楊 林

北京鐵路局北京通信段GSM-R技術(shù)支持中心，北京 100860

高鐵通信環(huán)境中CTCS-3降級分析與處理

楊 林

北京鐵路局北京通信段GSM-R技術(shù)支持中心，北京 100860

首先針對CTCS-3系統(tǒng)的架構(gòu)，對其數(shù)據(jù)傳輸模塊以及之間的接口功能展開了必要的說明，而后在此基礎(chǔ)之上，就CTCS-3降級的成因和判斷方法展開了討論。

GSM-R；CTCS-3；降級；接口

我國鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)300～350 km/h高速客運(yùn)專線環(huán)境中，GSM-R（Global System for Mobile Communications Railway）網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)著列車與地面站之間的信息傳輸，用以實(shí)現(xiàn)有效的列車控制。在GSM-R體系框架之下，CTCS-3（Chinese Train Control System-3）列控系統(tǒng)作為我國最先進(jìn)的列車運(yùn)行控制體系，采用目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式，以及與設(shè)備制動優(yōu)先聯(lián)合運(yùn)行方式對列車運(yùn)行過程展開監(jiān)控，確保安全[1]。CTCS-3列控模式的運(yùn)行穩(wěn)定性，直接關(guān)系到整個(gè)列車運(yùn)行體系的安全水平。然而在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)GSM-R系統(tǒng)中的列車與地面設(shè)備之間的無線通信連接超時(shí)時(shí)，CTCS-3控制就會由C3降級為C2模式進(jìn)行控制；降級之后，地面方面會刪除列車注冊信息并且重新建立連接，同時(shí)嘗試回復(fù)C3控制模式。在列控系統(tǒng)降級和回復(fù)的過程中，列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP，Automatic Train Protection）會控制列車輸出最大常用制動，甚至迫使停車，并且如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未能恢復(fù)到C3級別，則ATP會進(jìn)一步向司機(jī)發(fā)出確認(rèn)消息，將系統(tǒng)降為C2級別運(yùn)行。在司機(jī)確認(rèn)之前，ATP系統(tǒng)的制動會給行車帶來較大隱患。尤其是在高速環(huán)境之下，安全問題就尤為突出。針對此種情況，深入考察降級所形成的原因，實(shí)現(xiàn)GSM-R系統(tǒng)的整體優(yōu)化，對于確保高鐵安全運(yùn)行而言，有著不容忽視的積極價(jià)值。

1 CTCS-3系統(tǒng)的構(gòu)成與降級原因分析

CTCS-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖1。

圖1 CTCS-3系統(tǒng)邏輯圖

在CTCS-3系統(tǒng)中，地面端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的節(jié)點(diǎn)為無線閉塞中心（RBC，Raid Block Center），而車載端則為車載控制單元（OBC，On-Board Controller），二者之間通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，包括移動交換中心（MSC，Mobile Switching Center）、基站控制器（BSC，Base Station Control）以及基站收發(fā)臺（BTS，Base Transceiver Station），而BSC與BTS共同構(gòu)成基站子系統(tǒng)（BSS，Base Station Subsystem）。在不同的功能環(huán)節(jié)之間，存在四個(gè)接口，用于實(shí)現(xiàn)不同模塊的數(shù)據(jù)傳輸。其中，基群速率接口（Pri，Primary Rate Interface）用于實(shí)現(xiàn)源于運(yùn)營商的語音服務(wù)，位于地面站和GSM-R系統(tǒng)之間；A接口是MSC與基站子系統(tǒng)之間，即MSC與BSC之間的對話接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的2.048 Mbit/s的數(shù)字傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)移動臺、基站以及接續(xù)管理等信息；Abis接口為基站子系統(tǒng)的兩個(gè)功能實(shí)體BSC和BTS之間的通信接口，用以實(shí)現(xiàn)二者之間的遠(yuǎn)端互連[2]。該接口支持面向用戶的所有服務(wù)，并且能夠?qū)TS無線設(shè)備的控制和無線頻率進(jìn)行分配管理；Um接口作為車載端與GSM-R之間的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的通信，完成分組數(shù)據(jù)傳輸以及會話和無線資源等方面的管理，實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的信令信息和業(yè)務(wù)信息的傳遞[3]。

2 CTCS-3降級分析與定位

CTCS-3降級的來源，從根本上看是GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)漠惓！Ｔ趥鬏敵瑫r(shí)的情況下，CTCS系統(tǒng)才會采取自動降級的方式來實(shí)現(xiàn)對列車的保護(hù)。對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳輸而言，只要發(fā)生了車載端OBC與地面端RBC之間的通信中斷超過規(guī)定時(shí)長，即被判斷為超時(shí)故障。在CTCS-3框架之下，定義了參數(shù)T_NVCONTACT，用以描述無線通信環(huán)境下兩個(gè)相鄰報(bào)文之間的最大間隔時(shí)間，并且作為判斷通信是否正常，是否存在超時(shí)故障的信號。在我國CTCS-3標(biāo)準(zhǔn)中，該參數(shù)的設(shè)定為7～20 s，在不同環(huán)境中確定不同閾值。超過該閾值之后，自動降低到CTCS-2級運(yùn)行，并且詢問工作人員做出進(jìn)一步的判斷[4]。

在CTCS-3系統(tǒng)出現(xiàn)超時(shí)故障的時(shí)候，首先應(yīng)對Pri接口信令進(jìn)行查看，判斷是否存在中斷標(biāo)記DIS CONNECT。該標(biāo)記可以用于確定故障位于RBC地面端，還是由Rpi接口鏈路中斷引發(fā)。如果確定地面端正常，而接口方面存在故障，則需要進(jìn)一步查詢Pri鏈路應(yīng)用層數(shù)據(jù)，結(jié)合中斷狀況出現(xiàn)的地點(diǎn)，進(jìn)一步判斷中斷的發(fā)生位置，通過查看RBC切換狀況，確定故障原因。如果Pri鏈路應(yīng)用層數(shù)據(jù)顯示通信中斷異常，則需要進(jìn)一步依據(jù)接口中斷標(biāo)志確定中斷方向。通常而言，如果RBC向MSC發(fā)起中斷，則可以通過Pri鏈路數(shù)據(jù)中的RBC，最后收到應(yīng)用層信息以及時(shí)間間隔，和接口鏈路層通信情況來對故障狀況進(jìn)行判斷。考察屬于無線因素還是通信軟件件因素，又或者是否發(fā)生了設(shè)備故障等。MSC向RBC發(fā)起中斷，則可以依據(jù)T_NVCONTACT閾值時(shí)間內(nèi)OBC是否有上報(bào)列車位置信息，以及對應(yīng)的回應(yīng)情況進(jìn)行判斷。如果MSC向RBC和BSC均存在發(fā)起中斷，則故障可能因?yàn)镸SC異常拆鏈造成；如果BSC向MSC和BTS發(fā)起中斷，并且進(jìn)一步引起MSC向RBC發(fā)起中斷，則需要進(jìn)一步綜合T_NVCONTACT時(shí)間內(nèi)通信質(zhì)量、上下行電平以及切換狀況來確定故障位于鏈路還是設(shè)備；而如果BTS向BSC發(fā)起中斷，同樣應(yīng)當(dāng)考察通信質(zhì)量、上下行電平以及切換。如果均正常，則依據(jù)Pri接口數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)來確定故障位于OBC測還是RBC與OBC通信軟件環(huán)境中[5]。

在故障發(fā)生的時(shí)候，基于故障的準(zhǔn)確定位，進(jìn)一步展開具有針對性的處理工作，是確保整個(gè)鐵路運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。如果在同一個(gè)小區(qū)頻繁出現(xiàn)降級，基站下行質(zhì)量連續(xù)不佳，越區(qū)切換頻繁掉線，則可以重點(diǎn)考慮單站設(shè)備故障或者該小區(qū)附近外網(wǎng)干擾問題。對于此種狀況，首先應(yīng)定位被干擾小區(qū)，同時(shí)閉鎖該小區(qū)載頻，進(jìn)一步在現(xiàn)場展開考察，確定設(shè)備干擾源清理之后，再對小區(qū)設(shè)備恢復(fù)正常工作狀態(tài)，通常就可以實(shí)現(xiàn)故障排除。如果在同一個(gè)小區(qū)頻繁出現(xiàn)降級的狀況，并且RBC以及OBC之間無交互信息或者信令異常，則基本可以確定故障小區(qū)基站環(huán)傳輸或者基站環(huán)子時(shí)隙發(fā)生故障。此種問題首先應(yīng)對該小區(qū)基站環(huán)傳輸告警信息進(jìn)行確定和處理，針對告警狀況對故障單元進(jìn)行閉鎖隔離；而后進(jìn)一步依據(jù)Abis數(shù)據(jù)確定出對應(yīng)降級時(shí)刻使用的子時(shí)隙，考察是否存在子時(shí)隙閉鎖問題[6]。如果仍然無法排除故障，則應(yīng)當(dāng)將故障小區(qū)所在基站環(huán)的環(huán)方向進(jìn)行倒換，對故障展開進(jìn)一步的確認(rèn)。

3 結(jié)論

CTCS-3的降級，是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的一個(gè)綜合性動作，實(shí)際工作中應(yīng)著眼全局，深入細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)有效判斷。除此以外，在當(dāng)前大數(shù)據(jù)環(huán)境之下，對于鐵路通信系統(tǒng)故障的管理同樣應(yīng)積極引入相關(guān)信息技術(shù)，力求實(shí)現(xiàn)事前控制。通過監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集整個(gè)工作體系中的數(shù)據(jù)傳輸狀況，掌握具體環(huán)節(jié)的通信薄弱特征，借此更有效地發(fā)現(xiàn)故障，最終推動系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

[1]中華人民共和國鐵道部. 鐵運(yùn)[2012]211號.CTCS-3級列控車載設(shè)備規(guī)范(暫行)[S]．2012.

[2]陳飛.基于高精度定位技術(shù)的新型車站信號控制系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

[3]楊宏圖，許貴陽，侯衛(wèi)星.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)，2010，33（1）：31-34.

[4]郭媛忠，宗殿貴.CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)原理和應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

[5]劉秋明，郭嘉，葛海平，徐輝.高速鐵路對 GSM 網(wǎng)絡(luò)帶來的影響及其解決方案[J].電信科學(xué)，2007，23（11）：81-84.

[6]黎國清，楊愛紅，許貴陽. 既有線提速綜合檢測技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 中國鐵路，2008（5）：20-22.

Analysis and Treatment of CTCS-3 Degradation in High Speed Railway Communication Environment

Yang Lin
GSM-R Technical Support Center of Beijing Communication Section of Beijing Railway Administration, Beijing 100860

First of all, according to the architecture of CTCS-3 system, the data transmission module and the interface function between them are described. Then, the causes and judgment methods of CTCS-3 degradation are discussed.

GSM-R; CTCS-3; downgrade; interface

U285.2

A

1009-6434（2017）7-0020-02