趙 琳，張 浩，楊洪權(quán)

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

我國(guó)高速鐵路逐步成網(wǎng)，對(duì)高速鐵路的運(yùn)輸效率提出了更高的要求。為保證 300 km/h 及以上的列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度，需要有更安全可靠的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“列控系統(tǒng)”)。CTCS-3 級(jí)(Chinese Train Control System Level 3) 列控系統(tǒng)是目前世界上先進(jìn)的列控系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸成為我國(guó)高速鐵路列控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。無(wú)線閉塞中心(Radio Block Center，RBC) 系統(tǒng)是 CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的核心設(shè)備，控制高速鐵路列車(chē)的運(yùn)行和追蹤，保證其管轄范圍內(nèi)的高速鐵路列車(chē)行車(chē)安全。自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試是保證自主化 RBC系統(tǒng)間能夠協(xié)同工作的主要驗(yàn)證手段，針對(duì)自主化RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試技術(shù)的研究對(duì)滿足高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)需求具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通過(guò)程分析

單套 RBC 系統(tǒng)的實(shí)際控制范圍有限，在初期設(shè)計(jì)高速鐵路線路時(shí)，將線路劃分為若干個(gè)固定區(qū)域，分別由不同的 RBC 系統(tǒng)控制。高速鐵路列車(chē)在跨 RBC 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，列車(chē)超速防護(hù) (Automatic Train Protection，ATP) 車(chē)載設(shè)備需要先后與不同的RBC 系統(tǒng)進(jìn)行通信，即管轄范圍相鄰的 RBC 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)控制權(quán)的安全移交，也就是 RBC 系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，保證高速鐵路列車(chē)在 RBC 移交過(guò)程中的運(yùn)行安全。RBC 系統(tǒng)間移交過(guò)程采用直接與相鄰 RBC 系統(tǒng)通信的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，當(dāng)高速鐵路列車(chē)從一個(gè) RBC 管轄范圍運(yùn)行到相鄰 RBC 管轄范圍時(shí) (即從移交 RBC 管轄范圍運(yùn)行到接收 RBC的管轄范圍)，RBC 系統(tǒng)間移交過(guò)程示意圖如圖1所示[2]。

圖1 RBC 系統(tǒng)間移交過(guò)程示意圖Fig.1 Handover transaction between RBC systems

ATP 車(chē)載設(shè)備使用 2 部 GSM-R 無(wú)線電臺(tái) (定義為電臺(tái) 1 和電臺(tái) 2) 或使用 1 部 GSM-R 無(wú)線電臺(tái) (定義為電臺(tái) 1) 均可以實(shí)現(xiàn) RBC 系統(tǒng)間的安全移交。根據(jù) ATP 車(chē)載設(shè)備電臺(tái)不同，可以分為雙電臺(tái)移交和單電臺(tái)移交。在 RBC 移交過(guò)程中，如果移交 RBC 檢測(cè)到不滿足移交流程時(shí)，均可取消移交流程。

高速鐵路列車(chē)有 2 部 GSM-R 無(wú)線電臺(tái)時(shí)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至移交邊界前，使用電臺(tái) 2 與接收 RBC 建立無(wú)線通信會(huì)話，當(dāng)列車(chē)最大安全前端越過(guò)移交邊界后，ATP 車(chē)載設(shè)備接收并使用從接收 RBC 發(fā)送的行車(chē)許可運(yùn)行。當(dāng)列車(chē)最大安全前端越過(guò)移交邊界，但未與接收 RBC 建立無(wú)線通信會(huì)話的情況下，ATP 車(chē)載設(shè)備仍然可以繼續(xù)使用移交 RBC 發(fā)送的行車(chē)許可運(yùn)行，當(dāng) ATP 車(chē)載設(shè)備與接收 RBC 的無(wú)通信時(shí)間超過(guò)車(chē)地通信中斷時(shí)間時(shí)，ATP 車(chē)載設(shè)備才觸發(fā)最大常用制動(dòng)。采用雙電臺(tái)移交方式，大大延長(zhǎng)了 ATP 車(chē)載設(shè)備與接收 RBC 的通信建立時(shí)間，基本保證了高速鐵路列車(chē)在不減速的前提下順利越過(guò)移交邊界[3]。雙電臺(tái)移交流程示意圖如圖2 所示。

高速鐵路列車(chē)有 1 部 GSM-R 無(wú)線電臺(tái)時(shí)，當(dāng)列車(chē)最小安全末端越過(guò)移交邊界，與移交 RBC 斷開(kāi)連接后，ATP 車(chē)載設(shè)備使用該電臺(tái)與接收 RBC 建立通信會(huì)話后并使用接收 RBC 發(fā)送的行車(chē)許可運(yùn)行。如果 ATP 車(chē)載設(shè)備從與移交 RBC 斷開(kāi)連接到與接收 RBC 建立通信會(huì)話的時(shí)間超過(guò)了車(chē)地通信中斷時(shí)間，ATP 車(chē)載設(shè)備觸發(fā)最大常用制動(dòng)。相比雙電臺(tái)移交，ATP 車(chē)載設(shè)備采用單電臺(tái)移交方式雖然會(huì)增大車(chē)地通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)，但可以提高高速鐵路列車(chē)的使用效率，在只有 1 部 GSM-R 無(wú)線電臺(tái)的情況下，高速鐵路列車(chē)仍然可以正常運(yùn)營(yíng)[3]。單電臺(tái)移交流程示意圖如圖3 所示。

在 RBC 移交過(guò)程中，當(dāng)移交 RBC 檢測(cè)到不滿足移交流程時(shí)，移交 RBC 向接收 RBC 發(fā)送移交取消消息，如果此時(shí) ATP 車(chē)載設(shè)備與接收 RBC 已建立連接，接車(chē) RBC 向 ATP 車(chē)載設(shè)備發(fā)送通信會(huì)話結(jié)束命令。RBC 移交取消流程示意圖如圖4 所示。

2 自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試技術(shù)研究

自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試內(nèi)容由各廠家擬制，經(jīng)中國(guó)鐵路總公司組織的專(zhuān)家組討論評(píng)審，最終形成了自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試案例，重點(diǎn)測(cè)試自主化 RBC 與既有 RBC 的功能差異項(xiàng)，以及 RBC 系統(tǒng)間的信息交互。測(cè)試內(nèi)容主要包 含 RBC 移 交 功 能 、RBC 系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 (Computer Based Interlocking，CBI)、調(diào)度集中 (Centralized Traffic Control，CTC)、臨時(shí)限速服務(wù)器 (Temporary Speed Restriction Server，TSRS) 外界系統(tǒng)接口測(cè)試等。RBC 移交功能測(cè)試主要包括雙電臺(tái)移交、單電臺(tái)移交、RBC 移交過(guò)程中縮短行車(chē)許可、移交過(guò)程中臨時(shí)限速的設(shè)置/撤銷(xiāo)、移交過(guò)程中 ATP 車(chē)載設(shè)備與 RBC 發(fā)生無(wú)線超時(shí)、ATP 車(chē)載設(shè)備注銷(xiāo)取消移交、ATP 車(chē)載設(shè)備降為 CTCS-2 級(jí)取消移交、移交 RBC 與接收RBC 通信中斷取消移交、接收RBC與 CBI 通信中斷取消移交、雙車(chē)追蹤等場(chǎng)景。RBC系統(tǒng)與 CBI，CTC，TSRS 等外界系統(tǒng)接口測(cè)試主要是通信協(xié)議層測(cè)試、應(yīng)用層功能測(cè)試和數(shù)據(jù)對(duì)位測(cè)試。

圖2 雙電臺(tái)移交流程示意圖Fig.2 Handover transaction with two mobiles

圖3 單電臺(tái)移交流程示意圖Fig.3 Handover transaction with signal mobile

在國(guó)產(chǎn)化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試中，存在缺少統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范、實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)差異大、試驗(yàn)分析手段匱乏等不足。因此，在自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試中，針對(duì)這些方面進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

（1）制定標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試規(guī)范。首先，根據(jù)《自主化無(wú)線閉塞中心功能需求》制定標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試規(guī)范和測(cè)試案例；其次，由中國(guó)鐵路總公司統(tǒng)一組織專(zhuān)家組根據(jù)測(cè)試規(guī)范開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)互通測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通測(cè)試，實(shí)際驗(yàn)證自主化 RBC 系統(tǒng)的互聯(lián)互通能力；最后，將實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)互通和現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通的測(cè)試結(jié)果反饋到規(guī)范和案例上來(lái)，推動(dòng)規(guī)范體系的完善。

圖4 RBC 移交取消流程示意圖Fig.4 Handover cancellation of RBC

（2）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試環(huán)境。在既有 RBC仿真測(cè)試環(huán)境中，只有 RBC 和 ATP 車(chē)載設(shè)備使用真實(shí)設(shè)備，其他信號(hào)設(shè)備都使用仿真設(shè)備，導(dǎo)致許多問(wèn)題在仿真環(huán)境中無(wú)法提前發(fā)現(xiàn)。與其相比，在自主化 RBC 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)互通測(cè)試環(huán)境中，除使用真實(shí)的 RBC 設(shè)備、ATP 車(chē)載設(shè)備、TSRS 設(shè)備和 CTC 設(shè)備外，還針對(duì) CBI 設(shè)備和列控中心(Train Control Center，TCC) 設(shè)備進(jìn)行仿真建模并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿真接口平臺(tái)軟件，從而使真實(shí)的 CBI 設(shè)備、TCC 設(shè)備能夠接入仿真測(cè)試環(huán)境中，使測(cè)試環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)更加接近[4-6]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室互聯(lián)互通測(cè)試，提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通測(cè)試中可能遇到的問(wèn)題，為現(xiàn)場(chǎng) RBC 互聯(lián)互通測(cè)試的順利展開(kāi)創(chuàng)造了條件。

（3）改進(jìn)試驗(yàn)分析手段。利用各廠家提供的RBC 數(shù)據(jù)解析軟件[7]，在測(cè)試過(guò)程中時(shí)刻記錄及分析 RBC 與 ATP 車(chē)載設(shè)備之間、RBC 與 RBC 之間，以及 RBC 與外界信號(hào)系統(tǒng)之間的交互消息，從而可以在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)更快捷地定位問(wèn)題原因，也可以實(shí)時(shí)確認(rèn)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，做到對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的雙重確認(rèn)。

3 自主化 RBC 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通測(cè)試研究

3.1 測(cè)試環(huán)境

按照大西客運(yùn)專(zhuān)線 (大同—西安) 專(zhuān)綜合試驗(yàn)段(原平—陽(yáng)曲) CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的列控?cái)?shù)據(jù)配置要求，采用 3 套自主化 RBC 系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)互通測(cè)試，測(cè)試用的設(shè)備包括CBI，TSRS，TCC，CTC，ATP 車(chē)載和自主化 RBC等設(shè)備，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)流走向分為 4 類(lèi)。自主化 RBC 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通測(cè)試環(huán)境示意圖如圖5 所示。

（1）軌道占用信息走向。CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的軌道占用信息由軌道電路采集，區(qū)間軌道電路將軌道占用信息傳給區(qū)間中繼 TCC 系統(tǒng)，再由區(qū)間中繼 TCC 系統(tǒng)傳給車(chē)站 TCC 系統(tǒng)，車(chē)站 TCC 系統(tǒng)將區(qū)間軌道占用信息發(fā)送給 CBI 系統(tǒng)。車(chē)站軌道電路將車(chē)站軌道占用信息發(fā)送給 CBI 系統(tǒng)，CBI 系統(tǒng)匯總區(qū)間和車(chē)站軌道占用信息后傳送給自主 RBC 系統(tǒng)。

（2）臨時(shí)限速信息走向。調(diào)度員從 CTC 系統(tǒng)界面輸入臨時(shí)限速信息，CTC 系統(tǒng)將臨時(shí)限速信息傳給 TSRS 系統(tǒng)，TSRS 系統(tǒng)再傳給自主化 RBC 系統(tǒng)和 TCC 系統(tǒng)并從自主化 RBC 系統(tǒng)和 TCC 系統(tǒng)接收臨時(shí)限速的執(zhí)行情況，反饋給 CTC 系統(tǒng)。

圖5 自主化 RBC 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)互聯(lián)互通環(huán)境示意圖Fig.5 Sketch diagram of independent RBC interoperability test environment

（3）無(wú)線消息信息走向。自主化 RBC 系統(tǒng)與ATP 車(chē)載設(shè)備之間交互無(wú)線消息，ATP 車(chē)載設(shè)備將列車(chē)位置報(bào)告、列車(chē)參數(shù)和行車(chē)許可請(qǐng)求等信息發(fā)送給自主化 RBC 系統(tǒng)。自主化 RBC 系統(tǒng)將行車(chē)許可、緊急停車(chē)等信息發(fā)送給 ATP 車(chē)載設(shè)備[8]。

（4）RBC 移交信息走向。自主化 RBC 系統(tǒng)與相鄰 RBC 系統(tǒng)之間交互移交信息，移交 RBC 向接收 RBC 發(fā)送預(yù)告信息、進(jìn)路相關(guān)信息請(qǐng)求等信息。同時(shí)，接收 RBC 向移交 RBC 發(fā)送授權(quán)相關(guān)信息、接管職責(zé)等。

3.2 測(cè)試問(wèn)題及分析

由于《CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)無(wú)線閉塞中心(RBC) 接口規(guī)范》《自主化無(wú)線閉塞中心暫行技術(shù)條件》等規(guī)范中未明確各種移交消息發(fā)送時(shí)機(jī)，各廠家對(duì)協(xié)議存在不同理解，導(dǎo)致 RBC 系統(tǒng)在互聯(lián)互通時(shí)存在功能上的差異，特別是在特殊、故障情況下的處理上更是存在較大區(qū)別。

（1）移交 RBC 取消移交邊界后的臨時(shí)限速處理方式不同。設(shè)置跨移交邊界的臨時(shí)限速，設(shè)置邊界前最后一個(gè)閉塞分區(qū)占用，第 1 套 RBC 和第 2 套R(shí)BC 發(fā)送縮短至移交邊界前的行車(chē)許可后，不發(fā)送取消移交邊界后的臨時(shí)限速，第 3 套 RBC 發(fā)送縮短至移交邊界前的行車(chē)許可后，發(fā)送取消移交邊界后的臨時(shí)限速。三套 RBC 取消移交邊界后臨時(shí)限速的處理方式不同，導(dǎo)致 ATP 車(chē)載設(shè)備人機(jī)界面上顯示的臨時(shí)限速圖標(biāo)個(gè)數(shù)不同。

（2）移交 RBC 發(fā)送 M#203 后計(jì)時(shí)長(zhǎng)短不同。第 1 套 RBC 發(fā)送 M#203 后計(jì)時(shí) 80 s 等待接收 M#222；第 2 套 RBC 發(fā)送 M#203 后不啟動(dòng)計(jì)時(shí)器；第 3 套 RBC 發(fā)送 M#203 后計(jì)時(shí) 70 s 等待接收M#222。三套 RBC 等待時(shí)間設(shè)定的區(qū)別導(dǎo)致雙車(chē)追蹤時(shí)，后車(chē)不能正常啟動(dòng)移交流程。

（3）接收 RBC 未初始化時(shí)的移交過(guò)程不同。第 1 套 RBC 未初始化時(shí)可以啟動(dòng)移交流程，接收RBC 拒絕響應(yīng) ATP 車(chē)載設(shè)備呼叫，并停止向移交RBC 發(fā)送消息，移交 RBC 判斷 RBC 間通信超時(shí)后停止向 ATP 車(chē)載設(shè)備發(fā)送消息，ATP 車(chē)載設(shè)備無(wú)線超時(shí)降為 CTCS-2 級(jí)運(yùn)行；第 2 套 RBC 未初始化時(shí)不啟動(dòng)移交流程，移交 RBC 判斷移交非法后停止向 ATP 車(chē)載設(shè)備發(fā)送消息，ATP 車(chē)載設(shè)備無(wú)線超時(shí)降為 CTCS-2 級(jí)運(yùn)行；第 3 套 RBC 未初始化時(shí)可以啟動(dòng)移交流程，接收 RBC 拒絕響應(yīng) ATP 車(chē)載設(shè)備呼叫，ATP 車(chē)載設(shè)備以 CTCS-3 級(jí)運(yùn)行至移交邊界停車(chē)。接收 RBC 時(shí)，三套 RBC 對(duì)于未初始化時(shí)具有不同移交設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致 ATP 車(chē)載設(shè)備在 RBC移交運(yùn)行時(shí)具有不同的現(xiàn)象。

3.3 解決方案

從測(cè)試問(wèn)題及分析可以看出，自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試問(wèn)題主要為自主化 RBC 在功能上的差異問(wèn)題。根據(jù)最終統(tǒng)計(jì)，因?yàn)橐?guī)范未明確導(dǎo)致的 RBC 系統(tǒng)功能差異共有 12 項(xiàng)。目前，這些差異項(xiàng)都已經(jīng)過(guò)中國(guó)鐵路總公司召開(kāi)專(zhuān)家組討論并最終細(xì)化到測(cè)試規(guī)范《CTCS-3 級(jí)自主化 ATP 車(chē)載設(shè)備和 RBC 測(cè)試大綱》中，測(cè)試問(wèn)題及分析中的 3 項(xiàng)差異問(wèn)題對(duì)應(yīng)增加的測(cè)試案例包括：①CTCS3-FT-224.4“取消接收 RBC 范圍內(nèi)臨時(shí)限速，當(dāng)車(chē)載設(shè)備的行車(chē)許可縮短至不再覆蓋該臨時(shí)限速區(qū)域，則移交 RBC 應(yīng)向車(chē)載設(shè)備發(fā)送取消臨時(shí)限速命令”；②CTCS3-FT-270.1“列車(chē)單電臺(tái)通過(guò) RBC 移交邊界，移交 RBC 發(fā)送完 M#203 后開(kāi)始計(jì)時(shí)，90 s 計(jì)時(shí)結(jié)束仍然未收到 M#222，向接收 RBC 發(fā)送 M#204取消移交流程”；③CTCS3-FT-271.1“接收 RBC未初始化條件下，接收 RBC 不與車(chē)載建立無(wú)線通信會(huì)話，不向移交 RBC 發(fā)送任何消息”[9]。

使用改進(jìn)后的試驗(yàn)分析手段，可以直接對(duì) RBC之間的通信數(shù)據(jù)加以分析，避免既有 RBC 互聯(lián)互通測(cè)試中出現(xiàn)問(wèn)題后需要重新復(fù)現(xiàn)并依靠網(wǎng)絡(luò)抓包的弊端，迅速定位到問(wèn)題是由于 3 套 RBC 之間的差異性導(dǎo)致。12 項(xiàng) RBC 系統(tǒng)功能差異項(xiàng)均已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試環(huán)境中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而驗(yàn)證了改進(jìn)后的仿真測(cè)試環(huán)境能發(fā)現(xiàn)絕大部分問(wèn)題。在后續(xù) RBC 產(chǎn)品應(yīng)用中，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境不具備測(cè)試的情況下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境驗(yàn)證也能達(dá)到相同的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

自主化 RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試，驗(yàn)證了自主化 RBC 系統(tǒng)的互聯(lián)互通功能，對(duì)于消除各廠家自主化 RBC 系統(tǒng)間的差異性，加快不同型號(hào) RBC 設(shè)備之間統(tǒng)型化的步伐，指導(dǎo)修訂更細(xì)致完善的自主化 RBC 相關(guān)規(guī)范具有重要的意義。針對(duì)自主化RBC 系統(tǒng)互聯(lián)互通測(cè)試技術(shù)的研究是 RBC 系統(tǒng)創(chuàng)新研究的重要組成部分，也為研制具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 RBC 系統(tǒng)提供了有利保證，從而能夠促進(jìn)我國(guó)高速鐵路 CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)一步豐富我國(guó) CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的技術(shù)體系，為高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供更可靠的技術(shù)保障。