CTCS-3級列控系統電臺檢測工裝的研究和實踐

馬 駿，賴 平

據2020年國鐵集團年度公報統計,國內運營動車組數量已達3 918輛,合計裝備列控車載設備7 836套。隨著運營動車組數量的日益增長,列控車載設備的維護管理安全及效率,將直接影響及制約鐵路的安全高效運行。

CTCS-3級列控系統（以下簡稱“C3”）無線通信超時常有發生,會引起列控車載設備ATP輸出制動、列車減速運行乃至停車［1-2］,影響高鐵列車運營效率,已成為全路重點整治對象之一。

目前,安裝有車載通信設備空口在線監測系統［3］及地面通信設備三接口在線監測系統［4］的動車組,可實現高鐵列車運行時車地通信數據的在線監測及記錄。2種設備記錄的無線通信數據有助于分析定位故障的引起側,從而可進一步查找故障原因。針對C3無線通信通道的組成設備,若可以通過檢測工具進行相關設備上線前的功能及性能檢測,就可彌補現有檢測手段,以減少無線超時故障的發生。因此,中國鐵路武漢局集團有限公司武漢電務段聯合北京中科智匯科技有限公司,共同研究C3無線通信超時車載設備側的設備檢測工裝及維護方法,通過對車載設備MT模塊（電臺）功能及性能的檢測,分級追蹤管理電臺的上道使用情況,有效規避異常電臺的上道運行,減小因異常電臺上道引起無線通信超時故障的概率,提高C3列控系統運營效率。

1 無線超時故障類型

2018年武漢局全年CTCS3-300S型,CTCS3-300H型ATP無線超時故障分別為256件和72件,故障類型［5-6］統計見表1。

表1 2018年無線超時故障統計

由表1可知,MT模塊問題在ATP無線通信超時故障中占有較大比例,分別為40.2%和34.7%,因此,設計電臺檢測工裝,檢測電臺的功能及性能,根據優、良、劣、差的檢測結果,選擇性能優良的電臺上道,將會減少ATP車載設備無線通信超時故障的發生次數。

2 電臺檢測工裝需求

基于目前武漢局上道使用及試用的電臺情況,GSM-R電臺檢測工裝需能檢測SELEX、SA?GEM、FUNKWERK和桑達4種型號［7］的電臺。

電臺檢測工裝需對電臺的供電、IGSM-R接口、空口性能等進行檢測。其中空口性能主要包括發射功率、相位誤差（均方根與峰值）、頻率誤差、輸出頻譜特性、功率時間比（模板）、接收靈敏度、誤碼率等指標［6-7］,具體檢測需求如下。

1）發射功率：檢測電臺空口信號功率的最大值、最小值、平均值,并反饋所有檢測值是否在設置的范圍內。

2）相位誤差：檢測電臺空口信號均方根及峰值相位誤差的最大值、最小值、平均值,并反饋所有檢測值是否在設置的范圍內。

3）頻率誤差：檢測電臺空口信號頻率誤差的最大值、最小值、平均值,并反饋所有檢測值是否在設置的范圍內。

4）輸出頻譜特性：檢測電臺輸出的調制頻譜和開關頻譜,比較調制頻譜和開關頻譜的每一根譜線是否在歐洲電信標準協會（ETSI）規定的TIME-Plate的下方。

5）功率時間比：檢測電臺正常突發脈沖的功率時間比是否在規定模板的包絡曲線內。

6）接收靈敏度：檢測電臺接收外部信號的靈敏度,并比較其與設置值的符合性。

7）誤碼率：檢測電臺接收和發送空口信號的誤碼率,并比較其與設置值的符合性。

將檢測出的指標與規范［7］比較,自動輸出檢測結果是否合格。同時,檢測工裝需具備數據管理、檢索、趨勢分析功能,以便對上道使用的車載電臺進行全生命周期管理。

3 檢測工裝功能實現

3.1 電臺檢測工裝結構

電臺檢測工裝包括供電及通信控制單元、MT綜合檢測單元、控制主機和顯示操作終端4個部分。供電及通信控制單元主要用于電臺的供電及IGSM-R接口通信；MT綜合檢測單元主要用于電臺的空口連接及上位機控制指令交互；控制主機主要用于整個測試流程邏輯的控制及數據收集、判斷、存儲分析等；顯示操作終端主要用于界面的顯示及操作按鈕輸入采集。電臺檢測工裝結構見圖1。

圖1 電臺檢測工裝結構

3.2 功能實現

3.2.1 支持2個電臺同時檢測

為提高電臺的檢測效率,檢測工裝可同時檢測2個不同種類或相同種類的電臺。通過軟件界面,可選擇當前測試電臺模式為電臺1測試、電臺2測試或2個電臺同時測試。

3.2.2 支持所有信道測試

檢測工裝具有信道選擇功能,可支持測試GSM-R網絡的所有21個信道。在測試過程中,通過控制MT綜合檢測單元的工作信道,實現對電臺工作信道射頻性能的檢測；當電臺某一信道的性能指標檢測完成后,進行下一信道的檢測；當電臺所有信道的射頻指標均正常時,說明電臺性能正常［1,8］。

3.2.3 IMEI讀取功能

IMEI號為電臺的唯一用戶標識號,電臺檢測工裝通過電臺的通信接口與其進行AT指令交互,一方面可以檢測電臺的通信接口功能,另一方面可以讀取MT電臺的唯一15位用戶標識號,便于電臺的維護跟蹤管理。

3.2.4 MT射頻功能檢測

MT射頻功能檢測主要從MT與網絡的空口交互上,對MT的發射機和接收機性能進行檢測。

1）MT發射機檢測：相位誤差（均方根與峰值）、發射功率、功率時間比（模板）、最大峰值功率、載波頻率誤差和輸出頻譜特性。

2）MT接收機檢測：誤碼率、接收靈敏度。

MT射頻功能檢測主要依據MT綜合檢測單元進行相關射頻性能指標檢測,對MT電臺拔電話過程的射頻性能進行監測,并與正常范圍進行對比。

3.2.5 MT控制功能檢測

根據檢測功能的需要,通過IGSM-R接口控制MT進行網絡注冊、呼叫建立、呼叫釋放,以及利用MT檢測數據傳輸。

3.2.6 檢測自動化功能

電臺的整個測試過程,分為參數設置和一鍵啟動測試。

參數設置時,由操作人員根據被測對象,設置電臺類別及接口參數。

一鍵啟動測試時,操作人員只需點擊一次鼠標,系統即可自動完成所有的檢測項目,并根據標準和規范的要求,自動輸出檢測結果,生成檢測報告,支持在線打印及歷史檢測記錄打印。在系統自動檢測過程中,軟件采用實時通信控制的方法,更改電臺及MT綜合檢測單元的工作模式。

3.2.7 趨勢預測功能

檢測工裝使用數據庫對檢測結果進行存儲管理,并配置性能劣化分析功能。操作人員可查詢每個MT的檢測記錄,查看檢測結果的統計和性能劣化趨勢分析,輔助維護人員進行維修決策。

4 電臺上道使用管理辦法

通過電臺檢測工裝對在用和備用電臺進行周期性檢測,可掌握電臺的性能變化趨勢,有效減少異常電臺上道使用。但電臺的性能指標沒有一個絕對的界限,無法確定哪些指標不合格就不能上道使用。無線通信質量的好壞涉及電臺的發送機、接收機、天線的參數,地面基站的發送機、接收機、天線參數以及空間電場、磁場干擾強度等多個因素［9-10］,既存在電臺單個指標異常但整體組合表現正常的情況,也存在雖然電臺指標正常,但整體組合表現異常的情況。

對于檢測指標異常情況,一方面因為單一指標異常的數量會較多,如若控制不上道使用,成本太高,管理方法不合理；另一方面可能因為其他的因素仍然會出現故障。因此,無法歸納總結出單獨的界限去控制電臺上線運用。為此本文提出一個較為合理的規則及管理辦法。

1）根據電臺檢測指標偏離正常范圍的大小進行電臺性能等級的劃分,當所有指標檢測均正常時,標記為A級,可正常上道使用。

2）當電臺檢測有1項指標異常,且不超過正常指標的50%,將電臺標記為B1級；若有2項指標異常,且均不超過正常指標的50%,則將電臺標記為B2級。需跟蹤使用這2類電臺,增強故障時的應急管理手段,以降低發生故障時的影響。

3）當電臺檢測有3項或高于3項指標異常時,或單項指標偏差幅度超過正常指標50%時,則將電臺標記為C級,盡可能不上道使用。

5 應用情況

自2019年4月起至今,針對引起C3無線通信超時故障為電臺原因的情況,采用電臺檢測工裝對MT電臺全信道的各個射頻性能指標進行檢測,發現電臺指標確有下降,性能異常。部分記錄見表2。

表2 無線超時故障電臺檢測情況

針對上道電臺進行周期性輪換測試,以此提高A級電臺上道使用的覆蓋率,減少因電臺故障引起的無線超時發生率。通過現場實際應用表明,本文提出的電臺檢測維護方法對無線通信超時車載側原因的減少起到一定作用。

6 研究結論

從車載設備側電臺的功能及性能檢測維護出發,通過設計檢測工裝,控制及追蹤電臺上道使用情況,最終減少車載設備側電臺的無線超時發生率。武漢局經過2年的運維管理實踐,通過現場使用數據表明,電臺檢測工裝及維護方法初有成效。