C3 無(wú)線超時(shí)分析系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用探討

林之平 周建 楊勇

1.中國(guó)鐵路成都鐵路局集團(tuán)有限公司；2.四川華控安通科技有限公司

CTCS-3 級(jí)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)C3 列控系統(tǒng)）是我國(guó)CTCS-3 級(jí)高速鐵路的重要技術(shù)裝備，是鐵路技術(shù)體系和裝備現(xiàn)代化的重要組成部分。近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，越來(lái)越多的高速鐵路或客運(yùn)專(zhuān)線基于CTCS-3 系統(tǒng)進(jìn)行建設(shè)，但不論是在線路開(kāi)通前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，還是線路開(kāi)通后的正常運(yùn)營(yíng)階段，經(jīng)常出現(xiàn)車(chē)載ATP 無(wú)線連接超時(shí)故障，而無(wú)線超時(shí)在一定程度上也影響了鐵路運(yùn)輸效率[1]。

具體來(lái)說(shuō)，CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)主要包括列控車(chē)載系統(tǒng)（ATP）、鐵路專(zhuān)用移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）和無(wú)線閉塞中心（RBC），系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)存在異常都會(huì)反映到列控車(chē)載設(shè)備，表現(xiàn)為無(wú)線連接超時(shí)。無(wú)線超時(shí)是指車(chē)或地在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（20s）沒(méi)有接收到對(duì)方發(fā)送的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，則判斷為通信超時(shí)。C3 降級(jí)是指列車(chē)采用C3 列控系統(tǒng)控制列車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于車(chē)載ATP 設(shè)備與地面RBC 之間無(wú)線通信超時(shí)使得列車(chē)觸發(fā)常用制動(dòng)，在速度降低到CTCS-2 級(jí)列控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)C2，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行速度為250km/h）允許的運(yùn)行速度后自動(dòng)轉(zhuǎn)換到C2 列控系統(tǒng)繼續(xù)工作。

CTCS-3 級(jí)無(wú)線通信超時(shí)是鐵路信號(hào)故障整治的重點(diǎn)和難點(diǎn)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司聯(lián)合各鐵路局集團(tuán)公司、通信信號(hào)廠商開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)整治以來(lái)，無(wú)線通信超時(shí)情況雖降幅顯著，但在鐵路信號(hào)故障中仍占有較大比例[2]。2020 年，全路C3 運(yùn)行線路總里程為1.63 萬(wàn)公里，共發(fā)生C3 超時(shí)7030 次，發(fā)生C3 等級(jí)降級(jí)C2 等級(jí)3441 次。以300S 型設(shè)備C3 降級(jí)為例，2020 年300S 設(shè)備發(fā)生超時(shí)2548 次，每百萬(wàn)公里無(wú)線超時(shí)17.28 次；其中超時(shí)導(dǎo)致設(shè)備降級(jí)309 次，每百萬(wàn)公里降級(jí)2.14 次。無(wú)線超時(shí)主要原因分為RBC 問(wèn)題（占比8%）、車(chē)載問(wèn)題（占比48%）、通信問(wèn)題（占比27%）、CRC 漏檢（占比2%）及原因不明（占比15%），故針對(duì)CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線超時(shí)問(wèn)題仍需尋找新的解決方案。

對(duì)CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)車(chē)地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)接口和采集，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)CTCS-3 級(jí)無(wú)線超時(shí)事件，自動(dòng)收集超時(shí)事件相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)診斷分析無(wú)線超時(shí)事件，提升CTCS-3 級(jí)超時(shí)原因分析的準(zhǔn)確性，將維護(hù)人員從傳統(tǒng)的以人工為主的煩瑣工作中解脫出來(lái)，為管理部門(mén)提供CTCS-3 級(jí)無(wú)線超時(shí)管理更便捷的支撐服務(wù)[3]，對(duì)提升CTCS-3 級(jí)高速鐵路運(yùn)行效率，保障鐵路運(yùn)行安全具有重要意義。

基于此，提出一種通過(guò)綜合分析和故障定位技術(shù)分析C3 無(wú)線超時(shí)故障的C3 無(wú)線超時(shí)分析系統(tǒng)。

1 現(xiàn)狀描述

近年來(lái)，各鐵路局現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和數(shù)據(jù)分析人員的水平有了很大提高，也積累了相對(duì)多的寶貴經(jīng)驗(yàn)，但由于缺乏對(duì)整個(gè)C3 系統(tǒng)的深刻認(rèn)知和相應(yīng)的綜合分析監(jiān)測(cè)手段，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的各種CTCS-3 無(wú)線連接超時(shí)問(wèn)題，很多沒(méi)有得到徹底的分析和解決，具體表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：（1）由于C3 列控系統(tǒng)同時(shí)涉及信號(hào)專(zhuān)業(yè)和通信專(zhuān)業(yè)，系統(tǒng)環(huán)節(jié)復(fù)雜，缺失相應(yīng)的復(fù)合型人才，且目前未建立規(guī)范和有效的聯(lián)合分析的思路；（2）C3 無(wú)線超時(shí)的原因覆蓋到系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，因其監(jiān)測(cè)手段不夠完善，缺少無(wú)線空中接口和地面RBC 側(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，導(dǎo)致很多故障點(diǎn)無(wú)法深入分析和準(zhǔn)確定位；（3）各監(jiān)測(cè)設(shè)備和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)目前相對(duì)孤立，缺乏針對(duì)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)整和對(duì)C3 超時(shí)問(wèn)題的綜合智能分析。

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為分析車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)出現(xiàn)的無(wú)線超時(shí)故障問(wèn)題，系統(tǒng)在C3 列控系統(tǒng)的各個(gè)主要設(shè)備之間增加了監(jiān)測(cè)接口，記錄設(shè)備之間的交互數(shù)據(jù)和信號(hào)狀態(tài)，為無(wú)線超時(shí)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

系統(tǒng)的基本思路是采集C3 列車(chē)控制系統(tǒng)各設(shè)備及設(shè)備之間的接口數(shù)據(jù)，通過(guò)建立故障模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線超時(shí)故障的故障定位、故障原因和處置建議。

系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)C3 列控系統(tǒng)無(wú)線超時(shí)問(wèn)題的分析判斷，首先要按照數(shù)據(jù)的傳送徑路，與各關(guān)鍵列控設(shè)備接口采集設(shè)備的維護(hù)數(shù)據(jù)，并采集列控設(shè)備之間接口的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，獲得可供分析的源頭數(shù)據(jù)。系統(tǒng)將整體數(shù)據(jù)傳送流程分為五段，采集了RBC 維護(hù)數(shù)據(jù)、RBC-MSC之間的PRI 接口數(shù)據(jù)、Um 接口（無(wú)線空口）數(shù)據(jù)、車(chē)載電臺(tái)MT 與無(wú)線傳輸單元之間的Igsm-r 接口數(shù)據(jù)、ATP 的JRU 記錄數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用層之間按照列控業(yè)務(wù)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，底層的網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層等底層協(xié)議不同，對(duì)無(wú)線超時(shí)故障都可能產(chǎn)生影響，都需要根據(jù)故障模型進(jìn)行分析。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)無(wú)線超時(shí)故障定位綜合分析，在車(chē)載、地面都需要增加相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。本系統(tǒng)可以分三層：即地面層、車(chē)載層、網(wǎng)絡(luò)層，具體描述如下。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2.2.1 地面層

（1）系統(tǒng)在地面?zhèn)仍黾拥孛娼涌诜?wù)器。地面接口服務(wù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)一匯集地面設(shè)備包括C3-RBC、TSRS 服務(wù)器以及GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中GSM-R 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)接口與TSRS 服務(wù)器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)接口為預(yù)留。地面接口服務(wù)器通過(guò)終端能夠自動(dòng)獲取到國(guó)產(chǎn)化RBC 主控單元和通信機(jī)的日志；同時(shí)也能夠自動(dòng)獲取到自主化RBC主控單元和ISDN 的日志。地面接口服務(wù)器在匯集數(shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)初步對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間和順序進(jìn)行整理，可進(jìn)行算法壓縮。地面主要在ISDN 入口處增加數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來(lái)獲取C3-RBC 的主要數(shù)據(jù)。地面接口服務(wù)器需要包括采集模塊、分析處理模塊和服務(wù)器模塊。

（2）系統(tǒng)在地面?zhèn)仍黾訑?shù)據(jù)中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)一匯集車(chē)載設(shè)備、地面設(shè)備、通信接口數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)各設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)具備確認(rèn)接收功能，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類(lèi)、合并和存儲(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的索引查詢(xún)。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器具備對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和配置功能，例如，未上報(bào)無(wú)線超時(shí)正常數(shù)據(jù)定期刪除、故障歷史數(shù)據(jù)定期備份、自動(dòng)生成以時(shí)間為單位（周、月、季、年）的統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

（3）系統(tǒng)在地面?zhèn)仍黾釉\斷服務(wù)器。地面增加診斷服務(wù)器，主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線超時(shí)數(shù)據(jù)綜合診斷和分析，包括：接收數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、清洗數(shù)據(jù)、超時(shí)診斷算法、診斷結(jié)果輸出。

（4）系統(tǒng)在地面?zhèn)仍黾臃治鼋K端。分析終端負(fù)責(zé)訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，能夠查詢(xún)和導(dǎo)出故障數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)；對(duì)于一件故障能夠分開(kāi)和統(tǒng)一導(dǎo)入各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，包括通信接口數(shù)據(jù)；能夠依據(jù)查詢(xún)范圍獲取數(shù)據(jù)中心服務(wù)器統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并顯示圖表；能夠?qū)γ總€(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)添加專(zhuān)家分析內(nèi)容，同時(shí)具備標(biāo)記數(shù)據(jù)功能。

2.2.2 車(chē)載層

（1）系統(tǒng)在車(chē)載側(cè)增加車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備。車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和記錄Um 接口（空口）信令和數(shù)據(jù)，主要功能包括記錄MT 與基站BTS 間的GSM 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議信令、記錄MT 透?jìng)鞯腁TP 數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)MT 發(fā)射信號(hào)的電平以及信號(hào)質(zhì)量、監(jiān)測(cè)接收到基站BTS 的信號(hào)電平以及信號(hào)質(zhì)量、監(jiān)測(cè)相鄰小區(qū)基站的信號(hào)電平。

（2）系統(tǒng)在車(chē)載側(cè)增加車(chē)載接口和無(wú)線下載單元。車(chē)載接口單元負(fù)責(zé)統(tǒng)一匯集車(chē)載相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)，包括匯集RIM 故障數(shù)據(jù)、MT 記錄模塊數(shù)據(jù)、空口監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、列車(chē)JRU 數(shù)據(jù)、MT 數(shù)據(jù)、UM 數(shù)據(jù)，經(jīng)GSM-R 無(wú)線數(shù)據(jù)通道，采用FTP 和TCP 協(xié)議傳輸至地面數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是承載各車(chē)設(shè)備之間、車(chē)地之間信息傳輸?shù)耐ǖ溃譃榈孛婀潭ňW(wǎng)絡(luò)和車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)。地面固定網(wǎng)絡(luò)采用鐵路專(zhuān)用傳輸網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況組成星型網(wǎng)絡(luò)或環(huán)形網(wǎng)絡(luò)；車(chē)地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)采用GSM-R 通道作為信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.3 綜合分析和故障定位

本系統(tǒng)最核心的算法是無(wú)線超時(shí)故障定位和綜合分析的故障庫(kù)建立和算法分析。分析的主要過(guò)程包括：

（1）設(shè)備狀態(tài)分析，通過(guò)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)提取出各相關(guān)設(shè)備是否存在故障報(bào)警或宕機(jī)。

（2）接口控制協(xié)議分析。從監(jiān)測(cè)接口的各環(huán)節(jié)分析數(shù)據(jù)，例如，通過(guò)電臺(tái)記錄數(shù)據(jù)分析ATP（適配器模塊）與電臺(tái)之間上電初始化信號(hào)控制和信令是否正常。AT 指令和信號(hào)符合具體實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

（3）車(chē)地?zé)o線通信協(xié)議分析。對(duì)照車(chē)地兩端數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議分析，數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、安全層、應(yīng)用層。提取電臺(tái)記錄數(shù)據(jù)、Um 接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和C3-RBC 接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的車(chē)地?zé)o線通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并對(duì)比三個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（4）GSM-R 無(wú)線通信協(xié)議分析。提取電臺(tái)記錄數(shù)據(jù)的呼叫和斷開(kāi)AT 指令和Um 接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信令，分析GSM-R 信令、協(xié)議和流程應(yīng)符合《3GPP TS 04.08》《3GPP TS 04.06》。

（5）故障定位分析。建立C3 無(wú)線超時(shí)可能的故障模型庫(kù)，根據(jù)以上分析數(shù)據(jù)，匹配故障模型庫(kù)的條目，確定故障部位、故障原因、處理建議等內(nèi)容。

2.4 診斷報(bào)告

系統(tǒng)分析的故障結(jié)果信息，可在終端上進(jìn)行展示。系統(tǒng)接口采集的各類(lèi)原始數(shù)據(jù)、過(guò)程信息、過(guò)程模型等相關(guān)信息，也可以在終端上展現(xiàn)和查詢(xún)。

系統(tǒng)分析出故障后，可根據(jù)一段時(shí)間的分析結(jié)果自動(dòng)給出分析報(bào)告及故障統(tǒng)計(jì)報(bào)表等相關(guān)信息，供相關(guān)數(shù)據(jù)分析人員調(diào)閱和查看，實(shí)現(xiàn)C3 無(wú)線超時(shí)分析的自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化。

3 系統(tǒng)安全性

系統(tǒng)采用多項(xiàng)措施保障接口和數(shù)據(jù)采集的安全性，主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 系統(tǒng)與列控設(shè)備接口的安全性

系統(tǒng)安裝了車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備，車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備不與信號(hào)設(shè)備接口，僅接收空口信息，將采集信息發(fā)送給車(chē)載接口單元，不向外發(fā)射信號(hào)，不會(huì)對(duì)車(chē)載設(shè)備功能造成影響；設(shè)備故障后，不會(huì)影響車(chē)載設(shè)備正常工作。因此，車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用不會(huì)降低車(chē)載設(shè)備的安全性和可靠性。

3.2 車(chē)載接口單元和無(wú)線下載單元的安全性

車(chē)載接口設(shè)備單向采集RIM 故障數(shù)據(jù)、MT 記錄模塊數(shù)據(jù)、空口監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，不與主控信號(hào)設(shè)備接口，不向外發(fā)送數(shù)據(jù)，不會(huì)對(duì)車(chē)載設(shè)備功能造成影響；設(shè)備故障后，不會(huì)影響車(chē)載設(shè)備正常工作。因此，車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用不會(huì)降低車(chē)載設(shè)備的安全性和可靠性。

3.3 地面服務(wù)器的安全性

地面接口服務(wù)器采用ISDN 并聯(lián)采集RBC-MSC 數(shù)據(jù)，不向外發(fā)送信號(hào)，不會(huì)對(duì)地面RBC 設(shè)備功能造成影響；設(shè)備故障后，不會(huì)影響地面RBC 設(shè)備正常工作。因此，車(chē)載空口監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用不會(huì)降低地面RBC 設(shè)備的安全性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，CTCS-3 級(jí)高速鐵路車(chē)載ATP 無(wú)線超時(shí)直接影響高速鐵路列車(chē)運(yùn)行效率。本系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)列車(chē)空口質(zhì)量，與RBC、ATP、GSM-R 通信系統(tǒng)接口，對(duì)車(chē)地C3 列控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集中綜合分析，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)和查找C3 無(wú)線超時(shí)問(wèn)題，定位故障原因和故障部位，自動(dòng)生成C3 無(wú)線超時(shí)故障報(bào)告，具有可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)和實(shí)時(shí)高效等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)保障我國(guó)鐵路高效運(yùn)行與安全發(fā)揮重要作用。