CTCS-3級列控系統無線通信超時原因分析

管文軍，梁立濤，馬雪燕

CTCS-3級列控系統車載設備通過GSM-R無線網絡,實現與無線閉塞中心RBC的信息交互,控制列車安全運行。針對當前無線通信超時發生率較高,故障分析與定位困難,嚴重影響動車組運輸組織和效率等問題,本文建立了一套無線通信超時故障處理與數據分析流程,以期提高車載無線通信系統的維護效率。

1 車載無線通信系統

車載無線通信系統示意見圖1,主要包括車載無線控制單元、GSM-R無線通信單元和GSM-R天線。車載無線控制單元負責處理無線安全數據,并對無線傳輸通道進行加、解密；GSM-R無線通信單元對接收數據進行調制解調,實現信息的雙向傳輸,包括電源模塊、電臺模塊及記錄模塊等；GSM-R天線位于動車組車體頂部,是車載設備無線通信的收發器［1］。

圖1 車載無線通信系統示意

無線通信系統數據是分析無線通信問題的主要依據,包括車載無線通信數據和地面無線通信數據。無線通信系統接口分布示意見圖2。

圖2 無線通信系統接口分布

2 無線通信超時判斷邏輯

CTCS-3級無線通信超時是指車載設備與地面設備在規定的時間內,沒有收到對方發送的應用層消息。規定時間是由無線報文Packet-3（配置參數信息包）中的T_NVCONTACT（無新的安全消息最大時間）變量定義的,一般線路定義為20 s。當車地無安全連接時間超過T_NVCONTACT定義時間時,DMI提示無線通信超時制動,車載設備輸出最大常用制動。在制動過程中車載主控單元控制電臺最多嘗試3次呼叫RBC設備以建立連接。

無線通信超時邏輯優化前,列車制動至CTCS-2級允許速度以下,DMI即提示降級C2。為了增加車載電臺與RBC成功建立連接的概率,降低降級C2的概率,無線通信超時邏輯增加了制動時間和列車降至最低速度的判斷。當列車制動時間大于40 s或當前速度小于50 km/h時,DMI提示降級C2,司機確認后車載設備轉入C2等級,同時制動緩解。列車速度小于50 km/h即提示轉入C2等級,能夠有效減少因無線通信超時導致的制動停車次數。優化后的邏輯能夠有效降低無線通信超時故障對350 km/h鐵路線路運輸秩序和生產效率的影響［2-4］。

3 無線通信超時故障處理與數據分析

3.1 無線通信超時故障處理流程

對于車載設備維護人員來說,標準的無線通信超時處理流程能夠有效提高維護質量和效率。通過DMS監測報警信息或是接收到無線通信超時反饋信息后,需聯系通信段G網中心、空口監測廠家實時下載無線接口數據進行聯合分析,待動車組入庫后下載車載數據進行對比分析。無線通信超時故障處理流程見圖3。

圖3 無線通信超時故障處理流程

3.2 無線通信超時數據分析流程

通過故障數據對故障點進行分析定位,是故障處理流程中的關鍵環節,也是維護的難點。對于無線通信系統,單獨的數據往往還不夠,需要進行綜合的閉環分析才能最終定位故障點。當車載主控單元數據、車載無線控制單元數據、GSM-R無線通信單元數據,以及Igsm-r、Um、A、Abis、PRI等接口數據齊全時,無線通信超時基本分析流程［5］如下。

1）分析車載主控單元數據、車載無線控制單元數據、GSM-R無線通信單元數據等,確認車載側是否記錄相應硬件故障代碼,車載無線控制單元運行是否正常,電臺網絡注冊是否穩定,是否按規定發送和接收相應數據包等。

2）分析Igsm-r接口數據,根據AT命令判斷車載無線控制單元和電臺之間信息交互是否存在異常。

3）分析Um接口、Abis接口,判斷基站與電臺是否按周期發送系統消息,電臺是否按周期上報測量報告,電臺測量的鄰區電平是否正常,判斷故障時的無線網絡環境是否正常,是否存在網絡干擾。

4）分析Igsm-r接口、Um接口、Abis接口、A接口、PRI接口拆鏈方向和拆鏈原因,判斷拆鏈發起方,根據拆鏈原因分析故障可能原因。

5）分析Abis接口、A接口的信令交互過程,查看故障時刻是否發生在小區切換過程中,小區切換過程是否正常,小區切換后上下行指標是否正常,有無小區回切等情況。

6）分析Um接口、PRI接口數據幀的交互過程,查看車地雙方是否按規定發送和正常收到相應的幀類型和數據包,是否存在數據幀長度異常、時鐘同步失敗、CRC漏檢等,最終定位超時原因。

4 無線通信超時分類

根據數據分析結果和維護經驗,將無線通信超時故障按發生部位進行分類。不同車型車載無線通信設備雖然名稱和組成略有不同,但基本功能和控制邏輯通用。將300T、300S、300H型車載設備使用的電臺分SAGEM電臺和FWK電臺2種,功能和邏輯基本一致,本文分析的典型故障2種電臺均適用。

4.1 車載無線控制單元故障

由于300T、300S、300H型車載設備無線控制單元在硬件設計上有差異,模塊故障的影響也不同,故在故障發生時,需根據報警信息故障代碼更換相應的模塊。

300T型車載無線控制單元STU為非冗余設計,STU故障時會導致列車無法以CTCS-3等級運行。

300S型車載無線控制單元RIM分為主RIM-N和備RIM-R,300H型車載無線控制單元RTM分為RTM 1和RTM 2,當且僅當2個RIM模塊或RTM模塊故障時,才會導致列車無法以CTCS-3等級運行,其中1系故障時會導致列車單電臺過RBC交權區。

4.2 GSM-R無線通信單元故障

GSM-R無線通信單元的2個移動終端電臺MT經過RBC交權區時交替使用,其中1個電臺故障會導致單電臺過交權區［6］。

4.2.1 電臺異常重啟

列車運行中車載電臺異常重啟時,車載主控單元數據記錄為車地信息交互突然中斷,電臺數據記錄為“AT Command：SAGEM MRM GPRM 1：BOOTING/r/n”,“BOOTING”出現在剛啟機過程中屬正常情況,如果在運行過程中出現說明電臺異常重啟。故障時刻ATP→MT發送的數據幀在Igsm-r接口數據和Um接口數據中無法對應,說明數據幀經過電臺后未發送成功。Abis接口測量報告記錄上行通信質量降至7,上行電平值降至-110 dBm,表示上行方向（車到地為上行方向,反之為下行方向）電臺發送信號強度最低,通信質量最差［7］。列車運行中發生電臺異常重啟屬于軟件運行異常,需要通過軟件升級解決。

4.2.2 電臺發送信號強度異常

電臺發送信號強度由通信基站進行測量并記錄。車載主控單元數據記錄列車多次發送Msg136位置報告但收不到回復；Igsm-r接口數據與車載主控單元數據相對應；Um接口數據記錄上行數據亂碼或是收不到數據,與Igsm-r接口數據不能對應；Abis接口測量報告記錄上行電平值和通信質量均降低,由于下行測量報告需通過上行鏈路發送至基站記錄,因此基站無法繼續記錄下行質量；A接口記錄拆鏈情況；PRI接口記錄車載發送至RBC的數據亂碼,導致CRC校驗錯誤或數據未發送至PRI接口。在排除網絡干擾的情況下,應是電臺發送信號強度異常,可通過更換電臺模塊解決。

4.2.3 電臺不發送測量報告

由于電臺軟件偶發異常,導致車載電臺出現不響應車載無線控制單元的AT指令、異常發送“DR”和“DISC”拆鏈指令,以及完成小區切換后在目標小區不發送測量報告等故障,實際維護中電臺在目標小區不發送測量報告的問題發生較多。

電臺根據基站發送的系統消息周期性測量下行質量,并將測量的下行電平以測量報告的形式周期性發送給基站。測量報告停發時,車載主控單元、Igsm-r接口、電臺數據記錄正常,Um接口數據監測到上行方向未按周期發送測量報告,Abis接口記錄上行數據幀異常、下行正常,A口數據記錄拆鏈指令及原因,PRI接口記錄上行數據幀異常、下行正常,車地無安全連接超過規定時間后,即發生無線通信超時故障［8］。小區切換后電臺不發送測量報告屬于軟件類異常,需通過升級電臺底層軟件解決。

4.2.4 SIM卡網絡注冊異常

電臺在上電初始化階段通過SIM卡在網絡上進行注冊。車載主控單元數據記錄“一個電臺注冊到網絡”,DMI網絡注冊標志異常,Igsm-r接口的AT命令看不到電臺MT發送的網絡注冊信息或網絡注冊狀態為拒絕；Um接口數據記錄故障電臺不起呼,無位置更新消息；Abis接口測量報告記錄故障時刻不上傳測量報告。Abis、A、PRI接口記錄故障電臺無位置更新、無呼叫記錄。SIM卡網絡注冊異常排除網絡原因后,可認為SIM卡、SIM卡槽異常,需通過更換相應組件消除故障［9］。電臺數據記錄SIM卡相關故障,常見故障代碼見表1。

表1 SIM卡常見故障代碼

4.3 車地結合部問題

隨著維護單位對無線通信超時問題分析的深入和全力整治,車載無線控制單元、GSM-R無線通信單元硬件問題得到明顯改善,軟件問題通過升級正在逐步解決。目前,發生在車地結合部的問題凸顯出來。常見車地結合部問題有小區回切、通信信道上停止發送信息、不響應小區切換信令、異常拆鏈等。該類故障一般為偶發性軟件問題,不影響后續列車運行,故障無法復現,分析時需對照車地間信息交互流程進行詳細的追蹤分析,根據信令數據交互步驟中出現錯誤的時間節點和中斷點確定故障位置［10］。

5 結束語

通過建立一套無線通信超時故障處理及數據分析流程,從車載側對無線通信超時進行了分類研究,對故障處理和定位具有指導意義。目前,由于無法完全掌握進口電臺軟件的核心技術,因此需要逐步推進電臺自主化工作,以解決電臺相關的軟件故障,從而進一步降低電臺軟件相關的無線通信超時發生率。