CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中GSM-R車載通信系統(tǒng)的研究

黃 威，趙振杰

（北京首科中系希電信息技術(shù)有限公司研發(fā)中心，北京 100070）

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效益的重要系統(tǒng)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，世界上許多國(guó)家研制開發(fā)了自己的列控系統(tǒng)，其中在技術(shù)上比較有代表性且已投入使用的包括：日本的DS-ATC系統(tǒng)、法國(guó)TVM430系統(tǒng)、德國(guó)LZB系統(tǒng)、歐洲ETCS系統(tǒng)和中國(guó)CTCS列控系統(tǒng)。

中國(guó)目前已掌握了最高250 km/h速度的CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的全部技術(shù)和裝備，正在投入進(jìn)行CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和裝備的自主創(chuàng)新研究和開發(fā)工作。CTCS-3 級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是“十一五”科技支撐計(jì)劃“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”項(xiàng)目的重要研究?jī)?nèi)容之一。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的重要特點(diǎn)之一就是取消了CTCS-2級(jí)中基于軌道電路和查詢應(yīng)答器來傳送列控?cái)?shù)據(jù)，取而代之的是采用GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸車-地雙向列控?cái)?shù)據(jù)，使得在350 km/h的速度下車-地的信息傳輸可靠性得到了保障。

1 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是基于GSM-R無線通信實(shí)現(xiàn)車-地信息雙向傳輸，無線閉塞中心（RBC）生成行車許可，軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車定位，同時(shí)具備CTCS-2級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的功能。

CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)主要由地面部分和車載部分組成，其中地面部分主要包括：無線閉塞中心（RBC）、地面列控中心（TCC）、ZPW-2000（UM）系列軌道電路、應(yīng)答器（含LEU）、GSMR通信接口設(shè)備等子系統(tǒng)組成。

車載部分主要包括：車載安全計(jì)算機(jī)（VC）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）、軌道電路接收單元（TCR）、測(cè)速測(cè)距單元（SDU）、人機(jī)界面（DMI）、列車接口單元（TIU）、司法記錄單元（JRU）、GSM-R無線傳輸模塊（RTM）、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)接口等子系統(tǒng)組成。

2 GSM-R車載通信系統(tǒng)需求

車-地通信對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)有著極其重要的意義，GSM-R車載通信系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性、安全性和實(shí)時(shí)性直接關(guān)系到控車數(shù)據(jù)能否在無線閉塞中心（RBC）與機(jī)車之間的可靠傳輸，以致影響到列車能否在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的控制下安全、可靠的運(yùn)行。通信的故障將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)由CTCS-3級(jí)降級(jí)到CTCS-2級(jí)運(yùn)行。

機(jī)車向地面發(fā)送的信息主要包括一些固定的或變化的狀態(tài)信息，例如：列車車次、長(zhǎng)度等列車固有信息；列車運(yùn)行速度等動(dòng)態(tài)信息；設(shè)備工作狀態(tài)或故障信息；列車限制性信息等等。地面向機(jī)車發(fā)送的信息主要包括一些控車數(shù)據(jù)，例如：包含目標(biāo)距離、目標(biāo)速度的行車許可；有條件的或無條件的緊急停車；臨時(shí)限速；外部報(bào)警信息等等。

2.1 功能性需求

2.1.1 注冊(cè)注銷

RTM開機(jī)或從CTCS-2級(jí)列控區(qū)域進(jìn)入CTCS-3級(jí)列控區(qū)域時(shí)會(huì)自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)，在GSMR網(wǎng)絡(luò)識(shí)別并注冊(cè)成功，讀取存儲(chǔ)的RBC電話號(hào)碼，呼叫并建立安全鏈接，在RBC注冊(cè)車載設(shè)備的有效身份之后，具備了列控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臈l件。

RTM關(guān)機(jī)或從CTCS-3級(jí)列控區(qū)域降級(jí)到CTCS-2級(jí)列控區(qū)域時(shí)，RBC會(huì)注銷車載設(shè)備有效身份，然后斷開安全鏈接。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸

進(jìn)行CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)的收發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行初步判斷，對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。完成數(shù)據(jù)加解密、時(shí)間戳、超時(shí)機(jī)制、鑒權(quán)和認(rèn)證等等安全措施。

2.1.3 鏈路維護(hù)和通信接續(xù)

對(duì)通信鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在通信掉網(wǎng)或GSM-R電臺(tái)故障時(shí)，啟用備用電臺(tái)重新進(jìn)行建立通信鏈路。

RTM在單套或雙套GSM-R模塊正常的情況下，都能完成列車通過RBC管轄邊界時(shí)的RBC越區(qū)切換工作。

2.1.4 監(jiān)測(cè)和檢測(cè)

對(duì)RTM的各種操作控制、數(shù)據(jù)收發(fā)做記錄。對(duì)RTM的運(yùn)行狀態(tài)、供電狀態(tài)、工作環(huán)境溫度、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量等信息做監(jiān)測(cè)，記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

對(duì)RTM的各種記錄和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，記錄設(shè)備的各種工作狀態(tài)變化和異常信息，并將工作狀態(tài)變化和異常信息傳輸?shù)降孛嬷行?，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

接收庫(kù)檢臺(tái)發(fā)出檢測(cè)命令，RTM對(duì)自身做故障檢測(cè)、向庫(kù)檢臺(tái)回復(fù)檢測(cè)結(jié)果。

2.1.5 數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理

RTM中記錄數(shù)據(jù)的自動(dòng)維護(hù)和管理。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)維護(hù)和管理。

庫(kù)檢臺(tái)中庫(kù)檢數(shù)據(jù)的自動(dòng)維護(hù)和管理。

2.2 非功能性需求。

RTM應(yīng)實(shí)現(xiàn)或輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的非功能性需求如下：

關(guān)鍵設(shè)備的MTBF（Mean Time Between Failure）應(yīng)不小于106h，一般MTBF不小于105h。

核心設(shè)備的完整性等級(jí)（SIL）達(dá)到4級(jí)，系統(tǒng)TRH（Tolerable hazard rate）不大于10-9，并通過獨(dú)立安全認(rèn)證。

信息傳輸應(yīng)遵循ITU-T建議的X.224、T70等通信協(xié)議相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 通信指標(biāo)要求

移動(dòng)臺(tái)發(fā)起的連接建立時(shí)間：<8.5 s(95%)、<10 s(100%)

鏈接建立失敗概率：<10-2

最大端到端傳輸時(shí)延（30byte用戶數(shù)據(jù)）：≤0.5 s(99%)

鏈接丟失概率：≤10-2/h

傳輸干擾時(shí)間：<0.8 s(95%)、<1 s(99%)

傳輸無差錯(cuò)時(shí)間（傳輸恢復(fù)時(shí)間）：TREC：>20 s(95%)、>7 s(99%)

網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)時(shí)延：≤30 s(95%)、≤35 s(99%)、≤40 s(100%)

3 GSM-R車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的約束

車載通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的約束，是指設(shè)計(jì)中必須遵循和實(shí)現(xiàn)的條件。主要包括實(shí)現(xiàn)車載通信系統(tǒng)必須遵循的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其內(nèi)容包括車載通信系統(tǒng)相關(guān)功能和性能的限制要求，具體如下：

3.1 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)要求

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案以框架的形式，從工作模式、運(yùn)行場(chǎng)景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成和主要功能等各個(gè)方面規(guī)定了CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

車載通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要參考CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，研究車載通信系統(tǒng)在整個(gè)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中的位置、理解CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的各個(gè)部分的鏈接關(guān)系等。

車載通信系統(tǒng)的主要功能也要從列控系統(tǒng)的主要工作模式、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景、系統(tǒng)組成和設(shè)備功能中提取，再結(jié)合列控系統(tǒng)工作的流程、實(shí)際操作等情況進(jìn)行細(xì)化和完善。

3.2 CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口要求

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口要求中，規(guī)定GSM-R車載通信系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)之間的IGSM-R接口的接口組成、接口特性、接口定義、控制方式、控制流程等要求。

車載通信系統(tǒng)中設(shè)備與GSM-R網(wǎng)絡(luò)間接口的定義，物理、電氣、機(jī)械特性，車載通信系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸、信令流程等，都必須遵循這些要求。

3.3 可靠性,有效性,維修性和安全性要求

GSM-R車載通信系統(tǒng)在可靠性、有效性、維修性和安全性方面的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)遵循IEC62278標(biāo)準(zhǔn)，具體實(shí)現(xiàn)為：

確定系統(tǒng)的安全等級(jí)，對(duì)車載通信系統(tǒng)而言，由于有故障導(dǎo)向安全的措施，系統(tǒng)的故障等級(jí)可由特大級(jí)降低為重大級(jí)，但安全完整性級(jí)別至少應(yīng)達(dá)到3級(jí)。

制定車載通信系統(tǒng)各個(gè)部分的故障發(fā)生頻度和結(jié)果嚴(yán)重性等級(jí)的矩陣，將通信系統(tǒng)故障嚴(yán)重性與CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)故障嚴(yán)重性的對(duì)應(yīng)起來，并制定嚴(yán)重性等級(jí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施。

確定通信系統(tǒng)各個(gè)部分的可靠性、有效性、維修性和安全性要求，指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。在實(shí)現(xiàn)中規(guī)范流程和管理制度，確保各個(gè)部分在實(shí)現(xiàn)中達(dá)到各項(xiàng)服務(wù)指標(biāo)。

3.4 電磁兼容性要求

GSM-R車載通信系統(tǒng)在電磁兼容性方面遵循IEC62236-4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了鐵路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸和通訊設(shè)備的輻射和抗干擾性限制以及這些設(shè)備的性能指標(biāo)。

RTM位于機(jī)車上，所處的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，因此在各組成設(shè)備的電路設(shè)計(jì)、電源和濾波處理、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)、PCB和走線等等過程中都要考慮電磁兼容性方面的要求。

電磁兼容相關(guān)指標(biāo)包括：浪涌、脈沖群、靜電放電、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射等等，電磁兼容各項(xiàng)指標(biāo)都要符合該標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 通信安全性要求

GSM-R車載通信系統(tǒng)通信安全性方面遵循IEC62280-2標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了在開放的傳輸系統(tǒng)中有關(guān)通信安全的要求。

系統(tǒng)采用了發(fā)送端和接收端對(duì)等實(shí)體間的消息源認(rèn)證/消息完整性方法，確保安全鏈接的可靠建立和釋放，以及用戶數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和真實(shí)性，能有效的避免重復(fù)消息、刪除消息、插入消息、亂序消息、篡改消息、延時(shí)消息、虛假消息的干擾，保證了整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠安全。

4 GSM-R車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GSM-R車載通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，該系統(tǒng)由GSM-R無線傳輸模塊（RTM）、監(jiān)測(cè)服務(wù)器、庫(kù)檢臺(tái)和輔助設(shè)備（模擬ATP設(shè)備和模擬RBC設(shè)備）構(gòu)成。

圖1 GSM-R車載通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中GSM-R無線傳輸模塊（RTM）主要由GSM-R電臺(tái)和通信控制單元構(gòu)成，位于機(jī)車上；監(jiān)測(cè)服務(wù)器位于通信系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心；庫(kù)檢臺(tái)位于機(jī)務(wù)系統(tǒng)的檢修中心；模擬ATP設(shè)備和模擬RBC設(shè)備作為輔助設(shè)備用于需要做系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真、設(shè)備測(cè)試與調(diào)試、例行檢查和維修的地方。

車載通信系統(tǒng)各個(gè)部分的功能如下：

GSM-R電臺(tái)：負(fù)責(zé)接入GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，屬于MT2（Mobile Termination 2）類終端設(shè)備。

通信控制單元：負(fù)責(zé)無線通信的建立、通信鏈路的維護(hù)、通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)目刂啤?/p>

庫(kù)檢臺(tái)：負(fù)責(zé)為RTM做出入庫(kù)檢測(cè)，包括庫(kù)檢命令的發(fā)起、接收，庫(kù)檢數(shù)據(jù)的分析、顯示、存儲(chǔ)、管理等等。

監(jiān)測(cè)服務(wù)器：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)在線運(yùn)行機(jī)車的通信狀態(tài)和通信設(shè)備故障等信息，可監(jiān)測(cè)的車載通信單元的數(shù)量為RBC管轄范圍內(nèi)的最大機(jī)車數(shù)量。

模擬ATP設(shè)備：模擬CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中的ATP設(shè)備，負(fù)責(zé)ATP與通信控制單元的通信接口功能。

模擬RBC設(shè)備： 模擬CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中的RBC設(shè)備，負(fù)責(zé)RBC與通信控制單元的通信接口功能。

5 結(jié)束語

利用GSM-R進(jìn)行列控?cái)?shù)據(jù)的傳輸是CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)區(qū)別于CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的重要特征之一，GSM-R車載通信系統(tǒng)在整個(gè)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的GSM-R車載通信系統(tǒng)目前還處于研究和開發(fā)階段，要實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GSM-R車載通信系統(tǒng)，并成功的應(yīng)用于中國(guó)的高速鐵路，還需要進(jìn)行列車總線接口技術(shù)、監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)、高速環(huán)境適應(yīng)性、工藝與結(jié)構(gòu)等方面的研究。同時(shí)還需要在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、研究實(shí)現(xiàn)、工程實(shí)施、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)集成等方面結(jié)合中國(guó)鐵路的實(shí)際，不斷的創(chuàng)新與完善。

[1] CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)系統(tǒng)需求規(guī)范.科技運(yùn)[2008] 127號(hào)[S] .北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[2] CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范（V1.0）. 科技運(yùn)[2008] 168號(hào)[S] . 北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3] IEC 62278 Railway applications Specification and demonstration of reliability, availability, maintainability and safety (RAMS)First edition 2002, 9.

[4] IEC62236-4 Railway applicationsElectromagnetic compatibility Part 4: Emission and immunity of the signalling and telecommunications apparatus Edition 2.0 2008, 12.

[5] IEC 62280-2 Railway applications Communication, signalling and processingsystems Part 2Safety-related communicationin open transmission systems 2002, 10.