列控車載通信單元自動測試系統(tǒng)

周 瑾，張志韜

(通號工程局集團(tuán)北京研究設(shè)計實(shí)驗(yàn)中心有限公司，北京 100070)

CTCS-3 級列控系統(tǒng)中，ATP 利用GSM-R 單元中的車載通信單元(MT)，通過GSM-R 系統(tǒng)與RBC 實(shí)現(xiàn)信息交互。因此，MT 的運(yùn)用狀態(tài)，直接影響ATP 與RBC 之間通信通道的可靠性和安全性。2008 年，中國進(jìn)入了高鐵時代。2018 年6 月，在線運(yùn)營的加裝ATP 設(shè)備的動車組已達(dá)4 500 組，第一批投入使用的ATP 設(shè)備，已達(dá)到更新改造期限，部分設(shè)備仍在運(yùn)用。ATP 設(shè)備造價昂貴，因此，通過精修精檢，最大限度的提高設(shè)備利用率、發(fā)揮設(shè)備效能，是鐵路提質(zhì)增效的有效手段。實(shí)踐運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)部分MT 存在老化導(dǎo)致性能指標(biāo)下降、影響運(yùn)用質(zhì)量的問題。由于缺乏有效的檢測手段來科學(xué)評判MT 的運(yùn)用狀態(tài)，因此，只能通過其他監(jiān)測數(shù)據(jù)分析推斷疑似出現(xiàn)MT 故障影響ATP 運(yùn)用質(zhì)量（如導(dǎo)致CTCS-3 降級發(fā)生），才會將MT 返廠進(jìn)行檢測，以廠家出具的檢測結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行故障原因分析。本文介紹一種MT 自動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對MT 主要射頻指標(biāo)的自動檢測，保障設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量，為日常維護(hù)提供有效技術(shù)手段。

1 MT的運(yùn)用維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

ATP 與GSM-R 系統(tǒng)之間的接口為Um 接口，技術(shù)要求符合《CTCS-3 級列控系統(tǒng)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范(V1.0)》（科技運(yùn)[2008]168 號）。GSM-R單元屬于ATP 中的一個獨(dú)立功能單元，如圖1 所示；MT 插在GSM-R 單元的固定槽位上；GSM-R單元的設(shè)計采用雙系冗余技術(shù)，每1 系中均包括1 個GSM-R 通信模塊、1 個MT 和配套的電源模塊，兩系共用一個記錄模塊。MT 屬于GSM-R 車載通信模塊的類型II，技術(shù)要求符合《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R)車載通信模塊技術(shù)規(guī)范》（科技運(yùn)[2014]36號）。規(guī)范從MT 應(yīng)支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)，功能要求，技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)，工作環(huán)境要求，接口及電氣特性，通信協(xié)議等方面做詳細(xì)要求。

2 MT的維護(hù)現(xiàn)狀

ATP 采用一、二、三、四、五級修5 個等級的維修模式；一、二級修的主要內(nèi)容為設(shè)備外觀檢查、功能性驗(yàn)證試驗(yàn)；三、四級修除外觀檢查、功能性驗(yàn)證試驗(yàn)外，還要按照規(guī)定完成相關(guān)壽命件（如電池、天線、速度傳感器、繼電器等）的更換工作；五級修結(jié)合動車組運(yùn)營里程或工作年限，對達(dá)到壽命期的ATP 進(jìn)行整機(jī)更換。目前，MT 的維護(hù)工作存在3 個問題。

圖1 CTCS-3 300S型ATP GSM-R單元機(jī)籠結(jié)構(gòu)Fig.1 CTCS-3 300S type ATP GSM-R unit cage structure

2.1 技術(shù)特點(diǎn)認(rèn)知不夠

正常情況下，按照《900/1 800 MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）設(shè)備測試方法：移動臺》（YD/T 1215-200）進(jìn)行型號核準(zhǔn)、結(jié)果合格的MT，其應(yīng)支持的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)，功能要求，結(jié)構(gòu)，接口及電氣特性，通信協(xié)議等方面的性能，不會出現(xiàn)因工作時間增加而劣化的問題。但是，作為射頻器件的MT，會出現(xiàn)因老化導(dǎo)致射頻性能指標(biāo)劣化、影響運(yùn)用質(zhì)量的問題。由于沒有充分認(rèn)識到MT 的這一技術(shù)特點(diǎn)，因此，由于日常維護(hù)中，沒有將MT 有關(guān)射頻特性相關(guān)指標(biāo)的測試工作納入維修工作內(nèi)容，存在盲區(qū)。

2.2 維護(hù)檢修手段缺乏

MT 射頻特性指標(biāo)測試，需要使用專用的儀器儀表、按照《900/1 800 MHz TDMA 數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）設(shè)備測試方法：移動臺》（YD/T 1215-200）搭建專用的測試平臺，才能進(jìn)行測試。由于缺乏用于測試MT 射頻特性指標(biāo)的專用平臺，日常維護(hù)中，只能通過觀察狀態(tài)指示燈來判斷MT 的工作狀態(tài)。

2.3 廠家依耐性強(qiáng)

目前，ATP 所使用的MT 涉及3 個設(shè)備廠家、8 種不同型號；雖然所有型號的MT 均符合《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R)車載通信模塊技術(shù)規(guī)范》（科技運(yùn)[2014]36 號），但是不同廠家的MT 在硬件接口、信號控制方式等方面存在差別。故障分析(如CTCS-3 降級分析)時，只能將疑似故障的MT 進(jìn)行返廠檢測，以廠家出具的檢測報告為依據(jù)，故障原因定位周期長，廠家依賴性強(qiáng)。

3 MT自動測試系統(tǒng)的主要技術(shù)要求

3.1 MT關(guān)鍵射頻指標(biāo)測試項目

規(guī)范（科技運(yùn)[2014]36 號）和（YD/T 1215-200）規(guī)定MT 的工作頻段、接收靈敏度、發(fā)射功率、頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差、輸出RF 頻譜、輻射騷擾、阻塞特性、互調(diào)特性和突發(fā)脈沖定時等11 個射頻指標(biāo)要求和測試方法。機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（CIR）的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明，選取接收靈敏度、發(fā)射功率、頻率誤差、峰值相位誤差、均方根相位誤差和突發(fā)脈沖定時等6 個指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)、評判CIR 語音模塊的射頻特性，能夠及時發(fā)現(xiàn)并確定CIR 語音模塊的射頻特性是否存在設(shè)備老化、新能指標(biāo)劣化的問題。由于規(guī)范（科技運(yùn)[2014]36 號）和（YD/T 1215-200）對CIR 語音模塊與MT 在射頻指標(biāo)方面的要求一致，因此，選取這6 個指標(biāo)，作為評判MT 射頻特性的關(guān)鍵指標(biāo)，是科學(xué)合理的，具體指標(biāo)要求如下。

1）接收靈敏度：優(yōu)于-104 dBm；

2）發(fā)射功率：39±2 dBm；

3）頻率誤差：≤1×10-7；

4）峰值相位誤差：≤20°；

5）均方根相位誤差：≤5°；

6）突發(fā)脈沖定時：正常測試條件下，各功率等級下的正常突發(fā)脈沖的功率時間包絡(luò)應(yīng)落在規(guī)定的包絡(luò)曲線內(nèi)。

3.2 兼容性要求

目前為ATP 提供MT 的有3 個廠家、8 種型號。因此，MT 自動測試系統(tǒng)應(yīng)具備良好的兼容性，能夠適配所有型號MT 的電氣接口，并且能夠成功發(fā)送指令、控制MT 配合MT 自動測試系統(tǒng)完成測試，才能夠滿足維護(hù)需求。

3.3 操作界面、測試結(jié)果統(tǒng)計分析功能要求

MT 自動測試系統(tǒng)操作界面友好，能夠直觀展示測試過程和結(jié)果，并能直接顯示性能指標(biāo)測試不合格項；同時，能夠?qū)崿F(xiàn)如故障類型分析、射頻指標(biāo)變化趨勢分析、型號故障率統(tǒng)計分析等統(tǒng)計分析功能。

3.4 測試自動化程度、測試結(jié)果一致性要求

為降低現(xiàn)場勞動強(qiáng)度、提高勞產(chǎn)率，MT 自動測試系統(tǒng)應(yīng)該作為一個標(biāo)準(zhǔn)化的測試平臺，維護(hù)人員只需要按照操作標(biāo)準(zhǔn)，將MT 插入測試卡槽，完成相關(guān)測試電纜的連接，開機(jī)加電后，啟動測試軟件，即可完成測試。同時，為保證測試結(jié)果的權(quán)威性，在對同一個MT 重復(fù)進(jìn)行測試時，測試結(jié)果的一致性要好。

4 M T自動測試系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成和測試流程

4.1 技術(shù)特點(diǎn)

MT 自動測試系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)，在于具有很好的兼容性，能夠適配所有型號MT 的電氣接口，并且能夠成功發(fā)送指令、控制MT 配合MT 自動測試系統(tǒng)完成測試。因此，研發(fā)具備良好兼容性的接口單元，是MT 自動測試系統(tǒng)的技術(shù)核心。經(jīng)研究，在電氣接口和信號控制方式上，既有MT 具有如下技術(shù)特點(diǎn)：SAGEM 生產(chǎn)的MT，采用背板插槽供電方式，控制接口是位于背板插槽的RS-232 串口，接口采用TTL 電平；Funkwerk 生產(chǎn)的MT，采用背板插槽供電方式，控制接口是位于前面板的RS-232 串口、接口類型為DB26；Selex 生產(chǎn)的MT，采用背板插槽供電方式，控制接口是位于前面板的RS-232 串口、接口類型為DB25；既有MT 的信令控制協(xié)議都遵照規(guī)范（科技運(yùn)[2014]36 號）。

為此，MT 自動測試系統(tǒng)的接口單元，提供一個背板插槽接口，具備在電氣特性和機(jī)械特性等方面自動適配上述3 個設(shè)備廠家MT 的功能；同時，具備通過串口發(fā)送控制信令、實(shí)現(xiàn)控制MT 完成相關(guān)性能指標(biāo)測試的功能。這是MT 自動測試系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點(diǎn)。

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成

MT 自動測試系統(tǒng)如圖2 所示，主要由接口單元、工業(yè)控制計算機(jī)、顯示單元、GSM-R 終端綜合測試儀及電源等功能模塊組成。各功能模塊的主要功能如下。

1）接口單元：一是給MT 供電；二是將MT輸出的TTL 電平信號轉(zhuǎn)換為工業(yè)控制計算機(jī)可識別的RS-232 電平信號，將工業(yè)控制計算機(jī)輸出的RS-232 電平信號轉(zhuǎn)換為MT 可識別的TTL 電平信號。接口單元能夠從物理、電氣特性上適配所有型號的MT。

2）工業(yè)控制計算機(jī)。通過軟件，控制GSM-R終端綜合測試儀和MT，實(shí)現(xiàn)測試功能。

3）顯示單元。主要作為人機(jī)界面，顯示測試軟件操作界面、測試結(jié)果和測試結(jié)果的統(tǒng)計分析結(jié)果。

4）GSM-R 終端綜合測試儀。在測試軟件的控制下，實(shí)現(xiàn)對被測MT 的6 項射頻指標(biāo)的測試功能。

5）電源。為工業(yè)控制計算機(jī)、GSM-R 移動終端綜合測試儀、被測MT 和顯示單元等功能模塊供電。

4.3 測試流程

MT 自動測試系統(tǒng)提供了兩個完全一致的接口單元插槽；測試時，首先將測試專用SIM 卡裝入被測MT，并將被測MT 插入接口單元插槽；其次，用標(biāo)準(zhǔn)測試電纜將被測MT 的天線接口與MT 自動測試系統(tǒng)的測試天線接口相連接，個別廠家的MT（如Funkwerk 公司的MT）還需要用串口控制電纜將MT 與測試串口相連接；最后，對MT 加電后、點(diǎn)擊主界面中的開始測試按鈕，配置相應(yīng)的頻點(diǎn)號，即可完成測試；測試完成后，測試結(jié)果可以直觀的反饋在測試界面上，并能夠明確顯示測試不合格的指標(biāo)項。GSM-R 系統(tǒng)可使用的合法頻點(diǎn)有20 個（頻點(diǎn)號：1 000 ～1 019）。測試時，可以對MT 工作于這20 個頻點(diǎn)中的任意一個或多個頻點(diǎn)的射頻特性進(jìn)行測試。限于篇幅，有關(guān)MT 測試系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、打印及導(dǎo)出等輔助功能，所采用的技術(shù)屬于常規(guī)技術(shù)，因此不做介紹。

5 總結(jié)

針對ATP 日常維護(hù)中，存在MT 因老化導(dǎo)致射頻性能指標(biāo)下降、影響運(yùn)用質(zhì)量的問題和檢測手段缺乏、廠家依賴度高等問題，研發(fā)了一種MT自動測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有ATP 所用各型MT 的6 項主要射頻技術(shù)指標(biāo)參數(shù)的自動化測試。2016年度，中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司（簡稱北京局）管內(nèi)總計發(fā)生CTCS-3 降級481 件，其中車載ATP 原因215 件；其中單MT 故障原因133 件，占CTCS-3 降級總數(shù)的27.7%、占ATP 原因總數(shù)的61.7%。為此，2017 年，北京局利用該MT 自動測試系統(tǒng)，主動對配屬動車組ATP 的MT 進(jìn)行排查測試，對測試不合格的MT 進(jìn)行返廠維修，返廠后經(jīng)復(fù)測合格后的MT、方能入備品備件庫或上線運(yùn)用。經(jīng)統(tǒng)計，2017 年度，北京局管內(nèi)總計發(fā)生CTCS-3 降級318 件，其中ATP 原因156 件；其中單MT 故障原因15 件，占CTCS-3 降級總數(shù)的9.6%、占ATP 原因總數(shù)的4.7%。較2016 年度，該項工作有效降低MT 故障引起CTCS-3 降級的數(shù)量，達(dá)到預(yù)防修的目的。