胡莉麗 孫啟民 洪 波

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070 2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）

1 概述

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，鐵路信息化、智能化程度不斷完善，越來(lái)越多的非安全相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)相繼投入到鐵路的日常運(yùn)營(yíng)及維護(hù)工作中。在眾多非安全相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，部分業(yè)務(wù)系統(tǒng)與列車(chē)的運(yùn)營(yíng)及維護(hù)相關(guān)，為了能夠更好的發(fā)揮系統(tǒng)的作用，該部分系統(tǒng)需要獲取列車(chē)的實(shí)時(shí)位置信息。

由于現(xiàn)有列車(chē)已基本不具備安裝新定位裝置的條件，因此很難通過(guò)在列車(chē)加裝新設(shè)備的方式獲取列車(chē)的實(shí)時(shí)位置信息。另外，現(xiàn)行的絕大部分能夠提供列車(chē)位置信息的系統(tǒng)均屬于安全相關(guān)業(yè)務(wù)，為保障列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)，原則上亦不允許向新建的非安全相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)放提供列車(chē)實(shí)時(shí)位置信息的接口。為此，如何安全的向新增的智能化鐵路運(yùn)維系統(tǒng)提供列車(chē)的實(shí)時(shí)位置信息成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

2 列車(chē)位置信息定義

列車(chē)位置信息在列車(chē)運(yùn)行控制技術(shù)中具有重要地位，是列車(chē)高速安全運(yùn)行的基本保障。列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)（ATP）需要列車(chē)的實(shí)時(shí)速度、位置以及目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算速度防護(hù)曲線；地面列車(chē)控制系統(tǒng)根據(jù)列車(chē)位置信息實(shí)時(shí)更新軌道占用狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整后續(xù)列車(chē)的停車(chē)點(diǎn)；列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）根據(jù)列車(chē)位置信息和線路的限速信息計(jì)算出速度控制曲線，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行速度的自動(dòng)調(diào)整并保證列車(chē)的正點(diǎn)率以及乘坐舒適性[1]。

列車(chē)位置信息是用以表示列車(chē)在鐵路區(qū)間運(yùn)行及在車(chē)站到發(fā)或通過(guò)的空間矢量信息。目前CTCS-3級(jí)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)采用里程計(jì)和查詢應(yīng)答器相結(jié)合的方式進(jìn)行列車(chē)定位，其原理是在鐵路沿線間隔一定距離設(shè)置查詢應(yīng)答器，每個(gè)查詢應(yīng)答器存儲(chǔ)它自身的識(shí)別號(hào)碼、固定線路信息、限速信息、進(jìn)路信息等，列車(chē)每經(jīng)過(guò)一個(gè)查詢應(yīng)答器會(huì)讀取其識(shí)別號(hào)，通過(guò)查詢車(chē)載電子地圖獲得列車(chē)在軌道上的絕對(duì)位置信息。在兩個(gè)查詢應(yīng)答器之間，通過(guò)里程計(jì)計(jì)算而得出列車(chē)相對(duì)于絕對(duì)位置的相對(duì)距離[2]。

列車(chē)位置信息不僅僅指運(yùn)行線路及公里標(biāo)信息，還包括途經(jīng)無(wú)線網(wǎng)的小區(qū)標(biāo)識(shí)、經(jīng)緯度、占用股道、速度及行車(chē)方向等信息，各類(lèi)信息意義如表1所示。

3 列車(chē)位置信息的獲取途徑

列車(chē)的位置信息可以從CTCS-3列控系統(tǒng)、調(diào)度集中控制系統(tǒng)（CTC）、GPRS接口服務(wù)器系統(tǒng)（GRIS）、列控設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）及GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”）等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中提?。?/p>

1）CTCS-3列控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線報(bào)文實(shí)現(xiàn)車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備交互，其中車(chē)向地發(fā)送的無(wú)線消息里包括列車(chē)位置報(bào)告消息。根據(jù)無(wú)線報(bào)文定義規(guī)定，列車(chē)位置報(bào)告消息包括最近相關(guān)應(yīng)答器LRBG的編號(hào)、最近相關(guān)應(yīng)答器組與列車(chē)估計(jì)前端（在激活的駕駛室側(cè)）之間的距離、實(shí)際列車(chē)速度及相對(duì)于LRBG方向的列車(chē)運(yùn)行方向[3]等信息，通過(guò)解析計(jì)算可得到列車(chē)的公里標(biāo)、速度及行車(chē)方向。

表1 列車(chē)位置信息表Tab.1 Train position information

2）CTC系統(tǒng)通過(guò)車(chē)次號(hào)校核及調(diào)度命令信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)的校核及調(diào)度控制，車(chē)次號(hào)校核及調(diào)度命令信息中包含列車(chē)身份及列車(chē)位置信息，其中位置信息包括列車(chē)公里標(biāo)、速度、經(jīng)緯度及占用股道等信息[4]。

3）CIR與CTC通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面設(shè)備間的車(chē)次號(hào)校核及調(diào)度命令信息的傳送，而GRIS系統(tǒng)是GPRS網(wǎng)絡(luò)與地面CTC系統(tǒng)的通信中轉(zhuǎn)站。所有經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送的車(chē)地交互信息必須經(jīng)過(guò)GRIS轉(zhuǎn)發(fā)，因此通過(guò)GRIS系統(tǒng)能獲取車(chē)次號(hào)校核及調(diào)度命令信息中包含的列車(chē)位置信息，可獲取的位置信息包括列車(chē)公里標(biāo)、速度、經(jīng)緯度及占用股道等信息。

4）DMS系統(tǒng)負(fù)責(zé)列控車(chē)載設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，包括列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能監(jiān)測(cè)列車(chē)的運(yùn)行速度、里程、線路名稱(chēng)、車(chē)次等。因此能通過(guò)DMS系統(tǒng)獲取的列車(chē)位置信息包括公里標(biāo)、速度等信息。

5）接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)SM-R網(wǎng)絡(luò)電路域及分組域的全部主要接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)電路域業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，能獲取CTCS-3列控系統(tǒng)車(chē)地傳輸?shù)臒o(wú)線報(bào)文信息及途經(jīng)無(wú)線小區(qū)信息，通過(guò)無(wú)線報(bào)文信息可獲知列車(chē)的運(yùn)行線路、公里標(biāo)、速度及行車(chē)方向等信息；對(duì)分組域業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，能獲取車(chē)地間的車(chē)次號(hào)校核信息、調(diào)度命令信息，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可獲知列車(chē)的途經(jīng)無(wú)線小區(qū)、公里標(biāo)、速度、經(jīng)緯度、占用股道、速度及行車(chē)方向等信息。

4 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

從我國(guó)第一條采用GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)承載ITCS列控業(yè)務(wù)的青藏鐵路開(kāi)始，之后又陸續(xù)開(kāi)通了京津、武廣、滬寧、滬杭、京滬、哈大、滬昆等多條采用GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)承載CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)的高鐵線路，各條線路所屬路局的核心網(wǎng)機(jī)房都部署了接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)中各接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，通過(guò)采集、解析各接口的網(wǎng)絡(luò)信令及列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，識(shí)別列控用戶通信異常，并對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能及故障信息進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)。

最初的接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只監(jiān)測(cè)Abis接口、A接口及PRI接口，隨著高鐵線路相繼開(kāi)通，運(yùn)營(yíng)環(huán)境的多樣性及復(fù)雜性也有所增加，在分析無(wú)線超時(shí)故障時(shí)，僅依靠原有的三接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的接口數(shù)據(jù)不夠完善，以至于無(wú)法準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

為了能更好的分析無(wú)線超時(shí)故障并提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也逐步進(jìn)行完善：

1）電路域發(fā)展到能夠監(jiān)測(cè)Igsm-r接口、車(chē)載側(cè)Um接口、基站側(cè)Um接口、Abis接口、A接口及PRI接口的主要接口；

2）同時(shí)，鐵路分組域業(yè)務(wù)的應(yīng)用及相關(guān)維護(hù)技術(shù)也在不斷發(fā)展，承擔(dān)調(diào)度命令、列車(chē)進(jìn)路預(yù)告、無(wú)線車(chē)次號(hào)信息、列控設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸，因此接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)的Gb接口、Gn/Gp接口和Gi接口進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

3）另外，為完善C3跨局呼叫的跟蹤，保證跨局切換的連續(xù)性，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又增加了對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)7號(hào)信令相關(guān)接口的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)C/D接口、E/G接口、L接口及Gr接口的監(jiān)測(cè)。

目前，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的接口范圍已涵蓋電路域、分組域及7號(hào)信令子網(wǎng)的全部主要接口。

5 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中列車(chē)位置信息的提取及計(jì)算

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以從所監(jiān)測(cè)的電路域及分組域的多個(gè)接口提取位置信息，下面以電路域的A接口和分組域的Gb接口為例來(lái)說(shuō)明如何提取位置信息。

5.1 電路域A接口提取位置信息

5.1.1 通過(guò)A接口監(jiān)測(cè)到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息

1）可采集到所有列車(chē)（ATP）與地面列控設(shè)備(RBC)間傳輸?shù)臒o(wú)線報(bào)文信息，其中ATP向RBC發(fā)送的列車(chē)位置報(bào)告消息（消息136）中包含位置報(bào)告信息包（信息包0）或基于兩個(gè)應(yīng)答器組的位置報(bào)告信息包（信息包1），兩種信息包都包含變量NID_LRBG、Q_SCALE、D_LRBG、Q_DLRBG、V_TRAIN，分別表示最近相關(guān)應(yīng)答器組（LRBG）的標(biāo)識(shí)號(hào)、距離/長(zhǎng)度的分辨率、最近相關(guān)應(yīng)答器組與列車(chē)估計(jì)前端（在激活效駕駛室側(cè)）之間的距離、限定詞指出列車(chē)估計(jì)前端位于LRBG哪一側(cè)、實(shí)際列車(chē)速度。

2）通過(guò)NID_LRBG值計(jì)算列車(chē)公里標(biāo)：從應(yīng)答器配置表中對(duì)應(yīng)出應(yīng)答器組的公里標(biāo)及所在的上下行軌道，當(dāng)應(yīng)答器的方向在下行線路時(shí)：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車(chē)的公里標(biāo)=應(yīng)答器組公里標(biāo)-Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車(chē)的公里標(biāo)=應(yīng)答器組公里標(biāo)+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；當(dāng)應(yīng)答器的方向在上行線路時(shí)：如果Q_DLRBG為0（反向），則列車(chē)的公里標(biāo)=應(yīng)答器組公里標(biāo)+Q_SCALE*D_LRBG/1 000；如果Q_DLRBG為1（正向），則列車(chē)的公里標(biāo)=應(yīng)答器組公里標(biāo)-Q_SCALE*D_LRBG/1 000。

3）通過(guò)V_TRAIN值計(jì)算列車(chē)運(yùn)行速度：列車(chē)的速度= V_TRAIN*5。

5.1.2 通過(guò)A接口監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)信令

1）列車(chē)MT發(fā)起呼叫時(shí)，可采集到A接口攜帶的CM Service Request層3信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車(chē)所在小區(qū)的位置區(qū)標(biāo)識(shí)(LAC)及小區(qū)標(biāo)識(shí)(CI)，結(jié)合這兩個(gè)標(biāo)識(shí)值對(duì)應(yīng)出唯一的小區(qū)，得到小區(qū)信息[5]。

2）列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，MT發(fā)生越區(qū)切換時(shí)，可采集得到BSSMAP層的HANDOVER PERFORMED信令，從該條信令的Cell Identifier信元可解析獲得列車(chē)所在小區(qū)的位置區(qū)標(biāo)識(shí)(LAC)及小區(qū)標(biāo)識(shí)(CI)，結(jié)合這兩個(gè)標(biāo)識(shí)值對(duì)應(yīng)出唯一的小區(qū)，得到小區(qū)信息。

5.2 分組域Gb接口提取位置信息

5.2.1 通過(guò)Gb接口監(jiān)測(cè)到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息

1）可采集到調(diào)度命令及車(chē)次號(hào)校核信息。

2）調(diào)度命令中的“確認(rèn)和調(diào)車(chē)請(qǐng)求確認(rèn)數(shù)據(jù)幀”包含簽收地點(diǎn)公里標(biāo)值、簽收地點(diǎn)衛(wèi)星定位經(jīng)度、簽收地點(diǎn)衛(wèi)星定位緯度字段。GSM-R模式下CIR發(fā)送車(chē)次號(hào)信息數(shù)據(jù)幀中的“TXT輸出的列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)幀”包含時(shí)速和公里標(biāo)字段。

3）簽收地點(diǎn)公里標(biāo)值字段采用二進(jìn)制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標(biāo)符號(hào)位，Bit22表示公里標(biāo)為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標(biāo)絕對(duì)值，將該字段轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，即可得到列車(chē)的公里標(biāo)信息。

4）簽收地點(diǎn)衛(wèi)星定位經(jīng)度和簽收地點(diǎn)衛(wèi)星定位緯度字段采用壓縮BCD碼，低3個(gè)字節(jié)表示“分”，高字節(jié)表示“度”，將其轉(zhuǎn)為十進(jìn)制即可得到列車(chē)的經(jīng)緯度信息。

5）實(shí)速字段采用二進(jìn)制編碼，Bit9-Bit0表示速度，將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制即可得到列車(chē)速度信息[4]。

6）公里標(biāo)字段采用二進(jìn)制編碼，單位為m，高位在前，低位在后，Bit23是公里標(biāo)符號(hào)位，Bit22表示公里標(biāo)為遞增或遞減，Bit21-Bit0表示公里標(biāo)絕對(duì)值，將該字段轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，即可得到列車(chē)的公里標(biāo)信息。

5.2.2 通過(guò)Gb接口監(jiān)測(cè)到的網(wǎng)絡(luò)信令

可 采 集 到 UL-UNITDATA、BVC-RESET、BVC-RESET-ACK信令，這3類(lèi)信令均能解析得到Cell Identity信元和Routing Area Identification信元，Cell Identity信元提供小區(qū)標(biāo)識(shí)值，Routing Area Identification信元提供位置區(qū)標(biāo)識(shí)，結(jié)合這兩個(gè)標(biāo)識(shí)值對(duì)應(yīng)出唯一的小區(qū)，得到列車(chē)的小區(qū)信息[7]。

6 接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)列車(chē)位置信息共享方法探討

接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提取出運(yùn)行線路、公里標(biāo)、無(wú)線網(wǎng)小區(qū)、經(jīng)緯度、占用股道、速度及運(yùn)行方向等全方位的列車(chē)位置信息，而一些新增的非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)亦有使用列車(chē)位置信息的需求，為提高接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中列車(chē)位置信息的利用率，并保證列車(chē)位置信息的安全使用，現(xiàn)對(duì)位置信息共享方法進(jìn)行探討。

1）安全性設(shè)計(jì)

鑒于安全性的要求，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行身份認(rèn)證。連接成功后，非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)向接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送身份信息，包括系統(tǒng)IP地址、系統(tǒng)代號(hào)、接口協(xié)議代號(hào)、鑒權(quán)參數(shù)等，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)身份信息進(jìn)行驗(yàn)證，并返回認(rèn)證結(jié)果信息，包括認(rèn)證成功和認(rèn)證失敗。

a.如果認(rèn)證成功，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

b.如果認(rèn)證失敗，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)返回失敗原因，包括重復(fù)認(rèn)證、非法認(rèn)證等，并斷開(kāi)和非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連接。

2）高實(shí)時(shí)性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)位置信息的需求是高實(shí)時(shí)性的，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持TCP連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)推送，其中接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為服務(wù)端。

身份認(rèn)證成功后，非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)向接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送位置信息請(qǐng)求，位置信息請(qǐng)求消息的字段包括幀頭標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、位置信息類(lèi)型、車(chē)次號(hào)、時(shí)間等，其中位置信息類(lèi)型包括公里標(biāo)、小區(qū)、經(jīng)緯度、速度、行車(chē)方向等。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解析出需要的位置信息后，實(shí)時(shí)的向非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)發(fā)送位置信息，消息字段包括幀頭標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、位置信息類(lèi)型、位置信息值、車(chē)次號(hào)、時(shí)間等。數(shù)據(jù)交互流程圖如圖1所示。

3）低實(shí)時(shí)性要求的位置信息共享方法

如果非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)位置信息的需求是低實(shí)時(shí)性的，接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持Web Service方式進(jìn)行位置信息請(qǐng)求，當(dāng)非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)有位置信息需求時(shí)才發(fā)起請(qǐng)求。位置信息請(qǐng)求消息的字段包括幀頭標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、位置信息類(lèi)型、車(chē)次號(hào)、時(shí)間等，其中位置信息類(lèi)型包括公里標(biāo)、小區(qū)、經(jīng)緯度、速度、行車(chē)方向等。接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在收到位置信息請(qǐng)求后，給非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)回復(fù)位置信息，位置信息的字段包括幀頭標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、位置信息類(lèi)型、位置信息值、車(chē)次號(hào)、時(shí)間等。非涉安鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)回復(fù)位置信息確認(rèn)消息，消息字段包括幀頭標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)類(lèi)型、位置信息類(lèi)型、車(chē)次號(hào)、時(shí)間等。數(shù)據(jù)交互流程圖如圖2所示。

圖1 高實(shí)時(shí)性要求的位置信息共享流程圖Fig.1 Flow chart of sharing train position information with high real-time requirement system

圖2 低實(shí)時(shí)性要求的位置信息共享流程圖Fig.2 Flow chart of sharing train position information with low real-time requirement system

7 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)列車(chē)位置信息的多種獲取途徑以及接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，提出從接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提取列 車(chē)位置信息的方法，并可向非安全相關(guān)的且需要列車(chē)位置信息的鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)共享，以便實(shí)現(xiàn)這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)列車(chē)的定位及追蹤。同時(shí)，為保證列車(chē)位置信息的安全使用，本文也提出位置信息的多種共享方法來(lái)滿足安全性和實(shí)時(shí)性的要求。