高速綜合檢測列車CTCS-3級列控動(dòng)態(tài)檢測系統(tǒng)

■ 謝保鋒 高利民 孟景輝 王曉東 劉玉江 楊樹忠

1 概述

CTCS-3級列控系統(tǒng)（簡稱C3）是保證高速鐵路列車安全、高效運(yùn)行的核心裝備，該系統(tǒng)已在武廣、鄭西、滬杭、滬寧等高速鐵路成功應(yīng)用，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，C3將得到更多應(yīng)用。在動(dòng)車組高速運(yùn)行狀態(tài)下，為了對其C3車載和地面設(shè)備功能、性能及各系統(tǒng)之間接口關(guān)系進(jìn)行測試和驗(yàn)證，以及開通后服役階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和隱患，掌握設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)變化情況，為信號設(shè)備維修維護(hù)工作提供可靠、全面的決策支持信息，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，需要高速綜合檢測列車技術(shù)裝備提供支撐。2009年，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)項(xiàng)目立項(xiàng)“最高試驗(yàn)速度400 km/h高速檢測列車關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備研制”，開展對動(dòng)車組高速運(yùn)行條件下C3車載測試方法和技術(shù)進(jìn)行研究，并研制基于高速動(dòng)車組平臺(tái)的C3檢測系統(tǒng)。

2 檢測項(xiàng)目和主要功能

C3檢測系統(tǒng)功能視圖見圖1。

2.1 實(shí)時(shí)檢測分析及診斷功能

（1）軌道電路。實(shí)現(xiàn)ZPW2000（UM）軌道電路信號傳輸特性和頻譜特性的檢測、分析診斷功能。主要包括：軌道電路信號電壓幅值、軌道電路調(diào)諧區(qū)位置、軌道電路鄰區(qū)段、鄰線路干擾、工頻信號干擾和軌道電路信號載頻、低頻及能量分布。

（2）補(bǔ)償電容。對補(bǔ)償電容位置、步長及補(bǔ)償電容失效、缺失等參數(shù)的檢測、分析診斷。

圖1 C3檢測系統(tǒng)功能視圖

（3）軌道電路不平衡電流及諧波分量。對軌道電路不平衡電流大小、不平衡率及各次諧波分量的檢測、分析診斷。

（4）應(yīng)答器。對應(yīng)答器位置測試；應(yīng)答器報(bào)文解析、比對、分析功能；應(yīng)答器報(bào)文誤碼分布、連續(xù)無差錯(cuò)報(bào)文位數(shù)及幀數(shù)等報(bào)文接收質(zhì)量檢測；應(yīng)答器上行鏈路信號振幅、功率、作用范圍、頻譜特性、最大時(shí)間間隔錯(cuò)誤等電氣特性參數(shù)檢測。

（5）車載ATP運(yùn)行數(shù)據(jù)。對車載JRU監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)車載ATP人機(jī)接口數(shù)據(jù)（主要包括車載ATP與列車接口信息（如激活、休眠、方向等）、司機(jī)操作及車載ATP通過人機(jī)交互界面（DMI）的輸出信息（如語音、文字、報(bào)警等））記錄分析功能；車載ATP關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)（主要包括軌道電路、應(yīng)答器信息，GSM-R的無線通信消息及測速測距偏差等）記錄分析功能；車載ATP關(guān)鍵輸出數(shù)據(jù)（主要包括允許速度、目標(biāo)速度、制動(dòng)命令等）記錄分析功能；車載ATP運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)（主要包括ATP控車模式、等級、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、列車運(yùn)行速度、列車位置、車載ATP自診斷運(yùn)行狀態(tài)等）記錄分析功能。

（6）車載Igsmr接口監(jiān)測。對車載ATP設(shè)備GCD與MT之間的Igsmr接口，實(shí)現(xiàn)ATP與RBC各層之間的消息交換（包括物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層和應(yīng)用層消息）實(shí)時(shí)無擾監(jiān)測和記錄分析功能。

（7）車載Um無線環(huán)境監(jiān)測。對C3應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，獲取車載模塊與GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)交互的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供通信超時(shí)故障發(fā)生時(shí)無線接口處C3列控?cái)?shù)據(jù)的收發(fā)記錄；具有監(jiān)測C3車載無線通信終端工作情況、分析其收發(fā)數(shù)據(jù)是否正確、與無線網(wǎng)絡(luò)的交互過程是否正確等記錄分析的功能。

（8）車載列控設(shè)備運(yùn)行環(huán)境EMC監(jiān)測。對車載ATP設(shè)備運(yùn)行環(huán)境電磁干擾參數(shù)進(jìn)行檢測、分析診斷。

2.2 系統(tǒng)通信管理、系統(tǒng)維護(hù)功能

具有檢測系統(tǒng)自身狀態(tài)綜合監(jiān)測記錄、對外通信管理、內(nèi)部數(shù)據(jù)交互調(diào)度管理等功能，具體包括：

（1）時(shí)間、速度、里程等同步定位信息的并行接入功能；

（2）與綜合系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互功能；

（3）與車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互功能；

（4）與地面展示系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互功能；

（5）系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)、各部件工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能；

（6）系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互調(diào)度管理功能。

2.3 檢測數(shù)據(jù)綜合分析處理功能

C3檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對列控車載、地面信號設(shè)備及車-地之間接口等8個(gè)項(xiàng)目的檢測，部分檢測參數(shù)之間存在互補(bǔ)關(guān)聯(lián)關(guān)系。檢測數(shù)據(jù)的綜合分析處理功能，以問題或事件為目標(biāo)，以時(shí)間、里程等時(shí)空信息為統(tǒng)一基準(zhǔn)，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)檢測波形的聯(lián)動(dòng)顯示，對C3關(guān)于安全防護(hù)、模式轉(zhuǎn)換、等級轉(zhuǎn)換等復(fù)雜的邏輯功能、時(shí)序?qū)崟r(shí)特性的綜合分析和判斷。

3 系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備組成

信號檢測系統(tǒng)由應(yīng)答器等8套數(shù)據(jù)采集及處理裝置和檢測數(shù)據(jù)管理、通信調(diào)度管理、交路選擇配置管理、時(shí)空同步管理、系統(tǒng)維護(hù)管理、檢測數(shù)據(jù)綜合分析處理等系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)分析裝置組成。檢測數(shù)據(jù)采集及處理裝置采用分布式布置，分別安裝在檢測車動(dòng)車組1、8號車，檢測數(shù)據(jù)綜合顯示及分析，檢測人員操作采用集中方式，其裝置安裝在1號車。數(shù)據(jù)采集及處理裝置，與系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)分析等各個(gè)單元、軟件之間存在復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)整體集成度較高。為了提高系統(tǒng)的可靠性及可用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3層架構(gòu)（見圖2）。

4 系統(tǒng)集成技術(shù)

高速綜合檢測列車C3檢測系統(tǒng)集成的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)和綜合利用。C3檢測系統(tǒng)從不同視角，在C3列控?cái)?shù)據(jù)傳遞交互過程中的不同節(jié)點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的采集和處理，這些項(xiàng)目和檢測數(shù)據(jù)具有緊密的關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性，要最大限度地發(fā)揮檢測系統(tǒng)總功效的前提是實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的信息關(guān)聯(lián)和綜合利用，要在統(tǒng)一的時(shí)空定位信息基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)特征、作用范圍和設(shè)備技術(shù)特性參數(shù)，對信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、綜合顯示和分析，這是該系統(tǒng)集成的核心目標(biāo)。要提高系統(tǒng)的可靠性和可用性并縮短開發(fā)周期，在工程實(shí)施方面，各檢測裝置之間的設(shè)備接口、工程接口要非常清晰，便于聯(lián)合攻關(guān)和開發(fā)。

該系統(tǒng)集成的關(guān)鍵在于解決系統(tǒng)三層設(shè)備、部件之間的互連、互操作和系統(tǒng)時(shí)空同步問題。系統(tǒng)三層共包含48個(gè)設(shè)備和部件，數(shù)據(jù)交換非常復(fù)雜，而且要求具有較好的實(shí)時(shí)性。項(xiàng)目組借鑒《RSSP-I鐵路信號安全通信協(xié)議》中安全防御技術(shù)和報(bào)文定義，設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備、部件，各軟件、各任務(wù)等之間數(shù)據(jù)通信的通信規(guī)程、信息格式、信息編碼及用戶數(shù)據(jù)定義等統(tǒng)一的接口協(xié)議，并通過通信調(diào)度管理程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能集成和網(wǎng)絡(luò)集成，使各設(shè)備、各軟件及任務(wù)集成到相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成總體目標(biāo)。系統(tǒng)接收檢測列車綜合系統(tǒng)發(fā)送的時(shí)間、里程、速度等時(shí)空同步信息，通過時(shí)空同步管理程序，廣播發(fā)送給系統(tǒng)各單元和軟件，實(shí)現(xiàn)信號檢測所有檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一時(shí)間、里程、速度等時(shí)空同步基準(zhǔn)上。

對檢測數(shù)據(jù)的處理一般分為采集、分析、顯示3個(gè)過程，數(shù)據(jù)流見圖3（以軌道電路為例）。

5 檢測數(shù)據(jù)綜合分析

5.1 檢測數(shù)據(jù)歷史對比分析

檢測數(shù)據(jù)歷史對比分析的主要目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)、掌握設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)的變化情況。當(dāng)代表設(shè)備工作狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)發(fā)生變化，應(yīng)引起維修維護(hù)人員的關(guān)注，對設(shè)備提前進(jìn)行更換處理，避免故障導(dǎo)致事故的發(fā)生。

信號設(shè)備呈現(xiàn)的邏輯功能和時(shí)序功能特性，往往在一定條件和場景下，或在某些組合條件下呈現(xiàn)，而每次檢測因列車進(jìn)路、控車命令等驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作的條件不盡相同，設(shè)備的邏輯功能和時(shí)序功能參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)可比性不強(qiáng)。系統(tǒng)選取代表設(shè)備電氣特性參數(shù)的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

5.2 檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)綜合分析

C3包含車載、地面及車-地通信等多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間和各子系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間協(xié)同工作，在遵循一定邏輯關(guān)系和時(shí)序要求的基礎(chǔ)上，完成系統(tǒng)的整體功能。系統(tǒng)內(nèi)部變化是動(dòng)態(tài)的，動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)連續(xù)和離散共同存在的特征。C3檢測實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)綜合分析，主要功能需求包括：數(shù)據(jù)一致性、完整性驗(yàn)證；對列控系統(tǒng)邏輯功能進(jìn)行分析和判斷；對列控系統(tǒng)時(shí)序功能進(jìn)行分析和判斷；對隨機(jī)故障進(jìn)行分析和判斷；對設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確分析和判斷。

圖2 C3檢測系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流示意圖

根據(jù)C3功能需求規(guī)范（FRS）、系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）和有關(guān)技術(shù)條件，結(jié)合C3測試案例，在對C3檢測數(shù)據(jù)的特征、作用范圍進(jìn)行分析及對檢測項(xiàng)目和數(shù)據(jù)差異性、互補(bǔ)性和協(xié)同性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對上述功能需求進(jìn)行細(xì)化，設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)綜合分析案例集，實(shí)現(xiàn)對功能需求測試的完備覆蓋。以C2到C3轉(zhuǎn)換功能測試為例，具體說明測試內(nèi)容、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出及測試項(xiàng)目之間的關(guān)系。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

檢測系統(tǒng)經(jīng)靜態(tài)測試滿足系統(tǒng)技術(shù)條件后，在京滬先導(dǎo)段高速綜合檢測列車最高運(yùn)行速度400 km/h條件下對系統(tǒng)功能、性能、檢測精度、重復(fù)性和一致性進(jìn)行全面測試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)包含的8個(gè)檢測項(xiàng)目全部滿足系統(tǒng)技術(shù)條件，能夠保證新建線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及開通后日常檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（1）軌道電路檢測。軌道電路信號正常采集，數(shù)據(jù)處理分析，波形顯示正常，具備數(shù)據(jù)分析、回放和報(bào)表統(tǒng)計(jì)、輸出等功能。

信號載頻滿足±0.1 Hz技術(shù)要求；

調(diào)制頻率滿足±0.02 Hz技術(shù)要求；

信號幅度滿足≤2 mV±2%×示值的技術(shù)要求；

絕緣節(jié)位置滿足≤15 m技術(shù)要求。

（2）軌道電路不平衡電流及諧波分量檢測。發(fā)送電流值在0～400 A范圍內(nèi)；系統(tǒng)滿足≤1A±2%×示值的技術(shù)條件要求；能夠計(jì)算工頻5次以下諧波和軌道電路信號載頻附近諧波分量大小。

（3）補(bǔ)償電容檢測可實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償電容的工作狀態(tài)、位置、步長的檢測，結(jié)合軌道電路信號傳輸曲線對補(bǔ)償電容工作狀態(tài)進(jìn)行判斷，檢測正確率＞98%。

（4）應(yīng)答器檢測。具備對應(yīng)答器位置、報(bào)文進(jìn)行解析和分析、記錄功能，能夠?qū)?yīng)答器報(bào)文接收質(zhì)量進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)，對應(yīng)答器中心頻率、上邊頻、下邊頻、調(diào)制速率、幅值抖動(dòng)、應(yīng)答器作用范圍、上行鏈路信號頻率帶寬等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

（5）車載ATP運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口信息、列控車載設(shè)備輸入、輸出信息和本身運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)的接收、實(shí)時(shí)顯示、記錄及回放分析等功能。

（6）Um無線環(huán)境監(jiān)測具備GSM-R空中接口C3列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測能力。

（7）車載列控運(yùn)行環(huán)境EMC監(jiān)測具備對車載ATP各接口設(shè)備電磁干擾等參數(shù)基本監(jiān)測能力。

（8）Igsmr接口監(jiān)測實(shí)時(shí)采集車載ATP系統(tǒng)與RBC的無線數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示車載無線模塊工作狀態(tài)，能夠解析及顯示無線交互數(shù)據(jù)和無線報(bào)警信息。

7 結(jié)束語

隨著高速鐵路的發(fā)展，列控信號設(shè)備維修維護(hù)的理念和方式發(fā)生了根本變化，普速鐵路實(shí)行“精檢細(xì)修”，高速鐵路注重“嚴(yán)檢慎修”。目前該系統(tǒng)已經(jīng)裝車，完成調(diào)試，并在京滬高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試和拉通試驗(yàn)中得到應(yīng)用。系統(tǒng)中首次實(shí)現(xiàn)C3列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)檢測、應(yīng)答器報(bào)文接收質(zhì)量和上行鏈路信號電氣特性參數(shù)檢測、車載設(shè)備運(yùn)行環(huán)境電磁干擾參數(shù)檢測等，具有一定創(chuàng)新性。高速綜合檢測列車C3檢測系統(tǒng)的成功研制及應(yīng)用也是C3檢測的整體創(chuàng)新，將成為C3及C2列控線路列控設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測、設(shè)備維修維護(hù)和列車運(yùn)行安全保障的重要技術(shù)裝備。

[1]楊宏圖，許貴陽，侯衛(wèi)星，等. 高速鐵路綜合檢測數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2010(1)

[2]黎國清，楊愛紅，許貴陽，等. 既有線提速綜合檢測技術(shù)與應(yīng)用[J]. 中國鐵路，2008(5)

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