CTCS-3級列控系統(tǒng)等級轉(zhuǎn)換失敗原因分析及解決措施

韓宇

裝備CTCS-3級列控車載設(shè)備的列車在CTCS-3級線路上運行時，車載設(shè)備主要工作在CTCS-3等級，通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地信息實時雙向傳輸；在CTCS-2級線路上運行時，車載設(shè)備工作在CTCS-2等級，通過地面應(yīng)答器和軌道電路獲取行車相關(guān)信息［1-2］。列車從CTCS-2級線路向CTCS-3級線路運行時需進(jìn)行CTCS-2/3等級轉(zhuǎn)換，若等級轉(zhuǎn)換失敗則會影響列車的運行效率［3］。本文選取CTCS-2/3等級轉(zhuǎn)換失敗的典型案例進(jìn)行分析，并提出對應(yīng)的解決措施。

1 GSM-R車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)

GSM-R車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)示意見圖1。CTCS-3級列控系統(tǒng)通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車地信息雙向傳輸，RBC根據(jù)獲取的信息生成行車許可及線路描述等信息并傳送給ATP，ATP根據(jù)這些信息控制列車運行［4］。

圖1 GSM-R車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)示意

2 CTCS-2級轉(zhuǎn)CTCS-3級列控數(shù)據(jù)交互流程

列車運行經(jīng)過RBC連接應(yīng)答器組RL（用于列車呼叫RBC）收到通信管理信息包［ETCS-42］時［5］，ATP通過MT電臺呼叫RBC。CTCS-3級列控數(shù)據(jù)交互流程見圖2，車地建立無線通信連接的列控數(shù)據(jù)交互需經(jīng)過物理層、鏈路層、傳輸層、安全層和應(yīng)用層。物理層通過V.110幀同步實現(xiàn)；鏈路層由ATP發(fā)送建立異步平衡擴(kuò)展模式（Set Asynchronous Balanced Mode Extended，SABME），RBC回復(fù)無編號確認(rèn)（Unnumbered Acknowledge，UA）實現(xiàn)；傳輸層由ATP發(fā)起連接請求（Connection Request，CR），RBC回復(fù)連接確認(rèn)（Connection Confirmation，CC）實現(xiàn)；安全層由ATP發(fā)起安全協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一驗證消息（SaPDU AU1）實現(xiàn)；應(yīng)用層由ATP發(fā)起M155（通信會話啟動）包實現(xiàn)。列控數(shù)據(jù)以I Frame和RR Frame的形式進(jìn)行交互。ATP和RBC可通過RR Frame判斷列控數(shù)據(jù)的交互狀態(tài)，同時對I Frame進(jìn)行組包，組成完整的數(shù)據(jù)包之后解碼得到包含列控數(shù)據(jù)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實際的應(yīng)用層數(shù)據(jù)控制列車運行。

圖2 CTCS-3級列控數(shù)據(jù)交互流程

ATP將列車的行駛狀態(tài)信息（位置、速度等）通過位置報告發(fā)送給RBC，RBC根據(jù)當(dāng)前線路上前后車的行駛狀態(tài)生成行車許可并發(fā)送給車載ATP，行車許可中包含等級轉(zhuǎn)換位置信息［6］。根據(jù)行車許可信息，在列車接近等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行點時，車載ATP通過人機(jī)接口（DMI）提示司機(jī)列車將進(jìn)行等級轉(zhuǎn)換，并由司機(jī)確認(rèn)等級轉(zhuǎn)換信息［7］。列車越過等級轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器，自動轉(zhuǎn)換到CTCS-3等級運行。車地信息交互過程中任何一步信息交互失敗，都會導(dǎo)致列車無法轉(zhuǎn)換到CTCS-3等級運行。

3 等級轉(zhuǎn)換失敗原因分析及優(yōu)化措施

結(jié)合線路列車運營的經(jīng)驗，對幾種常見的等級轉(zhuǎn)換失敗原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

3.1 車載未發(fā)送SABME幀

2021年5月，2列安裝300S型ATP車載設(shè)備的動車組在不同時間和地點發(fā)生了等級轉(zhuǎn)換失敗。通過數(shù)據(jù)分析及試驗驗證，發(fā)現(xiàn)2次失敗均是由于300S設(shè)備無線控制單元（RIM）未發(fā)送SABME幀，導(dǎo)致車載ATP無法與RBC正常通信。

其中一列車經(jīng)過RL應(yīng)答器組，ATP控制電臺呼叫RBC，電臺呼叫成功并返回CONNECT 4800指令給ATP，因車載RIM和電臺之間的通信速率與RIM內(nèi)部的通信速率不一致，該AT指令在RIM內(nèi)部被分到2個周期接收，見圖3，導(dǎo)致RIM無法識別該AT指令，車載ATP認(rèn)為電臺呼叫RBC失敗，不發(fā)送SABME幀。

圖3 CONNECT 4800指令被拆分

另一列車是RIM收到電臺返回的CONNECT 4800指令后，同時收到電臺上報的大量異常亂碼數(shù)據(jù)。由于RIM中存儲AT指令的緩存區(qū)長度為256 B，當(dāng)RIM接收到大量的亂碼時，會導(dǎo)致AT指令接收緩存區(qū)越界，位于該緩存區(qū)后面的數(shù)據(jù)被改寫，引起軟件運行異常，造成車載ATP無法正常發(fā)送SABME幀。

該類問題可以通過車載RIM軟件升級解決：一是優(yōu)化RIM軟件識別邏輯，當(dāng)RIM從電臺接收的數(shù)據(jù)解析不完整時，保留該數(shù)據(jù)并與下一周期接收到的數(shù)據(jù)拼接成完整的AT指令后再進(jìn)行識別；二是增加RIM軟件防護(hù)邏輯，在接收函數(shù)中限制最大接收長度，確保RIM在收到大量異常數(shù)據(jù)時，AT指令接收緩存區(qū)不會越界，從而防止緩存區(qū)后面的數(shù)據(jù)被改寫。目前，該問題已結(jié)合300S設(shè)備V3.71.0018版軟件升級得到了解決。

3.2 車載多次發(fā)送SABME幀

2021年6月，一列安裝300S型ATP車載設(shè)備的動車組發(fā)生了等級轉(zhuǎn)換失敗。經(jīng)分析，ATP與RBC建立通信連接過程中，因RBC側(cè)收到多條SABME幀導(dǎo)致通信鏈路被異常釋放，通信會話建立失敗。

通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，車載ATP與RBC建立鏈路過程中，電臺正在進(jìn)行小區(qū)切換［8］，且下行鏈路存在7級質(zhì)差，車載ATP發(fā)送SABME幀，未收到RBC的UA確認(rèn)，后續(xù)車載ATP重發(fā)5次SABME幀，均未收到RBC的UA確認(rèn)。RBC在收到第2條SABME幀時，按協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對鏈路進(jìn)行重置，造成對現(xiàn)有的通信鏈路進(jìn)行了釋放。

在GSM-R無線通信系統(tǒng)中，小區(qū)切換是硬切換［9］，在切換過程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失或錯誤的情況，但可以通過高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議中的T1定時器或選擇拒絕幀［10］實現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳。該案例中，由于GSM-R小區(qū)切換點與地面RL應(yīng)答器組設(shè)置位置相近，因此在ATP與RBC建立通信連接過程中發(fā)生小區(qū)切換，造成RBC回復(fù)的UA確認(rèn)幀丟失，車載ATP在T1定時器超時前未收到UA確認(rèn)，重新發(fā)送SABME幀，最終重發(fā)了5次SABME幀。

據(jù)統(tǒng)計，2021年在該位置發(fā)生過3起等級轉(zhuǎn)換失敗，最終將該位置的GSM-R小區(qū)切換點進(jìn)行了更改，使其與地面RL應(yīng)答器組位置錯開，此問題得到解決。

3.3 RBC收到多條M155包

2021年12月，一列安裝300H型ATP車載設(shè)備的動車組發(fā)生了等級轉(zhuǎn)換失敗。經(jīng)分析，ATP呼叫RBC并發(fā)送M155包，因GSM-R小區(qū)切換造成ATP未收到RBC回復(fù)的M32包（系統(tǒng)版本），ATP請求RBC重傳，ATP收到RBC重傳的M32包，但因距ATP第一次發(fā)送M155包已過6 s（300H設(shè)備T1定時器超時時間），ATP再次發(fā)送M155包，RBC收到2次M155包后認(rèn)為消息不可接受，發(fā)起拆鏈，通信鏈路被斷開，導(dǎo)致列車無法轉(zhuǎn)入CTCS-3等級。

該問題有以下3種解決方案。

1）如果是由于GSM-R小區(qū)切換點與地面RL應(yīng)答器組設(shè)置位置相近，ATP未收到RBC的回復(fù)而多次重發(fā)幀或包，造成通信鏈路異常斷開的，可將這2個位置錯開設(shè)置。但經(jīng)現(xiàn)場勘察調(diào)整余量不足，且此問題并非集中出現(xiàn)在某個固定位置，該方案無法徹底解決該問題。

2）優(yōu)化300H設(shè)備軟件M155包重發(fā)機(jī)制，結(jié)合幀重傳機(jī)制適當(dāng)延長T1定時器時間。該方案需要對全路所有安裝300H設(shè)備的動車組都進(jìn)行軟件升級才能徹底解決該問題，升級工作量大。

3）優(yōu)化RBC軟件，針對通信會話建立過程，由原來只能接收1次M155包，改為在RBC收到列車發(fā)送的M155包并向列車發(fā)送了M32包之后，在沒有收到車載設(shè)備回復(fù)的M146確認(rèn)包之前，或沒有收到標(biāo)識通信會話建立完成的M159包之前，或RBC內(nèi)部交權(quán)沒有取消之前，這段時間內(nèi)（即重新接收M155包的窗口）支持再次收到M155包，并再次發(fā)送M32包。原有邏輯中M32包最多只能發(fā)送3次，超過3次還收不到確認(rèn)消息時，RBC仍會發(fā)送斷開安全連接請求。該方案既增強(qiáng)了RBC的適用性，又保留了對長時間收不到確認(rèn)消息的防護(hù)邏輯，且優(yōu)化RBC軟件涉及的改動較少。

綜上所述，最終選擇優(yōu)化RBC軟件方案，經(jīng)軟件優(yōu)化后此類問題得到了根本性的解決。

4 結(jié)束語

等級轉(zhuǎn)換失敗問題與無線通信超時問題一樣，是一個系統(tǒng)性問題，涉及車載ATP、GSM-R網(wǎng)絡(luò)、地面RBC等諸多環(huán)節(jié)。本文選取典型的等級轉(zhuǎn)換失敗案例，針對不同原因分別從ATP設(shè)備、GSM-R網(wǎng)絡(luò)和RBC設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，解決了現(xiàn)有問題，可為后續(xù)分析等級轉(zhuǎn)換失敗問題提供思路和方法。