CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線通信超時(shí)研究

陳 曦，馬 劍，黃文宇

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)應(yīng)用中,車地信息傳輸超時(shí)問(wèn)題時(shí)有發(fā)生,發(fā)生無(wú)線通信超時(shí)（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)線超時(shí)”）后,ATP車載設(shè)備將輸出常用制動(dòng),待列車運(yùn)行速度降至CTCS-2級(jí)允許速度時(shí),提示司機(jī)確認(rèn),系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換為CTCS-2級(jí)控車,導(dǎo)致允許速度降低,影響列車運(yùn)行整體時(shí)間和后續(xù)列車運(yùn)行［1］。因此解決無(wú)線超時(shí)問(wèn)題,在故障預(yù)防、降低設(shè)備故障率以及減小列車運(yùn)行影響等方面占據(jù)越來(lái)越重要的地位,并且也能為今后發(fā)展完全基于無(wú)線傳輸?shù)腃TCS-4級(jí)列控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

隨著CTCS-3級(jí)線路的大量應(yīng)用,引起無(wú)線超時(shí)的原因也呈現(xiàn)多樣性,如ATP設(shè)備運(yùn)用不穩(wěn)定、ATP電臺(tái)問(wèn)題、RBC或ATP軟件缺陷、通信GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備障礙、外部無(wú)線電磁環(huán)境干擾等［2］。其中,ATP電臺(tái)問(wèn)題是引起無(wú)線超時(shí)的重要原因之一,占無(wú)線超時(shí)總量的40%。因此本文主要針對(duì)由ATP電臺(tái)異常引起的無(wú)線超時(shí)問(wèn)題進(jìn)行分析,并提出優(yōu)化方案。

1 GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)車載側(cè)組成

GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)車載側(cè)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,主要由主控單元、無(wú)線傳輸單元、電臺(tái)單元組成。其中主控單元負(fù)責(zé)命令的生成和處理；無(wú)線傳輸單元實(shí)現(xiàn)車地GSM-R無(wú)線通信傳輸協(xié)議,保證車地安全數(shù)據(jù)的可靠傳輸；電臺(tái)單元負(fù)責(zé)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接［3］。

圖1 GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)車載側(cè)結(jié)構(gòu)

根據(jù)《CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)與鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM-R接口規(guī)范》（TB/T 3382—2016）,ATP通過(guò)IGSM-R接口與電臺(tái)單元通信。IGSM-R接口用于傳輸無(wú)線傳輸單元與電臺(tái)單元間的呼叫建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、呼叫清除等信息［4］。記錄模塊可以通過(guò)監(jiān)測(cè)IGSM-R接口,記錄ATP與電臺(tái)單元的交互數(shù)據(jù),以便于進(jìn)行故障分析。

本文主要基于IGSM-R接口監(jiān)測(cè)到的記錄數(shù)據(jù),對(duì)電臺(tái)MT模塊發(fā)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2 正常交互流程

無(wú)線傳輸單元控制電臺(tái)單元建立與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的連接,以及建立和拆除與地面設(shè)備RBC的連接,因此無(wú)線傳輸單元與電臺(tái)單元之間需進(jìn)行相關(guān)的電路信號(hào)與控制命令交互。正常交互流程見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)線傳輸單元與電臺(tái)單元交互流程

1）根據(jù)TB/T 3382—2016標(biāo)準(zhǔn),電臺(tái)MT模塊啟動(dòng)后,通過(guò)檢測(cè)CT 105、CT 108電路信號(hào)和發(fā)送CT 107電路信號(hào)與無(wú)線傳輸單元進(jìn)行握手,分別表明電臺(tái)MT模塊和無(wú)線傳輸單元已啟動(dòng)完成,準(zhǔn)備好發(fā)送或者接收控制命令。握手完成后,無(wú)線傳輸單元通過(guò)發(fā)送AT命令,對(duì)電臺(tái)MT模塊進(jìn)行初始化設(shè)置,所有AT命令均依據(jù)3GPP GSM 07.07規(guī)則［5］。初始化內(nèi)容包括設(shè)置電臺(tái)回顯格式,如啟用網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)未經(jīng)請(qǐng)求的結(jié)果代碼、運(yùn)營(yíng)商顯示格式、進(jìn)入在線數(shù)據(jù)模式、結(jié)果代碼顯示格式等；查詢電臺(tái)屬性,如使用的運(yùn)營(yíng)商、IMEI號(hào)碼、IMSI號(hào)碼等。

2）無(wú)線傳輸單元周期性對(duì)電臺(tái)MT模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢,包括網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)和信號(hào)強(qiáng)度,并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài),判斷網(wǎng)絡(luò)是否具備連接條件。當(dāng)無(wú)線傳輸單元接收到主控單元的呼叫指令時(shí),如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)為已注冊(cè),則通過(guò)撥叫RBC的電話號(hào)碼進(jìn)行呼叫建立連接,建立成功后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式,此時(shí)電臺(tái)將對(duì)ATP的數(shù)據(jù)進(jìn)行透明傳輸。

3）當(dāng)無(wú)線傳輸單元需要斷開(kāi)與地面連接時(shí),通過(guò)發(fā)送電路信號(hào)CT 108進(jìn)行掛斷,電臺(tái)完成呼叫清除后,向無(wú)線傳輸單元發(fā)送電路信號(hào)CT 109,表明進(jìn)入命令模式。

3 電臺(tái)軟故障

基于上述正常交互流程,對(duì)IGSM-R接口的記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),分析電臺(tái)常見(jiàn)的故障。

電臺(tái)單元內(nèi)包含2個(gè)電臺(tái)MT模塊,每個(gè)電臺(tái)均能夠通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)與RBC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)其中1個(gè)電臺(tái)發(fā)生故障時(shí),會(huì)導(dǎo)致RBC交權(quán)區(qū)大量的無(wú)線超時(shí)和降級(jí)問(wèn)題,并且多出現(xiàn)同日、同車次多次無(wú)線超時(shí)情況［6］。

電臺(tái)軟故障是導(dǎo)致單電臺(tái)故障的重要原因之一,指在列車運(yùn)行過(guò)程中,電臺(tái)MT模塊出現(xiàn)異常,無(wú)法正常工作,然而該電臺(tái)單元入庫(kù)檢測(cè)時(shí),重新啟動(dòng)電臺(tái)后發(fā)現(xiàn)電臺(tái)均無(wú)異常。電臺(tái)軟故障現(xiàn)象包括啟動(dòng)時(shí)無(wú)法進(jìn)行握手、啟動(dòng)后或運(yùn)行中無(wú)法注冊(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)、無(wú)法進(jìn)行初始化設(shè)置、持續(xù)無(wú)法呼叫建立連接、斷開(kāi)連接后無(wú)法進(jìn)入命令模式等。

由于缺乏對(duì)電臺(tái)內(nèi)部運(yùn)行邏輯的分析,無(wú)法深入確定故障原因,導(dǎo)致單電臺(tái)引起的無(wú)線超時(shí)故障頻發(fā)［7］,而電臺(tái)軟故障經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析也無(wú)明顯規(guī)律。因此,系統(tǒng)性梳理電臺(tái)軟故障的場(chǎng)景,依據(jù)場(chǎng)景優(yōu)化流程,成為了解決該問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

4 優(yōu)化方案

采用在運(yùn)行過(guò)程中單獨(dú)重新啟動(dòng)電臺(tái)方案,對(duì)部分軟故障導(dǎo)致的無(wú)線超時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

無(wú)線傳輸單元支持使用電路信號(hào)和AT命令,對(duì)電臺(tái)MT模塊進(jìn)行主動(dòng)重啟,以達(dá)到冗余的目的。在邏輯設(shè)計(jì)上,首先使用重啟電路信號(hào)觸發(fā)電臺(tái)重啟；若重啟電路信號(hào)故障,再使用重啟AT命令信號(hào)觸發(fā)電臺(tái),從而提高重啟功能的健壯性。幾種常見(jiàn)的電臺(tái)軟故障重啟方案如下。

1）電臺(tái)啟動(dòng)后無(wú)法完成電路信號(hào)握手重啟流程見(jiàn)圖3。無(wú)線傳輸單元在啟動(dòng)后,持續(xù)監(jiān)聽(tīng)CT 107電路信號(hào),并啟動(dòng)定時(shí)器Trb1,當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)仍然未接收到電臺(tái)的握手電路信號(hào),則重新啟動(dòng)電臺(tái)。

2）電臺(tái)啟動(dòng)或重啟后無(wú)法完成初始化設(shè)置重啟流程見(jiàn)圖4。無(wú)線傳輸單元通過(guò)電路信號(hào)成功與電臺(tái)握手后,通過(guò)AT命令對(duì)電臺(tái)進(jìn)行初始化設(shè)置。在初始化設(shè)置的過(guò)程中,電臺(tái)回復(fù)ERROR或者不回復(fù)均會(huì)被統(tǒng)計(jì),當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)這2種情況的次數(shù)Nrb1達(dá)NRB1時(shí),則重新啟動(dòng)電臺(tái)。

3）電臺(tái)持續(xù)無(wú)法注冊(cè)到GSM-R網(wǎng)絡(luò)重啟流程見(jiàn)圖5。無(wú)線傳輸單元會(huì)周期性向電臺(tái)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)查詢AT命令“AT+CREG？”,電臺(tái)會(huì)回復(fù)當(dāng)前注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)“+CREG：1,x”,其中x的值為1,表示正確注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò),否則表示未正確注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)。因此,當(dāng)無(wú)線傳輸單元檢測(cè)到電臺(tái)未注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)時(shí),將啟動(dòng)定時(shí)器Trb2；若定時(shí)器到期時(shí),電臺(tái)仍然未注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò),則重新啟動(dòng)電臺(tái)。

4）電臺(tái)持續(xù)無(wú)法呼叫成功重啟流程見(jiàn)圖6。無(wú)線傳輸單元接收到主控單元的呼叫指令后,向電臺(tái)發(fā)送撥號(hào)命令“ATD”,此時(shí)由電臺(tái)自身完成呼叫建立連接。當(dāng)呼叫成功后,電臺(tái)會(huì)向無(wú)線傳輸單元回復(fù)“CONNECT”。然而在異常情況下,電臺(tái)會(huì)回復(fù)“NO CARRIER”或者不響應(yīng)。對(duì)此設(shè)計(jì)了2種重啟情況：①如圖6（a）所示,當(dāng)電臺(tái)接收到NRB 2次“NO CARRIER”時(shí),則重新啟動(dòng)電臺(tái)；②如圖6（b）所示,當(dāng)首次向電臺(tái)發(fā)送撥號(hào)命令時(shí),啟動(dòng)Trb3定時(shí)器,若定時(shí)器到期時(shí)電臺(tái)仍然未回復(fù)“CONNECT”,則重新啟動(dòng)電臺(tái)。

圖6 電臺(tái)無(wú)法呼叫成功重啟流程

5）電臺(tái)呼叫清除后無(wú)法進(jìn)入命令模式重啟流程見(jiàn)圖7。當(dāng)無(wú)線傳輸單元與地面斷開(kāi)連接后,通過(guò)發(fā)送CT 108電路信號(hào)對(duì)電臺(tái)進(jìn)行呼叫清除操作,電臺(tái)完成呼叫清除后,應(yīng)向無(wú)線傳輸單元發(fā)送CT 109電路信號(hào),表明進(jìn)入命令模式。在無(wú)線傳輸單元發(fā)送CT 108信號(hào)的同時(shí),啟動(dòng)Trb4定時(shí)器,若定時(shí)器到期仍然未收到電臺(tái)回復(fù)的CT 109電路信號(hào),則重新啟動(dòng)電臺(tái)。

圖7 電臺(tái)呼叫清除后無(wú)法進(jìn)入命令模式重啟流程

5 優(yōu)化方案效果

以武漢局發(fā)生無(wú)線超時(shí)的年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例,軟件升級(jí)后,CTCS3-300S型ATP發(fā)生無(wú)線超時(shí)較升級(jí)前減少了約30%,進(jìn)一步從ATP車載電臺(tái)數(shù)據(jù)分析,因電臺(tái)重啟后恢復(fù)的無(wú)線超時(shí)占比為34%,大大降低了單電臺(tái)故障的發(fā)生。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)車載側(cè)組成和正常交互流程,提出了電臺(tái)軟故障具體的優(yōu)化方案,在一定程度上解決了無(wú)線超時(shí)問(wèn)題。隨著分析和整治工作的不斷深入,可以預(yù)見(jiàn),我國(guó)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的無(wú)線超時(shí)問(wèn)題必然能夠得到有效控制。