簡談CTCS-3級列控系統(tǒng)無線鏈接超時問題

李志欣

（中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司電務(wù)處，太原 030013）

2002年12月，鐵路部門根據(jù)2020年國家經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃和鐵路快速發(fā)展的要求，在分析世界鐵路發(fā)展趨勢的同時，結(jié)合中國鐵路現(xiàn)狀，在國際鐵路聯(lián)盟（UIC）大會上提出研究中國列車運行控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）。

2007年4月18日，中國鐵路既有線成功實施了第六次大面積提速，在主要干線開行時速200 km及以上動車組。部分提速干線裝備CTCS-2級列控系統(tǒng)地面設(shè)備。CTCS-2級列控系統(tǒng)為動車組的高速、高效運行提供安全保障。

在CTCS-2級列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，發(fā)展CTCS-3級列控系統(tǒng)，適用于310 km/h客運專線和高速鐵路。該設(shè)備是基于GSM-R無線通信實現(xiàn)車-地信息雙向傳輸，采用先進(jìn)的技術(shù)手段對高速條件下的列車運行速度、運行間隔等實時監(jiān)控和超速防護(hù)，以目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式，設(shè)備制動優(yōu)先的方式監(jiān)控列車安全運行，并以CTCS-2級列控系統(tǒng)作為后備模式。

在CTSC-3級列控系統(tǒng)監(jiān)控列車運行過程中，有時會發(fā)生無線鏈接超時的故障，ATP輸出B7（最大常用制動）。本文以CTCS3-300S型車載ATP設(shè)備為例，簡析產(chǎn)生無線超時的原因及分析、處理的方式。

1 無線通信概述

1.1 無線通信硬件結(jié)構(gòu)

1.1.1 車載無線通信單元

列車超速防護(hù)系統(tǒng)ATP監(jiān)控列車運行時，負(fù)責(zé)與地面進(jìn)行無線通信及與ATP主機(jī)的數(shù)據(jù)交換單元為GSM-R單元。GSM-R單元中的電臺子系統(tǒng)與ALA單元中的RIM配合，實現(xiàn)與地面無線系統(tǒng)的GSM-R無線

連接。GSM-R單元中移動終端、電源和濾波器來實現(xiàn)GSM-R調(diào)制解調(diào)器功能。它與安裝在車輛頂部的GSM-R天線相連。車載GSM-R電臺由兩個移動終端組成，即考慮設(shè)備冗余，又可以實現(xiàn)動車組從一個RBC區(qū)域切換到另一個RBC區(qū)域時, 可同時連接兩個RBC以實現(xiàn)自動交權(quán)功能。

1.1.2 地面信號設(shè)備RBC

無線閉塞中心（Radio

Block Center，RBC）是CTCS-3級地面核心設(shè)備之一。它是一個基于安全計算機(jī)系統(tǒng)，采用安全冗余配置，利用GSM-R及以太網(wǎng)等通訊平臺與其他地面子系統(tǒng)通信，根據(jù)從外部地面系統(tǒng)（列控中心、聯(lián)鎖設(shè)備，車站CTC分機(jī)等）接收的信息（即股道占用、進(jìn)路信息、臨時限速等），通過GSM-R接收車載發(fā)送的列車位置信息以及其他列車參數(shù)信息，生成列車控制命令。主要提供行車許可，臨時限速、過分相等信息，使列車在本RBC管轄范圍的線路上安全運行，完成列車間隔控制和列車防護(hù)。

1.1.3 地面通信設(shè)備

地面信號設(shè)備與無線閉塞中心RBC連接相關(guān)的通信機(jī)柜，由通信機(jī)柜向外連接至鐵路沿線的通信信號塔，完成與車載的無線信息交互。通信設(shè)備是地面信號設(shè)備RBC與車載設(shè)備ATP信息交互的橋梁。

1.2 無線通信協(xié)議

1）無線通信協(xié)議是CTCS-3級列控車載系統(tǒng)與地面無線閉塞中心遵循的通信協(xié)議。無線通信協(xié)議包括：物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層和應(yīng)用層。通過鏈路層數(shù)據(jù)得出通信協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層及應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。各個協(xié)議層的關(guān)系如圖1所示。

無線連接是通信雙方的數(shù)據(jù)交互，逐步從通信協(xié)議的底層協(xié)議擴(kuò)展向高層協(xié)議，由物理層協(xié)議逐步向應(yīng)用層協(xié)議擴(kuò)展。

動車組列控車載設(shè)備與地面設(shè)備連接需要經(jīng)過如下過程。

a.將列控車載設(shè)備無線通信單元注冊到GSM-R的無線網(wǎng)絡(luò)中。

b.選擇進(jìn)入CTCS-3等級，輸入對應(yīng)RBC的ID和RBC的電話號碼，此時物理層建立連接。

c.車載設(shè)備請求與RBC建立安全連接。所謂安全連接，指的是安全層及安全層以下的連接。如若列車數(shù)據(jù)在RBC配置列表中，車載ATP與地面RBC建立安全連接。

d.安全連接建立后，列車立即向RBC發(fā)送“通信會話開始”的應(yīng)用層消息。

2）無線消息的運用

所謂無線消息的運用，就是指在無線通信協(xié)議中應(yīng)用層消息的運用原則。一個無線消息應(yīng)由消息頭、預(yù)先確定的變量、預(yù)先確定的必選信息包、可選信息包和一些填充位組成。

車載ATP與地面RBC設(shè)備的無線消息交互有許多的過程，比如任務(wù)開始、位置報告及行車許可發(fā)送接收、級間切換和任務(wù)結(jié)束等。車載設(shè)備和地面設(shè)備必須嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)則進(jìn)行消息交換。以下僅列出任務(wù)開始時的消息流程，如圖2所示。

2 無線鏈接超時

2.1 無線鏈接超時概述

2.1.1 無線超時的定義

當(dāng)列車以CTCS-3等級運行時，車載ATP監(jiān)控RBC最近收到的無線消息時間戳與車載設(shè)備當(dāng)前時間的差值，大于T_NVCONTACT參數(shù)時，則認(rèn)為無線消息超時，車載ATP設(shè)備實施最大常用制動B7并向司機(jī)提示。T_NVCONTACT由RBC的配置信息決定，可以在RBC發(fā)送的Msg24中的信息包3里查詢到。例如鄭西高鐵RBC定義的T_NVCONTACT值是10 s；廣深港及通號RBC定義的T_NVCONTACT值是20 s。

2.1.2 列車發(fā)生無線超時后的現(xiàn)象

1）緩解邏輯

當(dāng)發(fā)生無線鏈接超時后，車載輸出最大常用制動，并持續(xù)向RBC發(fā)送請求信息，若車載在規(guī)定時間內(nèi)收到RBC的信息回復(fù)，則制動自行緩解。

2）降級邏輯

以和利時300S型ATP降級邏輯為例說明：

首先列車輸出最大常用制動可持續(xù)40 s，如車載設(shè)備在40 s內(nèi)未收到RBC回復(fù)，則40 s后由DMI提示司機(jī)“進(jìn)入CTCS-2級，請確認(rèn)”，司機(jī)按壓確認(rèn)按鍵后，進(jìn)入CTCS-2級運行。

此外，如列車在輸出最大常用制動的時間里，最大常用制動曲線NBP≤45 km/h以下，則DMI立即提示司機(jī)“進(jìn)入CTCS-2級，請確認(rèn)”，司機(jī)按壓確認(rèn)按鍵后，立即進(jìn)入CTCS-2級運行。防止動車組低速運行時，控停列車。

2.2 無線超時的分析

2.2.1 無線超時故障的原因分類無線超時故障原因主要有兩大類：1）地面通信通道受干擾或信號不穩(wěn)定；

2）列控車載設(shè)備自身發(fā)生故障；當(dāng)?shù)孛嫱ㄐ磐ǖ朗芨蓴_或信號不穩(wěn)

定時，會導(dǎo)致車載設(shè)備無法正常接收RBC的消息，列車報無線超時故障。

當(dāng)車載GSM-R無線通信單元有一系發(fā)生故障，在列車通過RBC的交權(quán)區(qū)時，列車報無線超時故障。

本文主要闡述車載設(shè)備側(cè)故障的分析。發(fā)生故障時，一類故障可以通過觀察GSM-R單元的模塊指示燈來判斷故障原因。另一類故障需要下載故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷故障的原因。一般需要下載動車組運行記錄數(shù)據(jù)（JRU）和電臺記錄單元模塊中的CF卡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.2 JRU數(shù)據(jù)的分析

以2017年6月18日某列車發(fā)生無線超時為例，進(jìn)行分析。

09：00：36，列車收到RBC發(fā)來的最后一條消息，開始計時20 s。如圖3所示。

09：00：56，列車發(fā)生無線超時，輸出最大常用制動，如圖4所示。

09：00：57，列車與地面 RBC 重新連接，最大常用制動緩解。

車載ATP處理無線超時，邏輯正常。

2.2.3 GSM-R記錄單元CF卡數(shù)據(jù)的分析

1）網(wǎng)絡(luò)注冊失敗

分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一系電臺工作正常，而另一系電臺在啟機(jī)過程中出現(xiàn)CREG：2或3，后

續(xù)數(shù)據(jù)中重復(fù)出現(xiàn)ERROR，表示該系網(wǎng)絡(luò)注冊失敗，對于這種問題，需要重新插拔緊固SIM卡。如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)注冊失敗。

2）電臺異常掛斷

在車-地信息交互過程中，若電臺有掛斷動作，則會在Physical上記錄AT Comm a n d： N O C A R R I E R 指令。電臺正常掛斷的方式為：Msg156+Msg39形式，如圖6所示。

當(dāng)電臺不以如上方式掛斷時，就會在沒有Msg156+Msg39消息的情況下，出現(xiàn)Physical上記錄AT Command： NO CARRIER的指令。如以一列車發(fā)生無線超時為例進(jìn)行分析。

發(fā)現(xiàn)1系電臺工作正常，而在搜索2系電臺時，發(fā)現(xiàn)了異常掛斷，如圖7所示。

圖7標(biāo)黃色中可以看到，應(yīng)用層中列車向RBC發(fā)送了Msg136，沒有RBC的回復(fù)信息。標(biāo)綠色可以看到，DL層中OBU-＞RBC（即車對地）發(fā)送了P/F = 1，N(R) = 91的HDLC frame： RR幀。

應(yīng)用層的消息是由DL層消息組成的，而DL層的 HDLC frame： I（information）幀用于組成該信息，HDLC frame： RR（response）有P/F=0或P/F=1兩種狀態(tài)，其中P/F=0的RR幀用于確認(rèn)I幀的接收，P/F=1的RR·幀用于檢測接收方的狀態(tài)。通常情況下，以P/F=0傳輸，若出現(xiàn)異常，則發(fā)送P/F=1的RR幀，要求接收方必須對該幀進(jìn)行回復(fù)。若未收到回復(fù)，則采取主動掛斷。

當(dāng)電臺掛斷后，會重新呼叫RBC，在電臺數(shù)據(jù)中可以看到呼叫RBC的電話號碼，看到該電臺重新呼叫2次才與RBC正常建立連接。如圖8所示。

3 無線鏈接超時的應(yīng)對措施

1）現(xiàn)場處置

現(xiàn)場運用中發(fā)生無線鏈接超時異常時，動車組司機(jī)可按照DMI提示進(jìn)行操作，如需降級運行，則按提示確認(rèn)降CTCS-2級運行。CTCS-3線路上，若動車組中間站停開越過出站信號機(jī)后可正常轉(zhuǎn)入CTCS-3級完全模式，則初步判斷列控車載設(shè)備硬件無異常。

2）動車組回庫后，可通過觀察列控車載設(shè)備無線通信單元通信板燈顯情況是否正常，檢查SIM卡安裝密貼情況等判斷硬件設(shè)備是否有異常。另外，可通過測試駐波比值是否在正常范圍來判斷車頂天線與車載電臺通信是否正常。

3）針對CTCS-3無線鏈接超時的問題，目前出現(xiàn)了許多新的分析方法，比如GSM-R單元的空口監(jiān)測分析，通過安裝相關(guān)設(shè)備監(jiān)測Igsm-r、PRI兩接口的通信狀態(tài)，更加準(zhǔn)確地定位故障點，確定故障側(cè)。

4 結(jié)語

CTCS-3無線鏈接超時作為動車組CTCS-3區(qū)段運行的常見故障，發(fā)生時涉及車-地、傳輸通道等多個環(huán)節(jié)，配合查找，綜合分析，隨著新設(shè)備的出現(xiàn)和監(jiān)測分析手段的不斷改進(jìn)，目前出現(xiàn)了許多新的分析方法，比如GSM-R單元的空口監(jiān)測分析。此種監(jiān)測，還在試用階段，只在少量車上運用。相信隨著鐵路總公司和各個鐵路局對無線超時問題的重視，每百萬公里無線超時件數(shù)一定會逐步減少。

[1]中國鐵路總公司. 鐵總運[2014]29號 關(guān)于印發(fā)《CTCS-2級列控車載設(shè)備暫行技術(shù)規(guī)范》的通知[S].北京： 中國鐵路總公司，2014.

[2]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]211號 關(guān)于印發(fā)《CTCS-3級列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范（暫行）》的通知[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2012.

[3]中華人民共和國鐵道部.科技運[2010]138號 關(guān)于印發(fā)《列控中心技術(shù)規(guī)范》的通知[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2010.

[4]中華人民共和國鐵道部.科技運[2009]59號 關(guān)于印發(fā)《CTCS-3級列控系統(tǒng)測試案例（V3.0）》的通知[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2008.

[5]中國鐵路總公司.鐵總運[2014]30號 關(guān)于印發(fā)《CTCS-2/3級列控車載設(shè)備人機(jī)界面（DMI）顯示暫行規(guī)范》的通知[S].北京：中國鐵路總公司，2014.

[6]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]212號 關(guān)于印發(fā)《無線閉塞中心技術(shù)規(guī)范（暫行）》的通知[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2012.

[7]王猛，周宇輝.CTCS-3級列控系統(tǒng)無線超時問題分析[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2016，14（4）：28-32.

[8]中華人民共和國鐵道部.科技運[2008]168號 關(guān)于印發(fā)《CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R需求規(guī)范（V1.0）》的通知[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2008.

[9]中華人民共和國鐵道部. 科技運[2008]34號關(guān)于印發(fā)《CTCS-3級列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案（V1.0）》的通知[S]. 北京：中華人民共和國鐵道部，2008.