障運行時間/里程等。

3.1 故障件數

故障件數是指由于ATP自身軟件缺陷或硬件失效而導致的故障的數量。對于所有的ATP故障，根據故障是否導致列車停車，單獨統計出停車故障件數；另外，還根據故障原因是否由于硬件失效而統計出硬件故障件數。通常按月統計故障件數、停車故障件數和硬件故障件數。這些數據可根據前述的故障追蹤表利用Excel 函數很容易地計算出來。

故障件數是評價ATP運行可靠性的重要指標，但是該指標的缺點是沒有和ATP系統運行的時間聯系起來。通常情況下，設備發生故障的概率大小與設備運行時間長短有很大的關系。下述指標將會克服此類缺點。

3.2 MTBF/MDBF/MTBSF/MDBSF/MTBHF/MDBHF

MTBF：平均無故障運行時間；MDBF：平均無故障運行里程； MTBSF：平均無停車故障運行時間； MDBSF：平均無停車故障運行里程；MTBHF:平均無硬件故障運行時間；MDBHF：平均無硬件故障運行里程。MTBF/MTBSF/MTBHF按月的計算方法舉例如表1所示。Tm表示按月統計的ATP運行時間，Dm表示按月統計的ATP運行里程，F月故障件數，Fs月停車故障件數，Fh月硬件故障件數。注意，若某月的F（Fs或Fh）為零時，其計算辦法應將本月和上月Tm累加后再除以本月和上月F(Fs或Fh)的累加和，以此類推。將表1舉例中的Tm用Dm來代替，將計算出相應的MDBF/MDBSF/MDBHF。

表1 MTBF/MTBSF/MTBHF計算方法舉例

上述指標是按月計算出來的，還可根據整個質保期內（通常為2年）的統計數據如故障總件數，ATP運行的總時間/總里程計算出相應的指標值。

計算出上述這些指標值，即可參照行業標準，對ATP系統運行可靠性作出定量評價。凡是高于行業標準的即可認為ATP系統具有高可靠性，否則，仍需采取進一步改進措施以提高系統的可靠性。

4 結束語

ATP系統運行可靠性的定量評價指標可作為鐵路局在車載設備質保期結束時，簽發最終驗收證書的重要依據。本文探討龐巴迪對ATP系統在質保期內運行可靠性的分析評價，僅僅是企業標準，至于國內、外鐵路信號行業標準仍需做進一步分析探討。

[1] Railway Applications-The Specification and Demonstration of Reliability，Availability,Maintainability and Safety (RAMS) CENELEC EN50126[S].1999.