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

韓宇

裝備CTCS-3級(jí)列控車(chē)載設(shè)備的列車(chē)在CTCS-3級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，車(chē)載設(shè)備主要工作在CTCS-3等級(jí)，通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)地信息實(shí)時(shí)雙向傳輸；在CTCS-2級(jí)線路上運(yùn)行時(shí)，車(chē)載設(shè)備工作在CTCS-2等級(jí)，通過(guò)地面應(yīng)答器和軌道電路獲取行車(chē)相關(guān)信息［1-2］。列車(chē)從CTCS-2級(jí)線路向CTCS-3級(jí)線路運(yùn)行時(shí)需進(jìn)行CTCS-2/3等級(jí)轉(zhuǎn)換，若等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗則會(huì)影響列車(chē)的運(yùn)行效率［3］。本文選取CTCS-2/3等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗的典型案例進(jìn)行分析，并提出對(duì)應(yīng)的解決措施。

1 GSM-R車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)

GSM-R車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖1。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)地信息雙向傳輸，RBC根據(jù)獲取的信息生成行車(chē)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(chē)運(yùn)行［4］。

圖1 GSM-R車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)示意

2 CTCS-2級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)交互流程

列車(chē)運(yùn)行經(jīng)過(guò)RBC連接應(yīng)答器組RL（用于列車(chē)呼叫RBC）收到通信管理信息包［ETCS-42］時(shí)［5］，ATP通過(guò)MT電臺(tái)呼叫RBC。CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)交互流程見(jiàn)圖2，車(chē)地建立無(wú)線通信連接的列控?cái)?shù)據(jù)交互需經(jīng)過(guò)物理層、鏈路層、傳輸層、安全層和應(yīng)用層。物理層通過(guò)V.110幀同步實(shí)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(wú)編號(hào)確認(rèn)（Unnumbered Acknowledge，UA）實(shí)現(xiàn)；傳輸層由ATP發(fā)起連接請(qǐng)求（Connection Request，CR），RBC回復(fù)連接確認(rèn)（Connection Confirmation，CC）實(shí)現(xiàn)；安全層由ATP發(fā)起安全協(xié)議數(shù)據(jù)單元第一驗(yàn)證消息（SaPDU AU1）實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用層由ATP發(fā)起M155（通信會(huì)話啟動(dòng)）包實(shí)現(xiàn)。列控?cái)?shù)據(jù)以I Frame和RR Frame的形式進(jìn)行交互。ATP和RBC可通過(guò)RR Frame判斷列控?cái)?shù)據(jù)的交互狀態(tài)，同時(shí)對(duì)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?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，然后根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用層數(shù)據(jù)控制列車(chē)運(yùn)行。

圖2 CTCS-3級(jí)列控?cái)?shù)據(jù)交互流程

ATP將列車(chē)的行駛狀態(tài)信息（位置、速度等）通過(guò)位置報(bào)告發(fā)送給RBC，RBC根據(jù)當(dāng)前線路上前后車(chē)的行駛狀態(tài)生成行車(chē)許可并發(fā)送給車(chē)載ATP，行車(chē)許可中包含等級(jí)轉(zhuǎn)換位置信息［6］。根據(jù)行車(chē)許可信息，在列車(chē)接近等級(jí)轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)時(shí)，車(chē)載ATP通過(guò)人機(jī)接口（DMI）提示司機(jī)列車(chē)將進(jìn)行等級(jí)轉(zhuǎn)換，并由司機(jī)確認(rèn)等級(jí)轉(zhuǎn)換信息［7］。列車(chē)越過(guò)等級(jí)轉(zhuǎn)換執(zhí)行應(yīng)答器，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到CTCS-3等級(jí)運(yùn)行。車(chē)地信息交互過(guò)程中任何一步信息交互失敗，都會(huì)導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法轉(zhuǎn)換到CTCS-3等級(jí)運(yùn)行。

3 等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗原因分析及優(yōu)化措施

結(jié)合線路列車(chē)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)幾種常見(jiàn)的等級(jí)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(chē)載未發(fā)送SABME幀

2021年5月，2列安裝300S型ATP車(chē)載設(shè)備的動(dòng)車(chē)組在不同時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生了等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗。通過(guò)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)2次失敗均是由于300S設(shè)備無(wú)線控制單元（RIM）未發(fā)送SABME幀，導(dǎo)致車(chē)載ATP無(wú)法與RBC正常通信。

其中一列車(chē)經(jīng)過(guò)RL應(yīng)答器組，ATP控制電臺(tái)呼叫RBC，電臺(tái)呼叫成功并返回CONNECT 4800指令給ATP，因車(chē)載RIM和電臺(tái)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(gè)周期接收，見(jiàn)圖3，導(dǎo)致RIM無(wú)法識(shí)別該AT指令，車(chē)載ATP認(rèn)為電臺(tái)呼叫RBC失敗，不發(fā)送SABME幀。

圖3 CONNECT 4800指令被拆分

另一列車(chē)是RIM收到電臺(tái)返回的CONNECT 4800指令后，同時(shí)收到電臺(tái)上報(bào)的大量異常亂碼數(shù)據(jù)。由于RIM中存儲(chǔ)AT指令的緩存區(qū)長(zhǎng)度為256 B，當(dāng)RIM接收到大量的亂碼時(shí)，會(huì)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(xiě)，引起軟件運(yùn)行異常，造成車(chē)載ATP無(wú)法正常發(fā)送SABME幀。

該類(lèi)問(wèn)題可以通過(guò)車(chē)載RIM軟件升級(jí)解決：一是優(yōu)化RIM軟件識(shí)別邏輯，當(dāng)RIM從電臺(tái)接收的數(shù)據(jù)解析不完整時(shí)，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(shí)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(zhǎng)度，確保RIM在收到大量異常數(shù)據(jù)時(shí)，AT指令接收緩存區(qū)不會(huì)越界，從而防止緩存區(qū)后面的數(shù)據(jù)被改寫(xiě)。目前，該問(wèn)題已結(jié)合300S設(shè)備V3.71.0018版軟件升級(jí)得到了解決。

3.2 車(chē)載多次發(fā)送SABME幀

2021年6月，一列安裝300S型ATP車(chē)載設(shè)備的動(dòng)車(chē)組發(fā)生了等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗。經(jīng)分析，ATP與RBC建立通信連接過(guò)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(huì)話建立失敗。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，車(chē)載ATP與RBC建立鏈路過(guò)程中，電臺(tái)正在進(jìn)行小區(qū)切換［8］，且下行鏈路存在7級(jí)質(zhì)差，車(chē)載ATP發(fā)送SABME幀，未收到RBC的UA確認(rèn)，后續(xù)車(chē)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(shí)，按協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鏈路進(jìn)行重置，造成對(duì)現(xiàn)有的通信鏈路進(jìn)行了釋放。

在GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)中，小區(qū)切換是硬切換［9］，在切換過(guò)程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀丟失或錯(cuò)誤的情況，但可以通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議中的T1定時(shí)器或選擇拒絕幀［10］實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重傳。該案例中，由于GSM-R小區(qū)切換點(diǎn)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(guò)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(chē)載ATP在T1定時(shí)器超時(shí)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(jì)，2021年在該位置發(fā)生過(guò)3起等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗，最終將該位置的GSM-R小區(qū)切換點(diǎn)進(jìn)行了更改，使其與地面RL應(yīng)答器組位置錯(cuò)開(kāi)，此問(wèn)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(chē)載設(shè)備的動(dòng)車(chē)組發(fā)生了等級(jí)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(qǐng)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(guò)6 s（300H設(shè)備T1定時(shí)器超時(shí)時(shí)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(kāi)，導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法轉(zhuǎn)入CTCS-3等級(jí)。

該問(wèn)題有以下3種解決方案。

1）如果是由于GSM-R小區(qū)切換點(diǎn)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(kāi)的，可將這2個(gè)位置錯(cuò)開(kāi)設(shè)置。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)整余量不足，且此問(wèn)題并非集中出現(xiàn)在某個(gè)固定位置，該方案無(wú)法徹底解決該問(wèn)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(zhǎng)T1定時(shí)器時(shí)間。該方案需要對(duì)全路所有安裝300H設(shè)備的動(dòng)車(chē)組都進(jìn)行軟件升級(jí)才能徹底解決該問(wèn)題，升級(jí)工作量大。

3）優(yōu)化RBC軟件，針對(duì)通信會(huì)話建立過(guò)程，由原來(lái)只能接收1次M155包，改為在RBC收到列車(chē)發(fā)送的M155包并向列車(chē)發(fā)送了M32包之后，在沒(méi)有收到車(chē)載設(shè)備回復(fù)的M146確認(rèn)包之前，或沒(méi)有收到標(biāo)識(shí)通信會(huì)話建立完成的M159包之前，或RBC內(nèi)部交權(quán)沒(méi)有取消之前，這段時(shí)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(guò)3次還收不到確認(rèn)消息時(shí)，RBC仍會(huì)發(fā)送斷開(kāi)安全連接請(qǐng)求。該方案既增強(qiáng)了RBC的適用性，又保留了對(duì)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(lèi)問(wèn)題得到了根本性的解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗問(wèn)題與無(wú)線通信超時(shí)問(wèn)題一樣，是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，涉及車(chē)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(jí)轉(zhuǎn)換失敗案例，針對(duì)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(wèn)題，可為后續(xù)分析等級(jí)轉(zhuǎn)換失敗問(wèn)題提供思路和方法。