多通信冗余機(jī)車同步操控通信平臺應(yīng)用研究

汪 洋，楊居豐，張志豪，陳 松

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所，北京 100081)

1 引言

當(dāng)前鐵路兩大發(fā)展方向?yàn)楦咚俸椭剌d，其中重載鐵路主要針對大宗貨物運(yùn)輸而建設(shè)，其具有運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低等優(yōu)勢。2011年，澳大利亞開行了一輛7353米長的貨運(yùn)列車，總重量達(dá)10萬噸，一直保持著世界紀(jì)錄。2014年，中國鐵路總公司在大秦鐵路組織實(shí)施的3萬噸重載列車運(yùn)行試驗(yàn)取得成功。無論是10萬噸還是3萬噸列車，都需要多個(gè)機(jī)車同時(shí)牽引[1]，而為了解決風(fēng)管均勻排風(fēng)、車鉤均勻受力等問題，多機(jī)車需要采用分布式動力同步操控的方式，即將多個(gè)機(jī)車均勻分布在整列車的頭部與中部，通過同步操控系統(tǒng)完成同步牽引、制動等控制[2]。該情況下，機(jī)車與機(jī)車之間距離較長，可達(dá)到七八百米甚至一千多米。因此，機(jī)車間的無線通信成為同步操控系統(tǒng)的必要組成部分，無線通信的成功率與時(shí)延也成為了同步牽引及制動的關(guān)鍵，極大的影響著整列車的縱向沖動[3]。

2006年大秦鐵路重載組合列車采用美國GE公司的Locotrol同步操控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用GSM-R通信系統(tǒng)，同時(shí)具備800M數(shù)傳電臺通信系統(tǒng)[4]。2014年朔黃鐵路重載組合列車采用了TD-LTE通信系統(tǒng)，同時(shí)具備800M數(shù)傳電臺通信系統(tǒng)。由此可知，機(jī)車同步操控系統(tǒng)均具備兩種通信設(shè)備，當(dāng)GSM-R網(wǎng)車載設(shè)備或LTE網(wǎng)車載設(shè)備失效時(shí)，啟用數(shù)傳電臺。該方案具有兩種設(shè)備切換時(shí)延大、成本高、不利于安裝與維護(hù)等弊端，并且無法實(shí)現(xiàn)重聯(lián)機(jī)車在GSM-R線路區(qū)段與LTE區(qū)段的跨線運(yùn)行，也無法在未來鐵路可能建設(shè)的5G-R線路運(yùn)行。

本文提出了基于多種移動通信技術(shù)冗余的機(jī)車同步操控?zé)o線通信方案，設(shè)計(jì)了多種通信技術(shù)一體化的平臺。該平臺采用統(tǒng)一的主控單元、電源單元、記錄單元等模塊，實(shí)現(xiàn)不同的通信方式的集中控制。相比現(xiàn)有系統(tǒng)，一體化平臺結(jié)構(gòu)簡單、安裝便利、成本壓縮，不同的通信方式切換速度快，且采用接口兼容的通信單元，不僅可以具備GSM-R，LTE，數(shù)傳電臺通信方式，還可以兼容未來鐵路可能采用的5G-R，能夠?qū)崿F(xiàn)不同通信方式區(qū)段跨線運(yùn)行。

2 基于多種移動通信技術(shù)冗余的方案

2.1 傳統(tǒng)的機(jī)車同步操控?zé)o線通信方案

當(dāng)前重載機(jī)車同步操控通信系統(tǒng)由車載通信單元和鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)組成。GSM-R網(wǎng)絡(luò)由地面基站設(shè)備與核心網(wǎng)組成，機(jī)車同步操控通信系統(tǒng)采用GSM-R的CSD連接方式，需要在地面架設(shè)編組服務(wù)器，采用點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)會議通信方式，將主控機(jī)車與從控機(jī)車建立數(shù)據(jù)會議小組。車載通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)車間控制命令的傳輸與數(shù)據(jù)交換[5]。

地方鐵路通常采用LTE專用通信網(wǎng)絡(luò)，具有更低的延遲，并通過共站址雙網(wǎng)方式保證可靠性。LTE通信單元通過綁定的用戶名與IP地址向目標(biāo)機(jī)車發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要在地面設(shè)立編組服務(wù)器[6]。

數(shù)傳電臺是比較早期的模擬通信方式，由于該方式的設(shè)備成本低，使用方便而廣泛應(yīng)用于鐵路。數(shù)傳電臺在支持的距離范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)直接傳輸，不依靠地面網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備[7]。

機(jī)車同步操控通信系統(tǒng)通常會使用GSM-R或LTE車載終端作為主用設(shè)備，數(shù)傳電臺作為備用設(shè)備，兩套設(shè)備分別與機(jī)車同步控制設(shè)備進(jìn)行連接，各自具備獨(dú)立的主控單元，電源單元，通信單元，記錄單元等模塊[8]。

2.2 新型機(jī)車同步操控?zé)o線通信平臺

多種移動通信技術(shù)冗余的機(jī)車同步操控?zé)o線通信平臺通過統(tǒng)一接口接收控制系統(tǒng)的命令，可對通信方式進(jìn)行靈活切換，可實(shí)現(xiàn)GSM-R，LTE，5G-R、數(shù)傳電臺等多種移動通信方式的冗余。架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多種移動通信技術(shù)冗余的機(jī)車同步操控?zé)o線通信系統(tǒng)

如圖2，一體化的平臺中各通信單元共用一套主控單元，共用同一路數(shù)據(jù)輸入通道，共享同一套天線設(shè)備。因此，各通信單元之間可能在控制機(jī)制、軟件設(shè)計(jì)、電路交互以及共用天線等方面產(chǎn)生一定的干擾。本文選取重載試驗(yàn)線路對該平臺進(jìn)行測試，驗(yàn)證該方案的可行性。

圖2 機(jī)車無線同步操控系統(tǒng)一體化通信平臺

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 AB節(jié)雙平臺冗余

重載機(jī)車通常使用8軸電力機(jī)車，是由A，B兩節(jié)完全相同的4軸電力機(jī)車通過內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連接組成。因此機(jī)車同步操控系統(tǒng)通信平臺除了通信方式冗余以外，還可在A節(jié)和B節(jié)分別設(shè)置通信平臺，雙平臺通過以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)AB節(jié)之間的冗余。A節(jié)實(shí)時(shí)發(fā)送工作狀態(tài)至B節(jié)，B節(jié)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)A節(jié)通信平臺故障時(shí)B節(jié)迅速啟動并直接同步A節(jié)最后的工作狀態(tài)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作，數(shù)據(jù)傳輸沒有中斷。

3.2 雙路主控單元冗余

平臺采用linux嵌入式系統(tǒng)主控單元，為了防止主控程序線程崩潰或linux意外死機(jī)，平臺設(shè)置了兩塊控制單元互為主備。兩控制單元通過串口同步工作狀態(tài)，當(dāng)主用控制單元故障時(shí)立即切換至備用控制單元，并同步原主用控制單元的工作狀態(tài)，保證整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)正常工作。

3.3 一體化接口

既有的系統(tǒng)中不同的通信設(shè)備通過不同的接口接入控制設(shè)備，新型的平臺則采用統(tǒng)一的接口，通過統(tǒng)一的命令實(shí)現(xiàn)不同通信方式的冗余切換，為平臺提供更高的集成度。

3.4 自愈

平臺具備自愈功能，主用控制單元故障時(shí)會重啟并復(fù)位，復(fù)位后可作為備用控制單元，保證整個(gè)平臺始終具備冗余性。各通信單元具備自愈功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)附著多次失敗、網(wǎng)絡(luò)連接多次失敗、AT接口故障或通信單元自認(rèn)故障時(shí)，會重啟并復(fù)位。

3.5 故障診斷

由于車載設(shè)備應(yīng)用環(huán)境限制，故障發(fā)生時(shí)很難及時(shí)到現(xiàn)場解決，多數(shù)情況都得依靠記錄的日志進(jìn)行分析。因此平臺設(shè)置記錄單元，完整記錄自身工作狀態(tài)，包括通信方式、接口狀態(tài)、編組狀態(tài)、組成員信息、空口收發(fā)數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)等。通過數(shù)據(jù)分析軟件，可方便的診斷出故障原因。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果與分析

4.1 測試方法和過程

鐵路目前用于機(jī)車無線同步操控的數(shù)傳電臺通常選用800MHz頻段，由于后續(xù)800MHz將被工信部收回，因此本文選取鐵路還可以繼續(xù)使用的400MHz頻段的數(shù)傳電臺在試驗(yàn)線路進(jìn)行測試，GSM-R選取定制化接口并具備CSD數(shù)據(jù)功能的單元，LTE模塊選取1.8GHz頻段 PCIE接口的通信單元。本文中的測試，由于試驗(yàn)線路沒有LTE專網(wǎng)，僅對GSM-R與400MHz數(shù)傳電臺進(jìn)行測試。

平臺采用3U機(jī)箱，選用ARM Cortex-A8嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的主控單元，主控單元主要具備機(jī)車同步控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，同時(shí)能夠通過命令發(fā)送控制通信單元實(shí)現(xiàn)常規(guī)功能，如GSM-R單元重置、呼叫、拆線，數(shù)傳電臺單元常發(fā)、自檢等。設(shè)計(jì)接口單元，統(tǒng)一對外接口，除了各通信單元具備自己的天線接口外，整機(jī)與外部輸入設(shè)備或監(jiān)測設(shè)備的接口均設(shè)計(jì)在接口單元上，便于統(tǒng)一插拔。設(shè)計(jì)記錄單元，記錄主控單元的工作狀態(tài)，各通信單元的工作狀態(tài)，各通信單元傳輸?shù)目湛跀?shù)據(jù)，以及接口單元對外部設(shè)備收發(fā)的數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)電源單元，具備防靜電、防電磁干擾特性，為整機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源。采用多頻段天線及合路器，將各通信單元的天饋線整合。整機(jī)放置于機(jī)車的機(jī)械間內(nèi)，天線從車內(nèi)引出安裝在車頂。

除上述車載平臺以外，地面還需要架設(shè)GSM-R編組服務(wù)器，服務(wù)器通過PRI接口可讀取車載平臺發(fā)送至地面的數(shù)據(jù)，同時(shí)服務(wù)器需要實(shí)現(xiàn)主從車的車載平臺的安全認(rèn)證、機(jī)車號注冊、注銷、會議建組、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、狀態(tài)監(jiān)測、中斷事件監(jiān)測。

本文選取國鐵集團(tuán)重載線路的部分區(qū)段進(jìn)行測試。測試采用兩臺HXD1機(jī)車，萬噸試驗(yàn)在兩臺機(jī)車之間與中部機(jī)車之后分別連接54輛敞車，兩萬噸試驗(yàn)則分別連接105輛敞車，機(jī)車同步控制系統(tǒng)采用新一代國產(chǎn)化系統(tǒng)設(shè)備。測試過程中，將平臺的調(diào)試口接出，用計(jì)算機(jī)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，用場強(qiáng)測試儀記錄信號強(qiáng)度，用采集編碼器讀取車輛速度、公里標(biāo)等信息。按照試驗(yàn)安排，在萬噸試驗(yàn)時(shí)主要對數(shù)傳電臺進(jìn)行測試，兩萬噸實(shí)驗(yàn)時(shí)主要對GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 數(shù)傳電臺測試結(jié)果分析

數(shù)傳電臺測試時(shí)采用萬噸貨運(yùn)組合列車進(jìn)行試驗(yàn)，頭部和中部機(jī)車中間由54輛C80敞車相連，距離在800米左右，數(shù)傳電臺發(fā)射功率為5W，從LKJ獲取公里標(biāo)，使用場強(qiáng)測試儀測試場強(qiáng)及接收電平，每秒發(fā)送5幀數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率測試。

圖3 數(shù)傳電臺全區(qū)段接收電平值

測試區(qū)段全線接收電平值如圖3所示，一體化平臺的數(shù)傳電臺單元400MHz頻段無線電波傳播效果良好，測試區(qū)段中92%的區(qū)段接收電平值大于20dBμV，5%的區(qū)段接收電平值在10-20dBμV之間，3%的區(qū)段接收電平值低于10dBμV。其中低于10dBμV的區(qū)段基本來自于隧道，10-20dBμV的區(qū)段多發(fā)生在洼地、路塹等區(qū)段。

圖4 數(shù)傳電臺接收電平值與誤碼率的關(guān)系圖

無線信道數(shù)據(jù)傳輸自然比特誤碼率隨著接收電平值增大而減小。比特自然誤碼率分布圖如圖4所示。

圖5 數(shù)傳電臺全區(qū)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率

測試區(qū)段全線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率如圖5所示，試驗(yàn)區(qū)段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功率為94.47%，隧道區(qū)段轉(zhuǎn)發(fā)成功率為88.89%。

4.2.2 GSM-R測試結(jié)果分析

GSM-R測試時(shí)采用2萬噸貨運(yùn)組合列車，頭部機(jī)車與中部機(jī)車間距大約1400米。數(shù)據(jù)為每300ms由主車向從車發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，從車收到后用同步控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的處理后向主車回復(fù)一幀數(shù)據(jù)。車載平臺與地面服務(wù)器之間每3秒發(fā)送一幀測試幀，地面服務(wù)器收到后立即回復(fù)一幀數(shù)據(jù)，車載平臺通過兩幀的時(shí)間差來計(jì)算GSM-R車地傳輸?shù)难舆t，由于服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)存在ms級的延遲，本文將延遲精確在10ms。

圖6 GSM-R全區(qū)段延遲

圖6為測試區(qū)段全線延遲，從圖中可看出，GSM-R延遲基本集中在320ms附近，最低為270ms，除去由于基站場強(qiáng)較低導(dǎo)致通信中斷的一次高延遲外，最高延遲為430ms。其中由機(jī)車同步控制設(shè)備測試出的平均響應(yīng)時(shí)間為1.8s，遠(yuǎn)小于既有設(shè)備的2.5s。該平臺在整個(gè)測試中只有一次通信鏈路中斷，鏈路中斷率也低于既有設(shè)備。GSM-R中斷時(shí)切換為數(shù)傳電臺的切換時(shí)間小于2秒。

圖7 GSM-R傳輸成功率與延遲的關(guān)系圖

圖7采用全區(qū)段無線下行傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以看出通信未中斷的情況下傳輸成功率均在99.5%以上，高于既有設(shè)備，且從270ms到370ms之間傳輸成功率呈正態(tài)分布，其中320ms延遲下傳輸成功率為99.93%。試驗(yàn)樣本數(shù)量為5000以上，統(tǒng)計(jì)的有效性較高。當(dāng)延遲達(dá)到370ms以上，傳輸成功率開始下降，說明丟包率會隨著延遲的增大而遞增，符合移動通信的特性。

5 結(jié)論

本文針對重載機(jī)車同步操控系統(tǒng)提出了多種移動通信冗余的平臺，對該平臺下的GSM-R通信方式和數(shù)傳電臺在不同區(qū)段都進(jìn)行了實(shí)際測試。首先，測試驗(yàn)證了一體化平臺完全可以滿足同步操控系統(tǒng)對通信質(zhì)量的要求。其次，相比既有的分體式的通信設(shè)備，一體化平臺邏輯簡單、成本低、維護(hù)方便，由于邏輯簡單測試中通信中斷次數(shù)也低于既有系統(tǒng)。最后，一體化的平臺擴(kuò)展性強(qiáng)，可支持5G-R通信方式，支持在多種通信方式區(qū)段跨線運(yùn)行。

本文中設(shè)計(jì)的一體化的機(jī)車同步操控?zé)o線通信平臺目前只進(jìn)行了一主一從雙機(jī)車的測試，后續(xù)還會進(jìn)行一主三從以及更多機(jī)車的測試，還有LTE網(wǎng)絡(luò)區(qū)段的測試，以及列車在重聯(lián)狀態(tài)下的國鐵與地方鐵路的互通測試。目前在實(shí)驗(yàn)室中已可以安裝5G通信單元并調(diào)試成功，后續(xù)還將在5G-R區(qū)段進(jìn)行測試。