陸守東

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海通信段，上海 200434）

1 概況

近十年來,中國高鐵的發(fā)展勢頭很快,截止2023 年11 月底,我國高速鐵路總營業(yè)里程已超過4.3 萬公里,穩(wěn)居全球首位。按照我國的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016-2030 年)，國內(nèi)將建設(shè)成“八縱八橫”高鐵骨干網(wǎng)。近年來相繼開通的武廣高鐵、滬昆高鐵、合福高鐵等，最高建設(shè)速度在300 km/h 以上，這些高速鐵路控制系統(tǒng)均采用中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)第3 級（Chinese Train Control System，CTCS-3），簡稱C3 系統(tǒng)。C3 系統(tǒng)是利用鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-Railway，GSM-R）無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車-地面信號雙向傳送，該控制系統(tǒng)包括車載設(shè)備和地面設(shè)施。車載裝置主要負(fù)責(zé)接收地面指令，形成速度模式曲線，為維持列車運(yùn)行安全而對列車進(jìn)行監(jiān)控等工作。地面裝置主要根據(jù)聯(lián)鎖辦理的進(jìn)路，將行車許可等指令發(fā)送至車載設(shè)備，其中，列車車載裝置列車自動防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP)和無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC）均為C3 系統(tǒng)中的重要設(shè)備。RBC 根據(jù)軌道電路、聯(lián)鎖進(jìn)路等數(shù)據(jù)生成行車許可，并將行車許可、線路參數(shù)、臨時限速等通過GSM-R 無線通訊系統(tǒng)傳輸?shù)杰囕d設(shè)備上；同時，利用GSM-R 無線通訊系統(tǒng)接收位置、列車數(shù)據(jù)等車載設(shè)備發(fā)送的信息。ATP 根據(jù)行車許可、線路參數(shù)、臨時限速等數(shù)據(jù)以及地面設(shè)備傳送的動車組參數(shù)，并根據(jù)目標(biāo)速度和連續(xù)車速的變化模式形成動態(tài)速度曲線，以跟蹤車輛的安全行駛，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。GSM-R 網(wǎng)核心通常包含移動交換子系統(tǒng)、無線分組交換子系統(tǒng)（General Packet Radio Service，GPRS）、智能網(wǎng)接口等，一般采取冗余交叉覆蓋的方式進(jìn)行組網(wǎng)，提高無線運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

C3 系統(tǒng)遵循統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的安全通信協(xié)議，涉及核心的關(guān)鍵設(shè)備，需要冗余設(shè)置。C3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是實(shí)時控制列車安全運(yùn)行間隔、避免列車超速運(yùn)行的高速鐵路核心技術(shù)裝備和安全保障系統(tǒng)，但在實(shí)際運(yùn)用中，常由于各類因素造成降級。本文主要闡述C3 系統(tǒng)組成、無線超時原因，并通過日常C3 系統(tǒng)通信超時的障礙事例處置，總結(jié)無線超時的分析流程。CTCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 CTCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 CTCS system structure diagram

2 接口監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

C3 接口監(jiān)測系統(tǒng)是集信令采集管理、信息收集分析、在線用戶監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)狀況監(jiān)測、查詢數(shù)據(jù)分析、中斷統(tǒng)計分析和日志圖表等多項(xiàng)模塊功能于一體的復(fù)合型無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的綜合管理系統(tǒng)。一般由信息采集部分、信令數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)部分、信息存儲部分、綜合分析處理部分等組成，其中信息存儲部分和信息綜合分析處理部分具有較強(qiáng)的互動性。結(jié)構(gòu)方面主要有采集層、處理層、分析層3 部分。其中，采集層由Abis 接口、A 接口、PRI 接口信令及數(shù)據(jù)采集主機(jī)等構(gòu)成；處理層則由接口處理服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成；分析層則由綜合數(shù)據(jù)分析服務(wù)器和網(wǎng)管等構(gòu)成。GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)中的位置如圖2 所示。監(jiān)測接口的定義及與監(jiān)測系統(tǒng)的互聯(lián)方式如下。

圖2 GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)中的位置Fig.2 Position of GSM-R network interface monitoring system in the existing network

Abis 接口：基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信機(jī)（BTS）的通信接口。

A 接口：網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)（NSS）與基站子系統(tǒng)（BSS）的通信接口（MSC 至BSC 之間）。

PRI 接口：網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)NSS 與無線閉塞中心RBC 的通信接口。

C3 接口監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)被監(jiān)測用戶的網(wǎng)絡(luò)信令，對A 接口、Abis 接口及PRI 接口進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的關(guān)鍵設(shè)備，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全程實(shí)時監(jiān)控，并關(guān)聯(lián)顯示A 接口、Abis 接口和PRI 接口上的相關(guān)用戶信令消息。并且基于C3 接口監(jiān)測自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不但可以即時監(jiān)聽最基本的信令消息，還具有其他功能。

1）實(shí)時監(jiān)測機(jī)車車輛，及其運(yùn)行過程中的相關(guān)信息，按車次監(jiān)測，包括當(dāng)日已經(jīng)運(yùn)行和正在運(yùn)行的列車。對機(jī)車的運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，包括機(jī)車運(yùn)行的位置，所處小區(qū)的電平狀態(tài)，實(shí)時的狀態(tài)信息以及機(jī)車的全部接口。

2）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信令鏈路的情況，對話務(wù)負(fù)荷的統(tǒng)計分析。

3 無線超時的原因

無線超時是基于GSM-R 的C3 級列控系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題，信號弱、設(shè)備故障、干擾等情況都有可能引發(fā)無線閉塞中心RBC 與列車之間單向或者雙向的通信異常，導(dǎo)致列車控制在發(fā)生無線超時時，會從C3 降到CTCS-2（簡稱C2）。在C3 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用中，C3 故障主要表現(xiàn)為降級。引起C3 降級的原因主要有兩種可能：一是信號原因，表現(xiàn)為車載設(shè)備不良、RBC 設(shè)備不正常等；二是通信原因，表現(xiàn)為外部無線電磁環(huán)境干擾、小區(qū)或BSC 切換異常、通信設(shè)備故障等。由于C3 級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車控制方式相對較為復(fù)雜，因此導(dǎo)致通信超時原因很多，這其中原因不明的事件又占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋壤?。原因不明類問題是指雖然可以初步確認(rèn)為下行質(zhì)量突降、上行質(zhì)量突降、乒乓切換、越區(qū)切換和回切等，但是還不能確定造成問題的根本原因。而導(dǎo)致這一情況的主要根源就是系統(tǒng)設(shè)備出自不同廠家，盡管在技術(shù)條件、接口等有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但在不同廠家設(shè)備的結(jié)合部，依然存在一定的通用問題。

4 接口監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

對于無線連接超時分析，一般從車載設(shè)備和GSM -R 網(wǎng)絡(luò)兩方面進(jìn)行。

車載設(shè)備分析的內(nèi)容主要包括，是否出現(xiàn)單MT 工作，天饋線及其他連接處有無異常，以及發(fā)生超時后，在后續(xù)交權(quán)區(qū)運(yùn)行的狀態(tài)情況。車載司法記錄單元（JRU）用來記錄列車運(yùn)行中通過車載設(shè)備采集的原始數(shù)據(jù)以及通過車載設(shè)備所輸出的控制數(shù)據(jù)，下載相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)故障特點(diǎn)分析是否多次、重復(fù)發(fā)生，發(fā)生位置是否固定等情況進(jìn)行綜合性的判斷分析。

GSM-R 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析主要包括：對接口監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對PRI 接口、Abis 接口、A 接口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢分析。對通信設(shè)備工作狀態(tài)分析，重點(diǎn)是對MSC、BSC、BTS 及直放站等網(wǎng)管，伴隨發(fā)生的告警信息進(jìn)行分析，以及傳輸設(shè)備運(yùn)行工作狀態(tài)。對比分析故障地點(diǎn)附近的無線超時故障發(fā)生時段，前后列車的工作狀態(tài)?，F(xiàn)場測試排查分析，對干擾源的定位、場強(qiáng)覆蓋情況測試檢查、通信質(zhì)量及TA 測試情況等，并根據(jù)GSM-R 系統(tǒng)圖、RBC 管轄區(qū)等基礎(chǔ)技術(shù)資料，對整個網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的分析。

通信維護(hù)部門日常C3 接口監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)管是重點(diǎn)對列車運(yùn)行過程中的接口監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對PRI接口信令交互信息、電臺呼叫記錄等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；Abis 接口通信測量報告、切換歷史記錄，查詢是否存在中斷前切換失敗的情況；A 接口呼叫記錄及信令流程。通過查詢分析各接口數(shù)據(jù)，初步確定在故障地點(diǎn)附近的列車運(yùn)行狀況，初步定位障礙原因。

案例（無線信號干擾）：正常列車在行進(jìn)過程中，需要在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)的各基站間進(jìn)行不斷切換，且通話質(zhì)量不低于5 級，以便和地面列控中心一直取得聯(lián)系。但如果行進(jìn)過程中受到無線信號干擾，造成通信質(zhì)量下降至6 ～7 級，會引起C3 降級。例如2022 年1 月12 日網(wǎng)管通過C3 接口監(jiān)測系統(tǒng)查詢：13:19，列車G1978 運(yùn)行至K989+040 處，通信質(zhì)量劣化。查詢信令流程正常，查詢Abis 接口信令詳情，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)段下行通信質(zhì)量從之前的4 級以上已經(jīng)劣化至6 ～7 級。說明列車經(jīng)過此處時，通過質(zhì)量呈現(xiàn)劣化趨勢?，F(xiàn)場排查由于運(yùn)營商無線設(shè)備信號干擾造成通話質(zhì)量下降，如圖3 所示。

圖3 G1978接口監(jiān)測查詢數(shù)據(jù)Fig.3 G1978 interface monitoring and query data

案例（車載設(shè)備故障）：列車在運(yùn)行時，需要經(jīng)過不同的列控中心，為了更好地做到列控數(shù)據(jù)無縫交接，在高鐵上全部是雙套電臺交替工作，稱為交權(quán)。但是由于車載設(shè)備原因，某種情況下一個電臺工作異常，在該交權(quán)時沒有發(fā)揮作用，無法實(shí)現(xiàn)無縫交接，而是由同一個電臺在2 個列控中心先中斷連接再重新發(fā)起呼叫，從而造成C3 無線超時，這種現(xiàn)象為單電臺故障。在檢測系統(tǒng)中表象為Abis接口數(shù)據(jù)的上、下行電平值會發(fā)生突降，通話質(zhì)量劣化至6 ～7 級。例如2022 年3 月1 日，G7071次列車運(yùn)行至K1105+270 處，發(fā)生無線連接超時，造成降級。查看信令流程正常。在發(fā)生無線超時前Abis 接口數(shù)據(jù)上行、下行反應(yīng)出的電平值由-62 dBm 突降至-110 dBm，造成上、下行通信質(zhì)量劣化至7 級。

由此可以看出，C3 接口數(shù)據(jù)分析對于處置無線連接超時問題起到了關(guān)鍵作用，對有效處理無線超時發(fā)揮了指導(dǎo)性作用。

5 總結(jié)

C3 系統(tǒng)對保障高速鐵路行車安全、提高運(yùn)輸效率具有重大意義，是確保動車組行車安全、提高列車運(yùn)行效率的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備。GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)是C3 系統(tǒng)與列車信息的傳送平臺，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)必須實(shí)時監(jiān)控。通過C3 接口監(jiān)測系統(tǒng)，掌握網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量方面的問題，及時制定方案在發(fā)生降級前提前干預(yù)，盡量減少C3 降級問題的發(fā)生。同時也可以通過接口監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，分析C3 降級的原因，采取針對性措施及時處理，避免同一問題重復(fù)造成C3 降級的問題，從而保障GSM-R 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，確保高鐵運(yùn)行安全。